[发明专利]一种褐煤分子结构模型的构建与优化方法

说明书

本发明公开一种褐煤分子结构模型的构建与优化方法，包括：采集并处理褐煤样本，获取褐煤实验样品；分析所述褐煤实验样品，获取褐煤实验样品的元素分析结果、芳香烃、脂肪烃及各类含氧官能团的含量、碳结构参数；计算褐煤的碳原子数及其他参数的碳原子数，获得芳香簇尺寸，确定褐煤的芳香结构单元的组成特征和数量；计算褐煤的总碳原子数和脂肪碳原子数；基于芳香烃、脂肪烃及各类含氧官能团的含量，获取褐煤中含氧官能团的类别和数量，设计氮元素和硫元素的结构形式；构建褐煤分子结构模型。本发明使构建的褐煤分子结构模型更加接近煤种真实结构，避免了因结构相近而使得研究结论相似性的难题。

技术领域

本发明涉及物质分子结构表征技术领域，特别是涉及一种褐煤分子结构模型的构建与优化方法。

背景技术

褐煤，是一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和运输的矿产煤，煤化程度最低。针对褐煤分子结构的研究，目前的研究成果大多数集中在对某一特定部分结构方面，缺乏从微观角度对煤润湿动力学特征的研究，不能从本质上解释煤的润湿机理。随着计算机科学的不断进步和发展，不仅能从计算机获得煤分子的结构、偶极矩、电离能，还能将现有的力学规律实现计算机的数值化分析，从本质上实现实验所不能完成的微观分子特性和行为模拟与分析。

目前计算机模拟的方法主要分为量子化学模拟法和分子模拟法，其中分子模拟法又分为分子动力学模拟和Monte Carlo模拟。量子化学模拟能够从物质的Muliken电荷、键角、键长、轨道能量、能量间隙、偶极矩和Fukui函数等参数对物质的微观性质及反应的原理。但是该方法一方面局限于分子量比较小的体系，另一方面量子化学反应过程复杂，目前很难精准模拟反应过程，因此，对于煤体这类原子数较多的大颗粒，优先选用分子动力学模拟的方法来表征其润湿特性。分子动力学模拟主要是依靠Newton Mechanics来模拟分子体系的运动来研究液体和固体表面微观特性，国内外学者在这一方面有了一定的进展。Tummal等人利用分子动力学对SDS和C12E6在不同-OH化的SiO₂基质上的吸附进行了模拟，认为-OH化程度的不同对表面活性剂吸附层的结构和聚集形态具有重要影响。TaherianF.等人利用分子动力学模拟了石墨的润湿特性，并表征了水在单层石墨分子层表面的接触角。刘月田等人利用分子动力学从分子尺度解释了方解石和白云石润湿机理，认为：范德华力、静电力和氧原子O(CaCO₃，CaMg(CO₃)₂)-H(H₂O)的氢键共同作用下水分子向晶体表面移动并吸附形成紧密吸附层；O(H₂O)-H(H₂O)在氢键作用下，游离的H₂O向晶体表面靠近形成扩散层。张雷采用Molecular Dynamics方法来研究非离子表面活性剂的结构性能对褐煤润湿性影响，为选取表面活性剂具有一定的理论指导意义。张晶艳等人从经典分子动力学出发，介绍了纳米尺度下的润湿，得出了润湿与晶格常数的关系以及离子溶液的亲、疏水性和传输选择性的微观机理。蔡治勇利用分子动力学模拟方法，从微尺度上全面系统地研究界面层的物理特性和流体宏观特性与微观特性之间的关系，找出了宏观现象对应的微观图象。Edmund Webb利用分子动力学模拟方法对液体分子和固体分子之间的作用力进行了研究，认为固-液界面的微槽道结构是影响吸附和润湿能力的主要因素。王诗萌等人利用分子动力学方法对气体在不同表面活性剂润湿岩石的行为进行了模拟分析，讨论了聚合物对岩石表面润湿性的影响，揭示了润湿性气体在岩石表面吸附润湿的微观机理。

发明内容

本发明的目的是提供一种褐煤分子结构模型的构建与优化方法，以解决上述现有技术存在的问题，使构建的褐煤分子结构模型更加接近煤种真实结构，避免了因结构相近而使得研究结论相似性的难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种褐煤分子结构模型的构建与优化方法，包括：

采集并处理褐煤样本，获取褐煤实验样品；