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王瑾等-Fuel:煤中的縮聚芳環在剪切應力作用下的力解機理
2019-07-12 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  煤與瓦斯突出是煤炭開采過程中常見的地質災害之一,它與構造應力作用緊密相關,往往釋放出煤層氣吸附理論難以解釋的超量瓦斯。應力作用能否引起煤等有機巖的化學變化,其作用機理是什么?這是長期以來備受關注的科學問題。傳統觀念普遍認為:溫度在煤化過程中對有機質降解起了重要作用;煤的縮聚芳環非常穩定,在地質條件下難以發生熱解反應;煤分子不太可能發生力解反應。如果煤的力解反應得以證實,不僅對認識煤與瓦斯突出的機理以及解釋超量煤層氣的生成具有重要意義,而且是有機質生烴理論的重要補充。 

  十多年來,中國科學院大學侯泉林教授課題組對煤的力解問題進行了深入研究,獲得了諸多佐證,但一直缺少更直接的證據。為了探索上述問題,中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士生王瑾在郭光軍研究員和侯泉林教授的指導下,采用ReaxFF反應力場分子動力學模擬方法研究了無煙煤在外力作用下發生破裂的過程。 

  在模擬體系中(圖1),將六個煤分子(C154H96O9)分成2組,分別沿相反的方向施加外力以便產生剪切應力;模擬中溫度控制在600 K以避免煤分子發生熱解反應。模擬結果表明,通常認為煤分子中難以破裂的縮聚芳環很容易發生力解反應,主要有攻擊破裂和直接破裂兩種機理(圖2),這與常見的熱解機理完全不同。縮聚芳環可以被剪破(圖3)意味著煤的力解反應可能是有機質生烴的重要方式之一。 

1  無煙煤單分子模型(A)和包含六個單分子的平衡體系(B)。圖B中顯示了六個分子的堆積方向,為了繪圖清晰,在圖B中僅顯示了碳骨架結構

2  在剪切應力下,煤的縮聚芳環相互攻擊破裂機理(A)和直接破裂機理(B)。[]代表軌跡分析過程中觀察到的可能的過渡態,Arx表示芳香組分

3  縮聚芳環可以被剪破。圖中六個苯環組成的六螺苯結構為縮聚芳環的概念示意圖,黑色箭頭代表對縮聚芳環施加剪切力,碳原子為綠色,氫原子為灰色,參與反應的原子為橙色    

  成果發表于FuelWang J, Guo G J, Han Y, et al. Mechanolysis mechanisms of the fused aromatic rings of anthracite coal under shear stress[J]. Fuel, 2019, 253: 1247-1255.)(原文鏈接 

 
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