超细煤粉体的光催化氧化反应性及动力学研究

论文摘要

在西部大开发中，如何对煤炭资源进行高效、洁净、高附加值转化利用，是目前迫切需要解决的战略问题。随着人类对环境的日益重视和“白色污染”的加剧，可降解材料的研究开发已成为世界瞩目的热点问题之一。煤基可降解材料的生产是实现煤炭非燃料高附加值利用和解决“白色污染”的有效途径，该材料降解周期精确控制的技术关键是阐明煤的光催化氧化降解反应性及动力学。 本文引入分形维数定量表征了煤超细粉体颗粒分布均匀程度和颗粒表面的光滑程度。超细煤粉体的FTIR图谱研究表明：随煤变质程度的提高，煤中含氧官能团减少，缩合程度增大，脂肪氢（Al-CH）含量下降和芳香氢（Ar-CH）的含量上升；羟基-羟基氢键、环羟基氢键呈减少趋势，而羟基-醚氢键呈增加趋势。 将煤结构与光化学理论相结合，采用分形分析及现代测试方法，在自行设计的紫外光光催化氧化反应装置上，首次系统研究了煤低温光催化氧化反应性及影响因素。研究发现：反应温度、氧气流量、光强度及煤粉粒度是影响煤光催化氧化反应性的重要外部因素；煤的光催化氧化反应分为三个阶段；低变质程度煤具有较高的光催化氧化反应活性；煤低温光催化氧化的气体产物组成为CO2、CO、CH4和C2H4等，进而揭示出在光催化氧化反应中存在煤大分子烷基侧链的NorrishⅡ型光分解反应。 通过超细粉碎-浮沉试验联合方法分离获得了煤的不同密度级组分，发现神府长焰煤的密度级组分主要富集在1.350-1.375g／cm3（D2），1.375-1.400g／cm3（D3）及＞1.400g／cm3（D4）三个密度级别中。首次通过不同密度级煤组分的结构和光催化氧化特性研究，揭示了煤的结构和光催化氧化反应性的关系。不同密度级煤组分的光催化氧化反应活性顺序为：D2＞D3＞D4。腐植酸产率随着光催化氧化时间的增加而增大，各密度级煤组分光催化氧化产物的腐植酸产率大小为：D2＞D3＞D4。在煤光催化氧化过程，存在煤大分子分解与交联两类竞争反应。煤光催化氧化后，煤不同密度组分的表面官能团结构的变化规律不同。 对比研究了原煤及其不同密度级组分的光催化氧化反应性与热氧化性的差异，结果表明：煤光催化氧化的反应活性高于其热氧化的反应活性。光氧化煤的腐植酸产率远高

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 煤低温氧化研究进展
• 1.2.1 煤低温氧化的影响因素
• 1.2.2 煤低温氧化机理研究
• 1.2.3 煤低温氧化动力学研究
• 1.2.4 煤低温氧化研究方法
• 1.3 聚合物的光氧化降解研究现状
• 1.4 研究领域展望
• 1.5 本文的研究内容和技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 2 超细煤粉体的结构和性质研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料及试剂
• 2.1.2 仪器设备
• 2.1.3 超细煤粉的制备
• 2.1.4 超细煤粉结构表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 超细煤粉的FTIR分析
• 2.2.2 超细煤粉体的分形定量表征
• 2.3 小结
• 3 不同煤阶超细煤粉光催化氧化的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料和试剂
• 3.1.2 仪器设备
• 3.1.3 煤粉的光催化氧化试验
• 3.1.4 分析与表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 反应条件变化对超细煤粉光催化氧化反应性的影响
• 3.2.2 不同煤阶超细煤粉的光催化氧化反应性
• 3.2.3 光催化氧化对煤结构的影响
• 3.2.4 细煤粉光催化氧化的动力学特性
• 3.3 小结
• 4 不同密度级超细煤粉光催化氧化的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料及试剂
• 4.1.2 实验设备及仪器
• 4.1.3 煤样的制备
• 4.1.4 光催化氧化降解实验
• 4.1.5 热氧化降解实验
• 4.1.6 分析与表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 神府煤不同密度级组分的结构特性
• 4.2.2 神府煤不同密度级组分的光催化氧化反应性
• 4.2.3 神府煤不同密度级组分光催化氧化产物的结构
• 4.2.4 神府煤不同密度级组分光/热氧化的对比研究
• 4.3 小结
• 5 超细煤粉光催化氧化降解反应性的控制研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 原料及试剂
• 5.1.2 实验设备及仪器
• 5.1.3 改性煤样制备
• 5.1.4 光催化氧化降解试验
• 5.1.5 分析与表征
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 外加金属离子对煤粉光催化氧化反应性的影响
• 5.2.2 外加金属离子对煤粉光催化氧化产物结构的影响
• 2对煤粉光催化氧化反应性的协同作用'>5.2.3 金属离子和纳米TiO₂对煤粉光催化氧化反应性的协同作用
• 5.3 小结
• 6 超细煤粉光催化氧化机理和动力学模型
• 6.1 超细煤粉光催化氧化机理
• 6.1.1 煤大分子结构中易光催化氧化的基团
• 6.1.2 煤低温光催化氧化反应性与煤结构参数关系
• 6.1.3 煤自敏化光催化降解机理
• 6.2 超细煤粉光催化氧化动力学研究
• 6.2.1 动力学拟合方程
• 6.2.2 煤光催化氧化失重动力学模型
• 6.3 小结
• 7 超细煤粉在光降解薄膜中的应用研究
• 7.1 实验部分
• 7.1.1 原料和试剂
• 7.1.2 主要仪器设备
• 7.1.3 煤光敏化光降解薄膜的制备
• 7.1.4 煤光敏化膜的光降解试验
• 7.1.5 煤光敏化膜的光降解性能表征
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 光照时间对煤光敏化膜降解特性的影响
• 7.2.2 环境温度对煤光敏化膜降解特性的影响
• 7.2.3 超细煤粉对煤光敏化膜降解特性的影响
• 7.2.4 铁盐和煤粉对薄膜光降解的协同作用
• 7.2.5 煤光敏化膜的光氧化降解机理初探
• 7.3 小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录