从煤中的多环芳烃看“煤”是怎样炼成的

煤的形成

煤是由富含腐植酸的植物等有机体混入沉积地层后，在温度、压力及微生物作用下不断发生脱羧、脱水反应，成岩、变质，经过漫长的地质作用形成的。一般来说，在植物沉积物中的生物聚合物分子，经过漫长复杂的物理化学反应过程，最终形成具有三维网状结构大分子，此间经历了植物沉积物→泥炭→褐煤→烟煤→无烟煤→天然焦的演化过程。

煤中多环芳烃参与了煤体结构演化进程

煤的芳香结构一般是由醚键或亚甲基键连接。而脂肪族侧链则主要由甲基和少量的乙基、丙基或丁基等官能团组成，共轭芳香环的含量决定了其芳香化程度，并随着煤化程度的增加而增加。在成煤过程中，由于脱羧、脱水以及官能团的缩合作用，导致分子中碳的相对含量不断增加，而氧和氢的相对含量不断减少。

多环芳烃是指2个或2个以上的苯环以直链状、角状或串状排列组合的半挥发性有毒有害有机物，具有“三致”效应（致癌、致畸、致突变）。多环芳烃在人类生存环境中广泛存在，对人体健康和生态环境构成严重威胁，因此受到国内外学者的广泛关注。

煤中含有大量多环芳烃（1– 2500  μg/g），它们伴随着成煤作用而形成。植物遗骸沉积成煤的过程中，在微生物、温度和压力的长期作用下经过漫长的生物、物理、化学和地质作用，最终形成了三维网状大分子结构和包括多环芳烃在内的有机小分子。在煤的变质过程中，煤中多环芳烃参与煤体结构的演化进程，因此可以用来反演煤化过程的信息。

研究不同煤种中多环芳烃的赋存机理可以帮助我们合理有效地开采和利用原煤，并且更有效控制煤的开采和利用过程中所造成的环境影响。

在长期的地质演化史中，煤中多环芳烃是如何形成的呢？不同时期煤炭中多环芳烃的来源有什么差别，受什么控制？

通过对煤样品中多环芳烃的分析并结合对煤体结构及重要官能团的研究，科研人员认识到，煤中多环芳烃的组成与煤变质作用过程中煤体结构的演化有着非常密切的联系。

科研人员对中国华北聚煤盆地东南缘的不同变质作用类型的煤中多环芳烃的赋存、分布和演变规律的开展了系列研究，定量解析了岩浆热力变质作用下煤体结构和煤中多环芳烃的演化模式，以及海、陆相沉积环境下煤中多环芳烃的赋存和演化特征，对煤变质作用过程煤体结构和煤中多环芳烃的耦合机制进行深入探讨。

研究发现，煤中多环芳烃主要来源于成煤前驱体（如植物遗骸和微生物），伴随着煤化程度的升高，含有2-6个芳香环的多环芳烃在地温、压力作用下发生化学分裂和化学重排，形成热动力学稳定性更高的高环芳烃化合物。这一热动力学的科学现象造成煤中多环芳烃的组成与煤体结构之间存在规律的响应关系。

在整个煤化作用过程中，煤中多环芳烃的化学结构演化过程受到各种聚煤条件和地质活动的影响，如沉积环境、古盐度及细菌活动性、氧化还原电位、地壳运动等。

研究还发现，地质史上的成煤时期曾经发生的全球性野火事件和区域性岩浆侵入导致煤中多环芳烃的出现异常赋存现象。这主要体现在煤化作用的加深导致煤体结构不断演化，由此引起的脱羧和缩合反应促使煤层的芳香度不断升高以及芳香层数不断增加；此外，激光共焦显微拉曼光谱分析结果表明，岩浆侵入所产生的“烘烤、挤压、剪切”等热力和应力作用，使得煤中脂肪族、脂环族及侧链脱落速度加快和芳香族化合物结构有序程度提高。

（来源：中国科学技术大学）