基于模型化合物的煤炭自燃机理研究

煤炭自然发火是煤矿严重灾害之一。煤炭自燃机理的研究是预防和治理煤炭自燃火灾的科学基础。但国内外对煤炭自燃机理的研究还不够系统和深入，现有的研究成果还不能很好地描述煤中各种活性基团的氧化反应过程、反应条件及热效应。这主要是由于煤的组成和结构极其复杂，各种活性基团混杂在一起，影响了煤炭自燃机理的深入研究。本课题以煤的模型化合物为研究对象，选择多种有特定基团的模型化合物，研究其在常温到100℃之间的氧化反应，利用电子自旋共振谱、红外光谱研究其氧化过程中的自由基反应和成分变化，利用氧化反应装置和分析仪器，研究耗氧速度，氧化化产物及生成速度和热效应，定量研究各种活性基团的化学反应动力学和热力学参数。以自由基反应理论为指导，总结出煤炭自燃机理。并选择有代表性的煤样，通过自燃模拟试验，进行实验验证。

利用模型化合物将复杂大分子体系分解为简单小分子结构模拟复杂煤分子中表面活性基团的低温氧化特性。采用惰性颗粒作为载体吸附模型化合物，模拟近似煤自燃过程的“气-固”氧化反应。测试了模型化合物低温氧化动力学参数；发现和煤自燃类似，模型化合物的低温氧化存在临界温度；且反应为复杂多步反应，伴随多种中间产物的生成。通过红外光谱以及色谱-质谱联用分析研究模型化合物中活性基团氧化的结构变化。在各活性基团中，醛基和脂肪桥键的氧化活性较大。此外，通过试验模型化合物低温氧化抑制剂，研发了新型煤自燃阻燃材料。