專利名稱：一種煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法，尤其適用于輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性的定性與分類，揭示煤表面官能團(tuán)對(duì)氧氣的吸附特性。
背景技術(shù)：
煤炭自燃是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要災(zāi)害之一，我國(guó)有自燃傾向性的煤層占開采煤層總數(shù)的79. 93%，國(guó)有重點(diǎn)煤礦可采厚煤層的礦井基本上都存在自然發(fā)火的問題。 煤炭自燃產(chǎn)生的主要原因是煤氧復(fù)合氧化作用，煤對(duì)氧的吸附是煤氧復(fù)合氧化作用的關(guān)鍵因素，因此研究煤對(duì)氧的吸附作用是煤自燃研究的基礎(chǔ)。煤對(duì)氧氣的吸附作用已經(jīng)作為判斷煤自燃傾向性的主要指標(biāo)應(yīng)用于色譜吸氧法(GB/T 20104-2006)和氧化動(dòng)力學(xué)方法 (AQ/T 1068-2008)。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)煤的恒溫靜態(tài)耗氧或升溫氧化過程耗氧等宏觀角度研究煤對(duì)氧氣的吸附作用，雖然借較為客觀，但測(cè)試周期較長(zhǎng)；此外，上述測(cè)得的煤的耗氧量中，一部分是煤樣表面官能團(tuán)對(duì)氧氣的吸附消耗，一部分是煤樣孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氧氣的吸附留存，而其中前者對(duì)煤氧復(fù)合氧化作用起直接的決定性作用，后者則僅為煤表面官能團(tuán)吸附氧氣提供了空間環(huán)境，故所測(cè)得的總體耗氧量不利于闡明煤自燃的發(fā)展過程。 此外，還有一些學(xué)者從微觀特征入手，采用量子化學(xué)方法從分子結(jié)構(gòu)模型、官能團(tuán)等微觀角度研究煤對(duì)氧的吸附作用，但該方法目前仍局限與模擬推理，缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。因此，在煤自燃傾向性的測(cè)定方法以及煤低溫氧化過程的研究中，煤對(duì)氧氣吸附作用的測(cè)定方面仍存在一定誤差，與煤氧復(fù)合反應(yīng)的實(shí)際相去甚遠(yuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的煤物理吸氧量測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、受煤自身物理孔隙結(jié)構(gòu)影響的問題，提供一種測(cè)試時(shí)間短、方法簡(jiǎn)單、操作方便、定量分析、能夠反映煤結(jié)構(gòu)本質(zhì)的表面官能團(tuán)氧氣物理吸附特性的煤自燃傾向性測(cè)定方法。本發(fā)明的煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法，包括如下步驟
(1)取新鮮煤樣進(jìn)行破碎，篩分取顆粒直徑為0.053mm-o. 075 mm的煤樣，對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理；
(2)將干燥后的煤樣放入傅里葉變換紅外光譜儀的原位反應(yīng)池中，并向原位反應(yīng)池中通入100 mL/min流量的氧氣2 min,同時(shí)將其設(shè)定為30°C恒溫運(yùn)行；
(3)測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第一幅紅外光譜(4)切換氧氣為100mL/min流量的氮?dú)?，使煤樣在氮?dú)饬飨旅摳窖鯕? min，測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第二幅紅外光譜(5)分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數(shù)范圍內(nèi)的煤表面官能團(tuán)在不同條件下的峰面積、、A2、A3,并代入下式計(jì)算得到煤表面官能團(tuán)的物理吸氧量V:
V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/g式中
峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A2——通氮?dú)夂?000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積Αδ——通氧氣和通氮?dú)鈨煞N條件下2000(^^-4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)紅外光譜峰面積的變化量；
根據(jù)計(jì)算得到的物理吸氧量V值，對(duì)煤樣的自燃傾向性進(jìn)行排序，物理吸氧量V值越大，則相應(yīng)煤自燃傾向性越高，反之則越小。所述對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理在真空條件下進(jìn)行，煤樣干燥環(huán)境溫度控制在40°C。有益效果本發(fā)明通過測(cè)試煤樣表面主要吸附氧官能團(tuán)的含量及其吸氧解吸的官能團(tuán)變化量大小，判斷煤的物理吸氧量的大小，并定量給出各主要吸附官能團(tuán)對(duì)氧氣的吸附能力。由于煤中含有的主要吸附氧官能團(tuán)的量越多，吸氧解吸后的官能團(tuán)變化量越大，煤樣的物理吸氧量就越大。從而能夠有效地輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性，同時(shí)揭示煤樣結(jié)構(gòu)最根本的氧吸附能力。整個(gè)測(cè)定過程只需測(cè)試正常吸附氧條件下的煤表面官能團(tuán)紅外譜圖和通氮?dú)饨馕蟮拿罕砻婀倌軋F(tuán)紅外譜圖，一般只需7-lOmin即可完成，比傳統(tǒng)方法節(jié)省了大量時(shí)間，且具有很高的可重復(fù)性。其方法簡(jiǎn)單，快捷有效，操作方便，簡(jiǎn)單可靠，省時(shí)省力，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，在本領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用性。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一、對(duì)北皂褐煤樣品破碎篩分后，取顆粒直徑在0.053 mm-0. 075 mm的煤樣，將煤樣置于40 °C的真空環(huán)境條件下進(jìn)行干燥處理后，取4 mg干燥煤樣放入傅里葉變換紅外光譜原位反應(yīng)池中，通入流量為100 mL/min的氧氣2 min,同時(shí)將其設(shè)定為30°C恒溫運(yùn)行，測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第一幅紅外光譜圖。慢慢調(diào)節(jié)二通閥，切換氧氣為100 mL/min流量的氮?dú)猓姑簶釉诘獨(dú)饬飨旅摳窖鯕? min,測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第二幅紅外光譜圖，完成測(cè)試過程。分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數(shù)范圍內(nèi)的煤表面官能團(tuán)在不同條件下的峰面積Ai、A2、A3,并代入下式計(jì)算得到煤表面官能團(tuán)的物理吸氧量V:
Ap A2、A3,并代入下式計(jì)算得到煤表面官能團(tuán)的物理吸氧量V: V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/g A Δ =A1-A2 式中
峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A2——通氮?dú)夂?000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積Αδ——通氧氣和通氮?dú)鈨煞N條件下2000(^^-4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)紅外光譜峰面積的變化量；
通過譜圖解析得到波數(shù)范圍在2000(^-^4000 cm—1之間的羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的含量，以及解吸氧氣后上述官能團(tuán)的變化量，如下表
權(quán)利要求
1.一種煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取新鮮煤樣進(jìn)行破碎，篩分取顆粒直徑為0.053mm-o. 075 mm的煤樣，對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理；(2)將干燥后的煤樣放入傅里葉變換紅外光譜儀的原位反應(yīng)池中，并向原位反應(yīng)池中通入100 mL/min流量的氧氣2 min,同時(shí)將其設(shè)定為30°C恒溫運(yùn)行；(3)測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第一幅紅外光譜圖；(4)切換氧氣為100mL/min流量的氮?dú)猓姑簶釉诘獨(dú)饬飨旅摳窖鯕? min，測(cè)試原位反應(yīng)池中煤樣的第二幅紅外光譜圖；(5)分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數(shù)范圍內(nèi)的煤表面官能團(tuán)在不同條件下的峰面積、、A2、A3,并代入下式計(jì)算得到煤表面官能團(tuán)的物理吸氧量V:V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/gA Δ =A1-A2式中峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A2——通氮?dú)夂?000(^-^4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面所有官能團(tuán)的紅外光譜峰面積的總量；峰面積Αδ——通氧氣和通氮?dú)鈨煞N條件下2000(^^-4000 cm—1波數(shù)范圍內(nèi)煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團(tuán)紅外光譜峰面積的變化量；根據(jù)計(jì)算得到的物理吸氧量V值，對(duì)煤樣的自燃傾向性進(jìn)行排序，物理吸氧量V值越大，則相應(yīng)煤自燃傾向性越高，反之則越小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法，其特征在于所述對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理在真空條件下進(jìn)行，煤樣干燥環(huán)境溫度控制在40°C。
全文摘要
一種煤表面官能團(tuán)物理吸氧量的測(cè)定方法，適用于煤自燃特性研究和煤礦煤層的自燃傾向性的定性與分類。通過測(cè)試煤樣表面主要吸氧官能團(tuán)的含量及其吸附氧氣、解吸氧氣后的官能團(tuán)變化量大小，判斷煤的物理吸氧量的大小，定量給出各主要吸氧官能團(tuán)對(duì)氧氣的吸附能力。煤樣表面含有的主要吸氧官能團(tuán)的數(shù)量越多，吸氧、解吸后的官能團(tuán)變化量越大，則對(duì)應(yīng)的物理吸氧量也越大。能夠有效地輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性，同時(shí)從煤樣化學(xué)結(jié)構(gòu)角度揭示煤樣吸氧能力。整個(gè)測(cè)定過程只需測(cè)試吸附氧氣后的煤表面官能團(tuán)紅外光譜圖和通氮?dú)饨馕鯕夂蟮拿罕砻婀倌軋F(tuán)紅外光譜圖，一般只需7-10min即可完成，且具有很高的可重復(fù)性。其方法簡(jiǎn)單，操作方便，省時(shí)省力，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102539376SQ20121000946
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者亓冠圣, 戚緒堯, 王德明, 竇國(guó)蘭, 許濤, 辛海會(huì) 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)