從煤中的多環芳烴看「煤」是怎樣煉成的

煤的形成

煤是由富含腐植酸的植物等有機體混入沉積地層後，在溫度、壓力及微生物作用下不斷發生脫羧、脫水反應，成岩、變質，經過漫長的地質作用形成的。一般來說，在植物沉積物中的生物聚合物分子，經過漫長複雜的物理化學反應過程，最終形成具有三維網狀結構大分子，此間經歷了植物沉積物→泥炭→褐煤→煙煤→無煙煤→天然焦的演化過程。

煤中多環芳烴參與了煤體結構演化進程

煤的芳香結構一般是由醚鍵或亞甲基鍵連接。而脂肪族側鏈則主要由甲基和少量的乙基、丙基或丁基等官能團組成，共軛芳香環的含量決定了其芳香化程度，並隨著煤化程度的增加而增加。在成煤過程中，由於脫羧、脫水以及官能團的縮合作用，導致分子中碳的相對含量不斷增加，而氧和氫的相對含量不斷減少。

多環芳烴是指2個或2個以上的苯環以直鏈狀、角狀或串狀排列組合的半揮發性有毒有害有機物，具有「三致」效應（致癌、致畸、致突變）。多環芳烴在人類生存環境中廣泛存在，對人體健康和生態環境構成嚴重威脅，因此受到國內外學者的廣泛關注。

煤中含有大量多環芳烴（1– 2500 μg/g），它們伴隨著成煤作用而形成。植物遺骸沉積成煤的過程中，在微生物、溫度和壓力的長期作用下經過漫長的生物、物理、化學和地質作用，最終形成了三維網狀大分子結構和包括多環芳烴在內的有機小分子。在煤的變質過程中，煤中多環芳烴參與煤體結構的演化進程，因此可以用來反演煤化過程的信息。

研究不同煤種中多環芳烴的賦存機理可以幫助我們合理有效地開採和利用原煤，並且更有效控制煤的開採和利用過程中所造成的環境影響。

在長期的地質演化史中，煤中多環芳烴是如何形成的呢？不同時期煤炭中多環芳烴的來源有什麼差別，受什麼控制？

通過對煤樣品中多環芳烴的分析並結合對煤體結構及重要官能團的研究，科研人員認識到，煤中多環芳烴的組成與煤變質作用過程中煤體結構的演化有著非常密切的聯繫。

科研人員對中國華北聚煤盆地東南緣的不同變質作用類型的煤中多環芳烴的賦存、分布和演變規律的開展了系列研究，定量解析了岩漿熱力變質作用下煤體結構和煤中多環芳烴的演化模式，以及海、陸相沉積環境下煤中多環芳烴的賦存和演化特徵，對煤變質作用過程煤體結構和煤中多環芳烴的耦合機制進行深入探討。

研究發現，煤中多環芳烴主要來源於成煤前驅體（如植物遺骸和微生物），伴隨著煤化程度的升高，含有2-6個芳香環的多環芳烴在地溫、壓力作用下發生化學分裂和化學重排，形成熱動力學穩定性更高的高環芳烴化合物。這一熱動力學的科學現象造成煤中多環芳烴的組成與煤體結構之間存在規律的響應關係。

在整個煤化作用過程中，煤中多環芳烴的化學結構演化過程受到各種聚煤條件和地質活動的影響，如沉積環境、古鹽度及細菌活動性、氧化還原電位、地殼運動等。

研究還發現，地質史上的成煤時期曾經發生的全球性野火事件和區域性岩漿侵入導致煤中多環芳烴的出現異常賦存現象。這主要體現在煤化作用的加深導致煤體結構不斷演化，由此引起的脫羧和縮合反應促使煤層的芳香度不斷升高以及芳香層數不斷增加；此外，激光共焦顯微拉曼光譜分析結果表明，岩漿侵入所產生的「烘烤、擠壓、剪切」等熱力和應力作用，使得煤中脂肪族、脂環族及側鏈脫落速度加快和芳香族化合物結構有序程度提高。

來源：中國科學技術大學

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