拉曼光谱在煤炭分析中的应用

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）。