專利名稱：一種煤表面官能團物理吸氧量的測定方法
技術領域：
本發明涉及一種煤表面官能團物理吸氧量的測定方法，尤其適用于輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性的定性與分類，揭示煤表面官能團對氧氣的吸附特性。
背景技術：
煤炭自燃是我國煤礦安全生產面臨的主要災害之一，我國有自燃傾向性的煤層占開采煤層總數的79. 93%，國有重點煤礦可采厚煤層的礦井基本上都存在自然發火的問題。 煤炭自燃產生的主要原因是煤氧復合氧化作用，煤對氧的吸附是煤氧復合氧化作用的關鍵因素，因此研究煤對氧的吸附作用是煤自燃研究的基礎。煤對氧氣的吸附作用已經作為判斷煤自燃傾向性的主要指標應用于色譜吸氧法(GB/T 20104-2006)和氧化動力學方法 (AQ/T 1068-2008)。目前，國內外許多學者根據煤的恒溫靜態耗氧或升溫氧化過程耗氧等宏觀角度研究煤對氧氣的吸附作用，雖然借較為客觀，但測試周期較長；此外，上述測得的煤的耗氧量中，一部分是煤樣表面官能團對氧氣的吸附消耗，一部分是煤樣孔隙結構對氧氣的吸附留存，而其中前者對煤氧復合氧化作用起直接的決定性作用，后者則僅為煤表面官能團吸附氧氣提供了空間環境，故所測得的總體耗氧量不利于闡明煤自燃的發展過程。 此外，還有一些學者從微觀特征入手，采用量子化學方法從分子結構模型、官能團等微觀角度研究煤對氧的吸附作用，但該方法目前仍局限與模擬推理，缺乏真實實驗數據的支撐。因此，在煤自燃傾向性的測定方法以及煤低溫氧化過程的研究中，煤對氧氣吸附作用的測定方面仍存在一定誤差，與煤氧復合反應的實際相去甚遠。

發明內容
本發明的目的是針對已有技術中存在的煤物理吸氧量測試時間長、受煤自身物理孔隙結構影響的問題，提供一種測試時間短、方法簡單、操作方便、定量分析、能夠反映煤結構本質的表面官能團氧氣物理吸附特性的煤自燃傾向性測定方法。本發明的煤表面官能團物理吸氧量的測定方法，包括如下步驟
(1)取新鮮煤樣進行破碎，篩分取顆粒直徑為0.053mm-o. 075 mm的煤樣，對煤樣進行干燥處理；
(2)將干燥后的煤樣放入傅里葉變換紅外光譜儀的原位反應池中，并向原位反應池中通入100 mL/min流量的氧氣2 min,同時將其設定為30°C恒溫運行；
(3)測試原位反應池中煤樣的第一幅紅外光譜(4)切換氧氣為100mL/min流量的氮氣，使煤樣在氮氣流下脫附氧氣5 min，測試原位反應池中煤樣的第二幅紅外光譜(5)分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數范圍內的煤表面官能團在不同條件下的峰面積、、A2、A3,并代入下式計算得到煤表面官能團的物理吸氧量V:
V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/g式中
峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A2——通氮氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積Αδ——通氧氣和通氮氣兩種條件下2000(^^-4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團紅外光譜峰面積的變化量；
根據計算得到的物理吸氧量V值，對煤樣的自燃傾向性進行排序，物理吸氧量V值越大，則相應煤自燃傾向性越高，反之則越小。所述對煤樣進行干燥處理在真空條件下進行，煤樣干燥環境溫度控制在40°C。有益效果本發明通過測試煤樣表面主要吸附氧官能團的含量及其吸氧解吸的官能團變化量大小，判斷煤的物理吸氧量的大小，并定量給出各主要吸附官能團對氧氣的吸附能力。由于煤中含有的主要吸附氧官能團的量越多，吸氧解吸后的官能團變化量越大，煤樣的物理吸氧量就越大。從而能夠有效地輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性，同時揭示煤樣結構最根本的氧吸附能力。整個測定過程只需測試正常吸附氧條件下的煤表面官能團紅外譜圖和通氮氣解吸后的煤表面官能團紅外譜圖，一般只需7-lOmin即可完成，比傳統方法節省了大量時間，且具有很高的可重復性。其方法簡單，快捷有效，操作方便，簡單可靠，省時省力，測試結果準確，在本領域內具有廣泛的實用性。
具體實施例方式實施例一、對北皂褐煤樣品破碎篩分后，取顆粒直徑在0.053 mm-0. 075 mm的煤樣，將煤樣置于40 °C的真空環境條件下進行干燥處理后，取4 mg干燥煤樣放入傅里葉變換紅外光譜原位反應池中，通入流量為100 mL/min的氧氣2 min,同時將其設定為30°C恒溫運行，測試原位反應池中煤樣的第一幅紅外光譜圖。慢慢調節二通閥，切換氧氣為100 mL/min流量的氮氣，使煤樣在氮氣流下脫附氧氣5 min,測試原位反應池中煤樣的第二幅紅外光譜圖，完成測試過程。分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數范圍內的煤表面官能團在不同條件下的峰面積Ai、A2、A3,并代入下式計算得到煤表面官能團的物理吸氧量V:
Ap A2、A3,并代入下式計算得到煤表面官能團的物理吸氧量V: V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/g A Δ =A1-A2 式中
峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A2——通氮氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；
峰面積Αδ——通氧氣和通氮氣兩種條件下2000(^^-4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團紅外光譜峰面積的變化量；
通過譜圖解析得到波數范圍在2000(^-^4000 cm—1之間的羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的含量，以及解吸氧氣后上述官能團的變化量，如下表
權利要求
1.一種煤表面官能團物理吸氧量的測定方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取新鮮煤樣進行破碎，篩分取顆粒直徑為0.053mm-o. 075 mm的煤樣，對煤樣進行干燥處理；(2)將干燥后的煤樣放入傅里葉變換紅外光譜儀的原位反應池中，并向原位反應池中通入100 mL/min流量的氧氣2 min,同時將其設定為30°C恒溫運行；(3)測試原位反應池中煤樣的第一幅紅外光譜圖；(4)切換氧氣為100mL/min流量的氮氣，使煤樣在氮氣流下脫附氧氣5 min，測試原位反應池中煤樣的第二幅紅外光譜圖；(5)分析兩幅紅外光譜圖，分別求出不同波數范圍內的煤表面官能團在不同條件下的峰面積、、A2、A3,并代入下式計算得到煤表面官能團的物理吸氧量V:V=IOX (Αδ/Α3+Αδ/Α4) Xl cm3/gA Δ =A1-A2式中峰面積A1——通氧氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A2——通氮氣后2000(^-^4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A3——通氧氣后2000(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；峰面積A4——通氧氣后400(^^-4000 cnT1波數范圍內煤表面所有官能團的紅外光譜峰面積的總量；峰面積Αδ——通氧氣和通氮氣兩種條件下2000(^^-4000 cm—1波數范圍內煤表面羥基、甲基亞甲基、羧基等官能團紅外光譜峰面積的變化量；根據計算得到的物理吸氧量V值，對煤樣的自燃傾向性進行排序，物理吸氧量V值越大，則相應煤自燃傾向性越高，反之則越小。
2.根據權利要求1所述的煤表面官能團物理吸氧量的測定方法，其特征在于所述對煤樣進行干燥處理在真空條件下進行，煤樣干燥環境溫度控制在40°C。
全文摘要
一種煤表面官能團物理吸氧量的測定方法，適用于煤自燃特性研究和煤礦煤層的自燃傾向性的定性與分類。通過測試煤樣表面主要吸氧官能團的含量及其吸附氧氣、解吸氧氣后的官能團變化量大小，判斷煤的物理吸氧量的大小，定量給出各主要吸氧官能團對氧氣的吸附能力。煤樣表面含有的主要吸氧官能團的數量越多，吸氧、解吸后的官能團變化量越大，則對應的物理吸氧量也越大。能夠有效地輔助判斷煤礦煤層的自燃傾向性，同時從煤樣化學結構角度揭示煤樣吸氧能力。整個測定過程只需測試吸附氧氣后的煤表面官能團紅外光譜圖和通氮氣解吸氧氣后的煤表面官能團紅外光譜圖，一般只需7-10min即可完成，且具有很高的可重復性。其方法簡單，操作方便，省時省力，測試結果準確。
文檔編號G01N21/35GK102539376SQ20121000946
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者亓冠圣, 戚緒堯, 王德明, 竇國蘭, 許濤, 辛海會 申請人:中國礦業大學