一種構建油頁巖有機質結構模型的方法與流程
2023-06-10 13:35:11
本發明涉及一種構建油頁巖有機質結構模型的方法，特別是涉及一種結合油頁巖有機質氧化產物苯羧酸收率分布和儀器表徵分析結果構建油頁巖有機質結構模型的方法。
技術背景
我國能源的生產和利用面臨著諸多挑戰，常規石油、天然氣資源嚴重短缺。油頁巖是潛在產量最大的非常規油資源，其利用與開發對於發展我國替代油氣戰略新興產業、緩解我國油氣資源短缺問題具有決定性的支撐作用和重要意義。油頁巖是由固體有機質分布於無機礦骨架中形成的一種沉積巖，其中的固體有機質是主要的生油組分。眾所周知，油頁巖有機質結構的研究是其高效轉化的科學基礎，因此研究油頁巖有機質的結構十分重要。
國內外學者對油頁巖有機質的結構進行了大量的研究，提出了多種研究方法。秦匡宗(秦匡宗.茂名和撫順油頁巖組成結構的研究Ⅲ—有機質的平均結構單元.燃料化學學報，1986,(1),1-8)採用折射率—密度—元素分析—芳碳率—分子量的關聯法，得到了茂名、撫順油頁巖有機質的平均結構單元以及它們的化學式，分別為C302H440O23N6S2和C312H468O16N7S2，最終結合茂名油頁巖有機質的結構特徵，給出了其平均結構單元的結構模型。Stanton等(Stanton B.J.,Davidson D.J.,McGowan C.W.The characterization of the kerogen of Chattanooga oil shale.Part II—Analysis of oxidation products and proposal of a model for the structure of kerogen in Chattanooga oil shale.Fuel Process.Technol.,1991,29,97-105)採用高氯酸分步氧化Chattanooga油頁巖有機質，將其氧化產物進行紅外光譜、紫外可見光譜以及GC/MS分析，並結合固體13C NMR表徵結果，最終給出了其有機質的結構模型，該模型中包含有縮聚芳環以及長脂肪鏈結構，長脂肪鏈直接或者通過醚鍵與芳環相連接。Lille(LilleCurrent knowledge on the origin and structure of Estonian Kukersite kerogen.Oil Shale,2003,20(3),253-263)通過固體13C NMR得出了Estonian Kukersite油頁巖有機質的結構參數，建立了該油頁巖有機質的結構模型，模型的分子式為C421H638O44S4NCl。茹鑫(茹鑫.油頁巖熱解過程分子模擬及實驗研究.吉林大學，2013)採用Py–GC–MS研究樺甸油頁巖有機質的主要結構骨架，採用分子力學和分子動力學模擬方法獲得幾何最優結構，利用13C NMR表徵分析結果推測出有機質的平均結構，得到了樺甸有機質的結構模型，模型的分子式為C243H407N3O25S2。
通過上述研究發現，這些模型都有自己典型的特點，也都能很好的體現出油頁巖有機質的一些結構特徵，解釋油頁巖有機質的一些轉化現象。經研究發現，油頁巖有機質經鹼-氧氧化可生成苯羧酸，這些苯羧酸共有12種化合物，包括苯甲酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、均苯三甲酸、偏苯三甲酸、連苯三甲酸、連苯四甲酸、偏苯四甲酸、均苯四甲酸、苯五甲酸、苯六甲酸。然而上述研究報導的這些結構模型不能反映出油頁巖有機質鹼-氧氧化得到的苯羧酸產物及其收率分布規律，因此，這就需要提出一種新的構建油頁巖有機質結構模型的方法。油頁巖有機質的結構具有複雜性與多相性，採用單一的方法無法全面的得出油頁巖有機質的分子結構。隨著科技水平的快速提高，現代分析儀器憑藉其高解析度、簡捷方便、精密度高等優勢得到普遍應用，特別是對油頁巖、煤、生 物質等複雜大分子物質的研究，儀器表徵分析起著重要的作用。儀器表徵方法可以在不破壞油頁巖有機質原始結構的前提下，對其結構有一個全面、整體的認識。基於此，本專利提供了一種結合油頁巖有機質氧化產物苯羧酸收率分布和儀器表徵分析結果構建油頁巖有機質結構模型的方法，通過該方法構建的油頁巖有機質的結構模型不僅能反映出目前現有的對油頁巖有機質結構的共性認識，而且能反映出油頁巖氧化產物苯羧酸的生成及其收率分布規律。
技術實現要素：
本發明的目的是在前人研究的基礎之上，結合現代儀器表徵分析的結果，提出一種新的構建油頁巖有機質結構模型的方法，該模型能夠反映出油頁巖有機質氧化過程中苯羧酸的生成及其收率分布規律。
本發明提供的一種構建油頁巖有機質結構模型的方法，其特徵在於包括下列步驟：
(1)油頁巖有機質中不同類型碳的定性與定量
採用固體碳核磁共振波譜(13C NMR)對油頁巖有機質中的碳進行定性與定量分析，在油頁巖有機質的13C NMR譜圖中，不同碳的13C NMR譜圖位置為：終端甲基碳14ppm，芳環上的甲基碳19ppm～22ppm，終端甲基相連的亞甲基碳27ppm，烷基鏈上的亞甲基碳30.1ppm和33.5ppm，次甲基碳38ppm～42ppm，氧接亞甲基碳45ppm～60ppm，氧接芳碳相鄰的質子碳105ppm～112ppm，質子芳碳112ppm～126ppm，橋接芳碳130ppm，烷基取代芳碳130ppm～145ppm，氧接芳碳150ppm～165ppm，羧基和酯基碳170ppm～180ppm，羰基碳180ppm～220ppm。對13C NMR譜圖進行分峰擬合處理，得到各種類型碳 的摩爾百分比，即各種碳率，通過對譜圖總結分析，得出油頁巖有機質的結構參數：芳碳率＝氧接芳碳相鄰的質子碳率+氧接芳碳率+質子芳碳率+烷基取代芳碳率+橋接芳碳率，脂碳率＝終端甲基碳率+芳環上的甲基碳率+終端甲基相連的亞甲基碳率+烷基鏈上的亞甲基碳率+次甲基碳率+氧接亞甲基碳率，芳核平均結構尺寸＝橋接芳碳率/芳碳率，平均亞甲基鏈長度＝(終端甲基相連的亞甲基碳率+烷基鏈上的亞甲基碳率)/烷基取代碳率，芳環取代度＝(氧接芳碳率+烷基取代芳碳率)/芳碳率。
(2)油頁巖有機質中官能團類型的定性
採用傅立葉紅外光譜(FTIR)對油頁巖有機質中的官能團類型進行定性分析。在紅外譜圖中各官能團的位置為：2923cm-1和2852cm-1分別對應於CH2的不對稱和對稱伸縮振動，1452cm-1對應於CH2的剪式振動或者CH3的不對稱變形振動，3480cm-1和1277cm-1分別對應於羥基和芳香醚的伸縮振動，1612cm-1對應於連接有酸性羥基的醌式結構中的C＝O鍵或者烯烴或芳烴的C＝C鍵的伸縮振動，1710cm-1對應於羧基或者羰基中的C＝O鍵的伸縮振動。
(3)油頁巖有機質中N、S雜原子存在形式的定性與定量
採用X射線光電子能譜(XPS)對油頁巖有機質中N、S雜原子的存在形式進行定性與定量分析。通過對油頁巖有機質XPS的N 1s譜圖以及S 2p譜圖進行分峰擬合處理，得出N、S不同存在形式的結合能及摩爾百分比。在油頁巖有機質的N 1s譜圖中，不同存在形式N的結合能為：吡啶398.8eV、氨基399.6eV、吡咯400.4eV、化學吸附的氮氧化物405.8eV，在油頁巖有機質的S 2p譜圖中，不同存在形式S的結合能為：脂肪硫163.3eV、芳香硫164.2eV、亞碸165.4eV、碸168.2eV。
(4)油頁巖有機質中羧基和酚羥基含量的測定
採用離子交換法測定油頁巖有機質中羧基和酚羥基的含量。
(5)油頁巖有機質鹼-氧氧化制苯羧酸
將一定量的油頁巖，加入高溫高壓反應釜中，以NaOH或者KOH水溶液為介質，以氧氣為氧化劑，在一定溫度和時間下進行鹼-氧氧化，反應結束後，產物用無機酸酸化，過濾定容，然後用高效液相色譜分析苯羧酸的質量收率，並得到總質量收率。
(6)油頁巖有機質鹼-氧氧化產物苯羧酸的分布
首先，將步驟(5)中氧化得到的不同苯羧酸的質量收率除以各自的分子量，得到摩爾收率；找出其中摩爾收率最小的苯羧酸，所有苯羧酸的摩爾收率除以摩爾收率最小的苯羧酸的摩爾收率，即可得到12種苯羧酸的摩爾分布；為了不使模型的分子量過大，且能反應出苯羧酸的分布特點，將產物中苯羧酸的摩爾分布再除以合適的數(取決於計劃所要的油頁巖有機質結構模型的分子量大小)得到在模型中苯羧酸的分布。
(7)模型分子量選取及各原子的定量
根據步驟(6)得到的苯羧酸分布和每個苯羧酸分子量，計算出苯羧酸的總分子量，除以步驟(5)中油頁巖有機質氧化得到的苯羧酸總質量收率，得到油頁巖有機質結構模型的分子量；根據油頁巖的元素分析數據，結合上述油頁有機質結構模型的分子量，可確定模型中各種原子的個數。
(8)油頁巖有機質芳核結構模型的構建
根據步驟(1)中的芳碳率和步驟(7)中模型中各原子的個數計算出模型中芳碳的個數，從而得出橋接芳碳數，等於芳碳個數×芳核平均結構尺寸；根據 芳碳以及橋接芳碳的個數定出油頁巖有機質結構中芳香單環、芳香雙環以及總的芳環的個數，其中，芳香雙環個數＝橋接芳碳的個數/2，芳香單環個數＝(芳碳個數–10×芳香雙環個數)/6，芳環個數＝芳香單環個數+芳香雙環個數；芳環確定以後，油頁巖有機質的芳核結構得以確定，即由芳香單環或者芳香雙環組成；能生成苯羧酸的芳環母體結構上不能連接有氧原子，不能生成苯羧酸的芳環母體結構上均需連接氧，氧以酚羥基、醚鍵的形式存在；芳環母體確定以後，可以構建油頁巖有機質的芳核結構模型；另外，構建過程中與芳核結構相關的數據要滿足步驟(1)中13C NMR譜圖的分析結果以及步驟(4)中酚羥基含量測定的結果。
(9)油頁巖有機質結構模型的構建
以步驟(8)中油頁巖有機質的芳核結構為基礎，結合油頁巖的元素分析、13C NMR分析、FTIR分析、羧基含量測定以及XPS分析的結果構建出油頁巖有機質的結構模型。構建出的油頁巖有機質結構模型，除了滿足油頁巖有機質氧化產物中苯羧酸的生成及其收率分布規律之外，還要滿足元素分析、13C NMR分析、FTIR分析、羧基和酚羥基含量測定以及XPS分析的結果。
在上述方法中，所用固體碳核磁共振波譜的操作條件為：共振頻率67.8MHz，13C的化學位移用外標物金剛烷來標定，脈衝寬度4μs，脈衝重複時間7s，連接時間2ms。
在上述方法中，所用傅立葉紅外光譜的操作條件為：固體油頁巖有機質與KBr以質量比1:100均勻混合併在研缽內充分研磨、壓片，在常溫下進行傅立葉紅外光譜測試，實驗掃描範圍為4000cm-1～400cm-1，解析度為2cm-1。
在上述方法中，所用X射線光電子能譜的操作條件為：X射線激發源為單 色器AlKα150W，光斑尺寸為500μm，測量通能為200eV,高分辨掃描通能為30eV。
在上述方法中，所用的離子交換法測定羧基和酚羥基含量的操作條件為：①羧基含量的測定：0.5g油頁巖有機質與100mL摩爾濃度為0.1mol/L的醋酸鈣溶液在氮氣氣氛下離子交換24h，然後過濾混合物得到濾液，取10mL濾液，用摩爾濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液滴定羧基，即可得出油頁巖有機質中羧基(-COOH)的量；②酚羥基含量的測定：0.5g油頁巖有機質與50mL摩爾濃度為0.1mol/L的氫氧化鋇溶液在氮氣氣氛下離子交換24h，然後過濾混合物，將過濾得到的油頁巖有機質濾渣與20mL摩爾濃度為0.2mol/L的鹽酸在氮氣氣氛下離子交換30min，然後過濾混合物得到濾液，取10mL濾液，用摩爾濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液滴定消耗的鹽酸，根據交換Ba2+消耗的鹽酸的量即可得到總酸度的量；酚羥基含量為總酸度與羧基含量之差。
在上述方法中，油頁巖有機質鹼-氧氧化的條件為：NaOH或者KOH與油頁巖的質量比為1:1～5:1，水與油頁巖的質量比為15:1～25:1，氧氣壓力為3MPa～7MPa,反應溫度為180℃～260℃，反應時間為10min～180min；優選的條件為：NaOH與油頁巖的質量比為3:1，水與油頁巖的質量比為20:1，氧氣壓力為5.0MPa,反應溫度為220℃，反應時間為60min。
在上述方法中，所用的分析油頁巖有機質氧化產物苯羧酸質量收率的高效液相色譜的操作條件為：採用二元梯度洗脫，流動相是乙腈與體積分數為0.1％的磷酸水，固定相為C18矽膠柱，檢測器為波長235nm的紫外檢測器，流動相的流量是1mL/min，柱溫為35℃；二元梯度洗脫的條件是：0min(5％乙腈，95％磷酸水)—10min(20％乙腈，80％磷酸水)—12min(20％乙腈，80％磷酸水) —14min(5％乙腈，95％磷酸水)—18min(5％乙腈，95％磷酸水)。
本發明的原理是：根據油頁巖有機質氧化得到的苯羧酸產物質量收率分布，除以不同苯羧酸的分子量，計算得到苯羧酸摩爾收率分布；然後基於摩爾收率分布，結合固體碳核磁共振波譜分析以及酚羥基含量測定的結果，構建芳核結構模型；若其中的芳環不能形成苯羧酸，則需給該芳環上連接氧，氧以酚羥基或者醚鍵的形式存在；最後結合紅外光譜分析、元素分析、羧基含量測定以及XPS分析的結果，構建油頁巖有機質的結構模型，並確定分子式和分子量。
與傳統的構建方法比較，本發明提供的方法具有如下優點：(1)本發明提供了一種新的構建油頁巖有機質結構模型的方法，該方法適用性廣、可操作性高。(2)本方法構建的油頁巖有機質結構模型不僅能反映目前文獻報導的油頁巖有機質普遍的結構特點，而且能反映油頁巖有機質鹼-氧氧化產物苯羧酸的生成及其收率分布規律。
附圖說明
圖1依蘭油頁巖有機質的傅立葉紅外光譜圖
圖2依蘭油頁巖有機質的芳核結構模型圖
圖3依蘭油頁巖有機質的結構模型圖
具體實施形式
下面將結合實施例對本發明提供的結合儀器表徵分析法和化學法(鹼-氧氧化)構建油頁巖有機質結構模型的方法做進一步詳細的說明，但並不因此而限制本發明。
實施例1
本實施例以構建依蘭油頁巖有機質的結構模型為例進行說明。
首先對油頁巖進行傳統的無機酸(鹽酸、硝酸和氫氟酸)脫灰處理，得到油頁巖有機質。在本實施例中，固體碳核磁共振波譜、傅立葉紅外光譜、X射線光電子能譜表徵分析以及羧基和酚羥基含量測定所用的油頁巖有機質均是油頁巖經脫灰處理後得到的有機質，油頁巖的鹼-氧氧化實驗所用的油頁巖是未經脫灰處理的油頁巖，因油頁巖的無機物不參與反應，只有有機質參與反應，因此，油頁巖的鹼-氧氧化即為油頁巖有機質的鹼-氧氧化。
採用固體碳核磁共振波譜(13C NMR)對油頁巖有機質進行表徵分析，所使用的13C NMR儀器為美國CP/MAS 13C NMR(AV-300)核磁共振儀(布魯克公司生產，產地：美國)；13C NMR分析的條件為：共振頻率67.8MHz，13C的化學位移用外標物金剛烷來標定，脈衝寬度4μs，脈衝重複時間7s，連接時間2ms。對13C NMR譜圖進行分峰擬合處理，得到不同類型碳的化學位移及摩爾百分比，結果見表1。
表1依蘭油頁巖有機質的13C NMR表徵分析結果
根據表1中的數據可以得出油頁巖有機質的結構參數：
(1)芳碳率＝氧接芳碳相鄰的質子碳率+氧接芳碳率+質子芳碳率+烷基取代芳碳率+橋接芳碳率＝1.37％+8.82％+11.98％+15.18％+5.38％＝42.73％。
(2)脂碳率＝終端甲基碳率+芳環上的甲基碳率+終端甲基相連的亞甲碳率+烷基鏈上的亞甲基碳率+次甲基碳率+氧接亞甲基碳率＝3.79％+7.18％+7.71％+22.48％+5.16％+3.49％＝49.81％。
(3)芳核平均結構尺寸＝橋接芳碳率/芳碳率＝5.38％/42.73％＝0.126。
(4)平均亞甲基鏈長度＝(終端甲基相連的亞甲基碳率+烷基鏈上的亞甲基碳率)/烷基取代碳率＝(7.71％+22.48％)/15.18％＝2。
(5)芳環取代度＝(氧接芳碳率+烷基取代芳碳率)/芳碳率＝(8.82％+15.18％)/42.73％＝0.56。
採用傅立葉紅外光譜(FTIR)對油頁巖有機質中的官能團進行表徵分析， 所用儀器為美國Thermo Scienfic Nicolet 6700紅外光譜儀(Thermo Scienfic Nicolet公司生產，產地：美國)，操作條件為：固體油頁巖有機質與KBr以質量比1:100均勻混合併在研缽內充分研磨、壓片，在常溫下進行傅立葉紅外光譜測試，實驗掃描範圍為4000cm-1～400cm-1，解析度為2cm-1。油頁巖有機質的紅外光譜分析結果見圖1。通過紅外譜圖可知：在2923cm-1和2852cm-1處分別存在CH2的不對稱和對稱伸縮振動峰，在1452cm-1處存在CH2的剪式振動或者CH3的不對稱變形振動峰，在3480cm-1和1277cm-1處分別存在羥基和芳香醚的伸縮振動峰，在1612cm-1處存在連接有酸性羥基的醌式結構中的C＝O鍵或者烯烴或芳烴的C＝C鍵的振動峰，1710cm-1處存在羧基或者羰基中的C＝O鍵的伸縮振動峰，由此說明油頁巖有機質中存在甲基、亞甲基、羧基、羰基、芳香醚、芳香環以及羥基官能團。
採用X射線光電子能譜(XPS)確定油頁巖有機質中N、S雜原子的存在形式及摩爾百分比，所使用的X射線光電子能譜儀為美國ESCALAB-250能譜儀(Thermo Fisher Scienfic公司生產，產地為美國)，操作條件為：X射線激發源為單色器AlKα150W，光斑尺寸為500μm，測量通能為200eV,高分辨掃描通能為30eV。分別對N和S的能譜圖進行分峰擬合處理，得到不同存在形式N、S的結合能及摩爾百分比，具體結果見表2。
表2依蘭油頁巖有機質中N、S的存在形式及含量
XPS分析結果顯示，油頁巖有機質中N元素以氨基、吡啶、吡咯、化學吸附氮氧化物的形式存在，S元素以脂肪硫、芳香硫、亞碸、碸的形式存在。
通過離子交換法測定油頁巖有機質中羧基和酚羥基的含量。①羧基含量的測定：在250mL的三口燒瓶中，加入0.5g油頁巖有機質與100mL摩爾濃度為0.1mol/L的醋酸鈣溶液，在氮氣氣氛下離子交換24h，然後過濾混合物得到濾液，取10mL濾液，用摩爾濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液進行滴定，即可得出油頁巖有機質中羧基(-COOH)的量為0.3429mmol/g。②酚羥基含量的測定：在250mL的三口燒瓶中，加入0.5g油頁巖有機質與50mL摩爾濃度為0.1mol/L的氫氧化鋇溶液，在氮氣氣氛下離子交換24h，然後過濾混合物，將過濾得到的油頁巖有機質濾渣與20mL摩爾濃度為0.2mol/L的鹽酸在氮氣氣氛下離子交換30min，然後過濾混合物得到濾液，取10mL濾液，用摩爾濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液滴定消耗的鹽酸，根據交換Ba2+消耗的鹽酸的量即可得到總酸度的量為1.7185mmol/g，酚羥基含量為總酸度與羧基含量之差，即1.7185mmol/g–0.3429mmol/g＝1.3756mmol/g。
苯羧酸的分布通過油頁巖有機質的鹼-氧氧化得到，稱取1.0g依蘭油頁巖，3.0g的氫氧化鈉，20mL的去離子水加入到50mL高溫高壓反應釜內，密封釜蓋，充氧氣5.0MPa。將反應釜放入預熱好的加熱套內加熱，達到220℃時開始 計時。當反應時間達到60min後，冷卻反應釜，終止反應，將反應後殘渣進行過濾。將濾液用硫酸酸化至pH＝1.5，再次過濾，將濾液定容。
將酸化後的濾液進行高效液相色譜分析，測定苯羧酸質量收率。高效液相色譜分析所使用的高效液相色譜儀為美國Waters 2695型高效液相色譜儀(沃特世科技有限公司生產，產地：美國)；高效液相色譜的操作條件為：採用二元梯度洗脫，流動相是乙腈與體積分數0.1％的磷酸水，固定相為C18矽膠柱，檢測器為波長235nm的紫外檢測器，流動相的流量是1mL/min，柱溫為35℃。二元梯度洗脫的條件是：0min(5％乙腈，95％磷酸水)—10min(20％乙腈，80％磷酸水)—12min(20％乙腈，80％磷酸水)—14min(5％乙腈，95％磷酸水)—18min(5％乙腈，95％磷酸水)。每個物質的保留時間由標準物質確定。依蘭油頁巖有機質氧化得到的苯羧酸的收率及分布結果如表3所示。
表3油頁巖有機質氧化產物苯羧酸收率及在模型中的分布
將氧化得到的不同苯羧酸的質量收率除以各自的分子量，得到各自的摩爾收率(表3中第3列)；再將各自的摩爾收率除以12種苯羧酸中摩爾收率最小的苯羧酸的摩爾收率，得到產物中苯羧酸的摩爾分布(表3中第4列)；在構建結構模型的過程中，為了考慮大部分苯羧酸分布，而又保證分子量不會過大，對12種苯羧酸進行了取捨，將12種苯羧酸的相對含量均縮小至原來的1/4，並進行取整，最後得到了結構模型中苯羧酸的分布，如表3中第5列所示。
通過表3第5列的數據，可以得出苯羧酸的總分子量為2706amu，苯羧酸的總質量收率為13.62wt％，則油頁巖有機質結構的模型為2706/0.1362＝19868amu。
油頁巖的元素分析和工業分析在中國科學院山西煤炭化學研究所進行，工業分析結果為：水分2.32wt％，灰分51.23wt％，揮發分31.74wt％；無水無灰基的元素分析結果為：C、65.87wt％，H、6.54wt％，O、24.64wt％，N、1.44wt％，S、1.51wt％，根據模型分子量，結合元素分析結果，最終得到模型中C、H、O、N、S的個數分別為：1091、1299、306、20和9。
根據油頁巖有機質的13C NMR表徵分析得出了其芳碳率為42.73％，則油頁巖有機質中的芳碳數為1091×0.4273＝466.2，取整後得出芳碳數為466，橋接芳碳數為466×0.126＝58.7，取整得59，由於芳碳數不能為奇數，因此取為60，單環結構中橋接芳碳數為0，雙環橋接芳碳數為2，本結構中不考慮三環及以上結構，因此，油頁巖有機質中的芳香雙環個數為60/2＝30，則單環個數為(466–30×10)/6≈28個，最終得出油頁巖有機質芳核結構模型中包含28個芳香單環， 30個芳香雙環。
由上述計算可知，油頁巖有機質結構模型中共存在58個芳環結構。而根據苯羧酸分布可以看出，結構模型中只存在11個可以生成苯羧酸的芳環結構；由此可知在上述58個芳環結構中，將有大量的芳環結構不能生成苯羧酸。在構建模型中能形成苯羧酸的芳環母體結構時，苯甲酸、鄰苯二甲酸選擇單環結構的母體，偏苯三甲酸、連苯三甲酸、均苯四甲酸、偏苯四甲酸以及苯五甲酸選擇芳香雙環結構的母體，連苯四甲酸和苯六甲酸各選一個芳香單環、一個芳香雙環結構的母體。能生成苯羧酸的芳環結構選定以後，其餘的芳環結構均是在氧化反應過程中不能生成苯羧酸的，這些芳環上均連接氧，氧以酚羥基或者醚鍵的形式存在。油頁巖有機質芳核結構模型的構建過程中，依據13C NMR分析結果，芳核結構必須滿足質子芳碳個數為96個，橋接芳碳個數為60個，烷基取代芳碳個數為166個，芳環上甲基個數為78個，氧接芳碳個數為96個，氧接芳碳相鄰的質子碳為15個。根據離子交換法測定的油頁巖有機質中酚羥基的含量為1.3756mmol/g，即模型中有27個酚羥基，也即96個氧接芳碳中有27個芳碳上連接羥基。根據以上步驟，最終得出油頁巖有機質的芳核結構模型，如圖2所示。圖中的R代表含碳的官能團。
由結構模型的分子量及油頁巖的元素分析結果得出了模型中各原子數，其中N、S的個數分別為20和9，根據表2所示的N、S不同存在形式的摩爾百分比，最終計算得出，結構模型中含有1個吡啶氮、3個氨基氮、3個吡咯氮、7個氮氧化物氮，1個脂肪硫、4個芳香硫、2個亞碸硫、2個碸硫。
以圖2所示的芳核結構模型為母體，在此基礎上，同時滿足13C NMR分析、FTIR分析、羧基含量測定以及XPS分析的結果，即不同類型碳的個數、所含的 各種官能團、羧基的個數以及N、S不同存在形式的個數，最終，得出油頁巖有機質的結構模型，如圖3所示。
由圖3得到的油頁巖有機質結構模型可知，油頁巖有機質結構模型的分子式為C1091H1280N20O282S9，分子量為19474amu。