HTHP 红外高温高压原位透射池在测定煤样中的应用

煤样在原位高温高压催化透射池中的测试应用

采用红外光谱对材料原位高温高压的测试已成为现代材料表征中必不可少的方法。

但是针对黑色的物质，如煤，石墨等，传统的方法并不能得到很好的样品谱图信息，光通量，样品处理，后期的数据分析，基线漂移成为主要的困难。

Specac公司提供的HTHP 原位高温高压三模式池，在针对这类样品时，通过对煤样采用FTIR技术，反映煤在低温，高温以及含氧官能团，CO，烃类气体等随着氧化作用加深，脂肪结构变化，含氧官能团总数变化，来分析煤岩成分和变质程度，以及对煤样量化评价。

煤的存储，自然和燃烧性能。容易吸收氧气，吸附，含氧官能团，生成CO2，放热评价。

方法和结果

称取煤样1.5-2mg 在105度真空干燥2小时去除水份。

称取200-300mg的Specac提供的KBr干燥纯粉末，进行混合后压片，在氮气保护下存放样品。先做KBr样片背景后，在放入样品混合压片。

波数范围从500-4000cm^-1，分辨率4 cm^-1，扫描次数32次。 

图1 煤样随温度变化的三维图谱

两个尖锐的吸收带来自于煤中面内对称和反对称伸缩振动，全部处在脂链及饱和脂环中。

可看到2900cm^{- 1}和2800cm^{- 1}是脂肪烃随温度变化的吸收光谱，3050cm^{- 1}则是芳烃的强吸收光谱随温度变化趋势。伴随一部分热解，羰基变成长链，但是没有变成气体，有的发生缩聚反应，之后继续氧化，发生断键，变成小分子，吸光度逐渐降低。

图2 煤氧化中特征温度带红外光谱图

图2 为通过联用热重红外技术（TGA-IR），针对煤燃烧的7个特征温度点，分别为临界温度，干裂温度，活性温度，增速温度，受热分解温度，着火温度，最大失重速率温度。随着温度控制器温度的增加，分别设置这7个温度点，可得到煤在燃烧过程中的特种温度点的官能团变化。

图3 煤氧化原位红外分析中含氧官能团的变化

图3 以含氧基团为例， 煤中含氧官能团除羟基和羧基基团以外, 羰基、醚键及其他含氧 杂环联接键中也含有氧, 但是它们的联接方式复杂, 且振动模式也颇特殊, 部分官能团对红外光谱的贡献在吸收带 1300~ 1000cm ^{- 1}处。

可看到1786 cm ^{- 1}是羰基随温度变化的流量图谱。加氧后，自由基跟氧结合，转变成羰基，吸收峰逐渐增强，之后随着温度进一步变化，逐渐发生缩聚反应，继续氧化，发生断键，变成小分子，1114 cm ^{- 1}部分醚键裂解生成了水以及CO2，吸收峰逐渐降低。

随着煤化程度的增加, 煤中的含氧官能逐渐减少, 煤中的氧少部分存在于羧基, 大部分存在于羟基 和其它含氧官能团中, 其中其它含氧官能团中的氧约占煤中氧的一半

煤中羰基，羧基、羟基以及醌、醚键等其它含氧官能团的氧含量均随煤化程度的增高而减 少, 与煤化程度有关。这对判断不同种类，不同地区的煤，煤中的不同成份，以及煤阶程度有重要的意义。对于存储的煤，对氧气的吸附能力，以及高低阶的煤在燃烧过程中生成的CO2等放热反应对于煤的燃烧性能都可进一步进行评价。