我国每年产生大量的粉煤灰, 不同粒径的粉煤灰在处置利用方面存在较大差异。 为探究不同粒径粉煤灰物质组成及结构的差异, 选取古交飞灰为研究对象, 将其筛分成8个粒度级别, 运用X射线衍射(XRD)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征。 结果表明: XRD图谱显示古交飞灰主要物质组成为非晶相玻璃体(61.93%～74.76%), 莫来石(20.45%～29.59%)与少量石英(1.23%～5.64%)。 随着粒径的增加, 莫来石含量降低, 石英含量先增加后降低, 而玻璃体呈现整体上升的趋势。 FTIR图谱显示Si—O(Si, Al)反对称伸缩振动峰为主要化学键(58.86%～67.39%), 其次为Si—O—(Si)弯曲振动(15.28%～21.40%), Si—O—Si对称伸缩振动(6.18%～9.67%), Si—O—(Al)对称伸缩振动(0.79%～4.02%)。 随着粒径的增加, Si—O(Si, Al)反对称伸缩振动相对增加, Si—O—(Si)弯曲振动降低, 而Si—O—Si对称伸缩振动与Si—O—(Al)对称伸缩振动波有明显变化规律。 FTIR中Si—O(Si, Al)反对称伸缩振动峰主要为飞灰中的玻璃体的吸收峰, 其相对含量随着粒度的增加而增加与XRD定量所得玻璃体含量变化趋势整体一致。 464 cm-1附近石英的Si—O—(Si)弯曲振动, 1 090 cm-1附近石英的Si—O—Si反对称伸缩振动相对含量的变化趋势与XRD定量所得石英百分含量的结果基本一致。 不同粒飞灰中莫来石556 cm-1处强吸收峰的相对含量(y)与XRD计算所得莫来石含量(x%)呈线性关系: y=0.396x-1.997, R2=0.868。

为定量研究不同煤阶煤的化学结构, 借助傅里叶红外光谱, 对河曲长焰煤、 柳林焦煤及晋城无烟煤进行了化学结构表征。 从红外的四个谱段来看, 每一谱段都发生了一定的变化。 在芳香结构中, 河曲煤有5个峰位, 柳林煤减小为3个峰位, 而后至晋城煤又增加到5个峰位。 在含氧官能团中, 随着煤阶的升高, 波数在1 100～1 350 cm-1的峰面积逐渐减小, 峰形变得平缓, 这说明煤化作用是富碳、 脱氧的过程。 在脂肪烃中, 谱图中波数在2 952 cm-1附近的肩峰加宽, 说明甲基的含量增加。 波数在2 895 cm-1附近的峰形逐渐变缓, 说明次甲基的含量减小。 在氢键范围内, 随着煤阶的增高, 谱图先变缓后变陡, 波数在3 400 cm-1附近变化尤为突出, 说明煤中自缔合羟基的含量先减小后增加。 并运用Origin7.5软件对所得到的红外谱图进行分峰拟合及归属。 结果表明: 苯环的取代方式主要以三取代为主, 随着煤阶的增高, 苯环三、 四取代含量下降, 二、 五取代含量升高; 其中苯环三取代的含量由63%降至32%, 苯环四取代由17.21%降至12.86%, 而苯环二取代则由12.36%增至24.44%, 苯环五取代由6.55%增至26.58%。 红外归属中, 不同煤阶煤灰分的百分含量, 与其工业分析中灰分含量有很好地对应。 随着煤阶的增高, 碳氧单键的比例由37.22%降至27.83%; 碳碳双键含量由31.02%升高到36.86%, 而后又降至25.42%; 碳氧双键含量有微小变化, 由13.07%降到13.02%, 然后又升至13.81%。 脂肪烃中, 随着煤化程度的加深, 甲基对称伸缩振动占比分别为11.67%, 11.81%和12.92%, 甲基反对称伸缩振动占比分别为18.74%, 18.94%, 24.76%, 而次甲基的伸缩振动占比分别为17.38%, 12.53%, 11.57%, 亚甲基对称伸缩振动占比分别为18.09%, 18.14%和15.43%, 亚甲基的反对称伸缩振动占比分别为34.41%, 38.58%和35.32%。 亚甲基的对称与反对称的比例都出现先增加后减小的趋势; 甲基的对称与反对称伸缩振动的比例则呈增加趋势; 次甲基的含量呈降低趋势。 羟基-N氢键存在于河曲煤与柳林煤中, 晋城煤无此类氢键; 煤阶越低, 其百分含量越大。 随着煤阶的增高, 环状缔合氢键由19.03%降至12.71%, 羟基-醚氢键由27.20%降至16.89%; 这是由于低煤阶煤中羧酸、 羟基等含氧官能团的含量高。 自缔合羟基含量先由39.63%减小到34.78%, 而后又增加至37.88%; 而羟基-π氢键的含量由9.84%上升至27.77%。 这些变化揭示了煤化作用是一个富碳、 去氢、 脱氧、 去除杂原子的复杂演化过程; 对探索煤大分子结构演化特征及控制机理有借鉴意义。

为了煤的洁净、 高效和高附加值利用, 需要从分子水平上了解煤的结构。 在文献<参考文献原文>中, 作者以元素分析和13C核磁共振为依据构建了神东煤镜质组（SV）的结构模型, 所建模型的13CNMR模拟计算结果能很好的和实验结果比对, 为了进一步验证该模型的准确性, 以半经验量子化学计算方法VAMP对SV模型结构的红外谱进行了计算。 结果显示模拟计算得到的红外谱图与实验谱图相比峰形相似, 但整个计算谱明显偏向高波数区域。 经过对相关模型化合物的红外谱进行计算, 其原因是半经验方法计算所得官能团结构的振动频率均高于实验测试结果。 依此对SV结构模型的红外模拟谱进行修正, 修正后实验和模拟谱图能很好地吻合, 这进一步证实SV结构模型可以真实的反映神东煤镜质组的结构组成特点。

11种Cdaf在57.58%～94.01%的不同变质程度煤的拉曼光谱实验表明不同变质程度煤的拉曼光谱一级模都存在两个明显的振动峰， 分别为较为宽缓的D峰（1　340～1　380 cm-1）和相对较为尖锐的G峰（1　580～1　600 cm-1）。 将800～1　800 cm-1范围的谱图拟合为两个洛仑兹峰， 每个峰的峰位置， 峰强度以及半峰宽等拉曼参数与碳含量的相关关系分析结果显示： D峰位置和G峰位置随碳含量的增加分别向低波数和高波数区域移动； 两峰的峰位差随碳含量的增加而增加； 两峰的半峰宽FWHM-D， FWHM-G及两峰强度比ID/IG在碳含量75％～94％范围内与碳含量线性相关。 发现XRD分析获得的d002和Lc与拉曼谱中的G峰位置及半峰宽存在着良好的相关性。 与X射线衍射得到的晶粒尺寸La值相关性分析表明用Cancado公式和KW公式对La进行估算均是不合理的。