Meskipun komposisi unsur organik pembentuk batubara berbeda-beda sesuai dengan jenis batubaranya, tapi kurang lebih dapat dinyatakan sebagai C100H30~110O3~40N0.5~2S0.1~3. Sedangkan untuk unsur inorganik, terdiri dari unsur inorganik utama dan unsur inorganik minor.

Unsur inorganik utama: Si, Al, Ca, Fe, Mg, Na, Ti, K.

Unsur inorganik minor: Be, Se, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Nd, Sm, dll.

1. Maceral Batubara (Coal Maceral)

Batubara adalah tumbuhan purba yang mengendap di dalam tanah yang prosesnyaberlangsung sejak periode karbon (carboniferous period) kurang lebih 350 juta tahun lalu sampai dengan periode neosin (Neocene period) kurang lebih jutaan tahun lalu, yang kemudian terurai oleh sejenis jamur (fungi), dan selanjutnya mengalami pembatubaraan (coalification) yang diakibatkan oleh tekanan seperti pergerakan lapisan kulit bumi. Tidak diragukan lagi bahwa batubara terbentuk dari material tumbuhan dari tetumbuhan purba yang pernah berkembang di masa tersebut. Menggunakan mikroskop optik, struktur batubara (coal maceral) dapat diamati dengan jelas.

Gambar 1 Maceral dan mineral batubara

E: Exinite (Liptinite). Terbentuk dari daun, kulit pohon, serbuk sari, biji, dan resin pada pohon. Tingkat pantulannya sangat rendah.

V: Vitrinite. Terbentuk dari jaringan kayu. Tingkat pantulannya rendah.

I: Inertinite. Terbentuk dari jaringan kayu yang mengalami oksidasi kuat. Tingkat pantulannya tinggi.

2. Mineral Dalam Batubara

Komposisi, model keberadaan, dan kondisi sebaran mineral dalam batubara merupakan karakteristik mendasar yang pokok untuk menjelaskan sifat serta mekanisme pembentukan abu batubara pada pembakaran suhu tinggi dan pada proses gasifikasi batubara.

Mineral utama:

- mineral lempung, misalnya kaolinite (Al2O3・SiO2・xH2O).

- karbonat, misalnya calcite (CaCO3).

- sulfide, misalnya pyrite (FeS2).

- oksida, misalnya quartz (SiO2).

Logam berikatan organik: ion exchangeable metal ( －COO－Na+, dll).

3. Struktur Molekul Batubara

Material organik batubara terbentuk dari makromolekul yang memiliki berat molekul ratusan sampai ribuan atau lebih, yang tersusun dari unit dasar berupa cincin benzena (benzene ring) dan cincin aromatik polinukleus (polynucleus aromatic ring) yang gugus fungsionalnya (misalnya gugus metil atau gugus hidroksil) saling berikatan. Unit – unit dasar tersebut terhubung dengan ikatan metilen, ikatan ether, dan ikatan lain. Adapun makromolekul itu sendiri terhubung dengan ikatan nonkovalen seperti ikatan π－π (ikatan Van der Walls bertipe aromatic flat space), ikatan hidrogen, ikatan ion, dan ikatan lainnya, membentuk struktur jaringan 3 dimensi yang kuat. Dari hasil penelitian, interaksi di antara molekul – molekul tersebut ternyata diketahui sebagai faktor yang mempengaruhi perubahan sifat material dan karakteristik reaksi termokimia pada batubara saat mendapat perlakuan panas.

Gambar 2 Struktur molekul batubara

Pirolisis Batubara

Bila batubara dipanaskan dalam lingkungan gas inert, ikatan – ikatan dalam batubara akan terlepas dan terurai membentuk radikal yang bermacam – macam, dimulai dari yang energi ikatannya paling lemah. Radikal – radikal tersebut akan segera bereaksi membentuk material stabil berupa gas, zat cair (tar), zat padat (char). Reaksi pirolisis ini berlangsung dalam hitungan mili detik sampai beberapa puluh mili detik.

Pirolisis batubara merupakan metode yang efektif untuk menghasilkan material kimia yang bermanfaat seperti etana, metilen, benzena, dan toluen, karena di dalam prosesnya, cincin aromatik yang membentuk batubara langsung berubah dari rantai sisi (side chain) menjadi material – material tersebut. Untuk dapat menambah tingkat keterambilan material – material itu, diperlukan pengontrolan terhadap reaksi penguraian batubara yang berstruktur kompleks tersebut, yang prosesnya berlangsung sangat singkat.