2022-09-07 04:14:30 奥谱天成(厦门)光电有限公司
煤是一种由多种官能团、多种化学键组成的复杂有机大分子,从化学结构来看,煤是一种短程有序、长程无序的非晶态固体有机物,获得其芳香晶核的结构参数是一项重要的内容。
拉曼光谱是一种散射光谱,是波谱分析技术的重要组成部分。拉曼光谱分析法是基于拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱在材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域都有应用,随着拉曼技术的不断发展,其应用范围越来越广泛。
拉曼光谱对碳材料的结构有序状态非常敏感,可以为结构的有序性程度提供可靠的信息,是表征碳材料最常用的、非破坏性的、快速的和高分辨的技术之一,因此,拉曼光谱常被用来表征石墨等碳质材料的结构特征。
煤碳具有高碳物料的特征,在结构上和多晶石墨有相似之处。以下是使用我们奥谱天成便携式拉曼光谱仪ATR3110-532测试的石墨烯和煤炭的拉曼谱图,由图可以看出,两者的拉曼特征峰接近。
用ATR3110-532进行测试,样品石墨烯,积分时间10000ms,激发功率30mw。
本次测试的拉曼谱图结果在1343cm-1,1601cm-1左右有明显的分辨特征信号。
用ATR3110-532进行测试,样品某煤炭,积分时间10000ms,激发功率50mw。
本次测试的拉曼谱图结果在1337cm-1,1602cm-1左右有明显的分辨特征信号。
煤炭等含碳化合物中天然有机物质的拉曼光谱显示,拉曼谱带与无定形碳的结构组成相关。煤炭与一般的高分子有机化合物最大的区别是,其具有特别的复杂性、多样性和不均一性,在同一块煤中任意部分都不存在一个统一的化学结构。根据煤炭中天然有机物质的拉曼光谱所示,其拉曼谱带与无定形碳的结构组成有关。
苏现波等通过对不同变质变形程度的煤进行拉曼光谱测试,发现煤微晶结构及其演化与拉曼光谱特征之间存在密切关系,同时随着芳构化及芳环缩合作用的增强,均会导致峰位差(G-D1)急剧增大和半高宽比(G/D1)急剧减小。
表1 3种煤炭的拉曼参数差异
图1 3种煤炭的拉曼光谱曲线比较
如表1和图1所示,对比了三个不同种类的煤炭的拉曼参数差异以及拉曼曲线。可以看出拉曼谱带与煤炭的结构组成有关,随着煤化程度增加,具体表现为:
(1)D1峰位置向低波数区域移动,G峰位置则向高波数区域移动,因而D1峰与G峰的峰位距离:褐煤<烟煤<无烟煤。
(2)D1峰与G峰越尖锐,峰高比(G/D1)值越低,因此峰高比(G/D1):褐煤>烟煤>无烟煤,褐煤的D1峰尤为平缓,与烟煤及无烟煤的差别明显。
(3)无烟煤在2500~3250cm-1拉曼散射较弱,二级模较为明显,褐煤与烟煤二级模叠加在一起,形成明显且宽缓的馒头峰。
根据上述表现,可以快速鉴别煤炭种类。
导致以上煤炭的拉曼参数差异,其主要原因是:
①褐煤的煤化程度最低,含碳量最少,挥发分含量最多;烟煤是由褐煤经变质作用转变而成的煤种,挥发分为10%~40%,一般随煤化程度增高而降低,煤化程度高于褐煤,低于无烟煤;无烟煤为煤化程度47中国口岸科学技术最高的煤,含碳量最多,挥发分含量较少,灰分含量不高。
②D1峰主要为芳环与芳香族化合物之间的C-C键振动峰;G峰为芳环呼吸振动,C=C键振动,石墨特征峰。随着挥发分含量的变化,引起芳构化及芳环缩合作用的差异,从而导致D1峰与G峰之间的关系发生相应的变化。煤化程度越高,煤中的烷基侧链、含氧官能团及小分子化合物逐渐减少至消失,取而代之的是有序度更高的芳构碳及芳香层的叠置和集聚,挥发分含量比例越小,峰谱带的峰形愈加尖锐。
③二级模受D1峰与G峰影响,是其频峰,也随着D1峰与G峰的变化而变化。煤化程度越高,宽缓的馒头峰逐渐分裂成3个明显的峰(2D1峰谱带、D1+G峰谱带和2G峰谱带)。
结语
拉曼光谱技术可提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析,已经广泛用于煤化工领域,可以分析煤的结构,通过煤炭煤化程度的变化规律,可快速鉴别煤炭种类,为有效防范劣质煤炭进口提供重要的检测手段。
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