Разделы сайта

Авторы: Д.И. Дедовец, И.Г. Дедовец, В.Н. Шевкопляс
Донецкий национальный технический университет

Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/Збірка доповідей VI Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007. - 252 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА НА НАДМОЛЕКУЛЯРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ УГЛЕЙ

Эффективное использование углей невозможно без четкого представления об их строении и зависящих от него свойствах.
Одним из методов, при помощи которых ведется изучение структуры углей, является рентгеноструктурный анализ.
Суть метода заключается в том, что через вращающийся с определенной угловой скоростью исследуемый образец пропускают луч рентгеновского излучения фиксированной интенсивности и с известной исследователю длиной волны. При прохождении через образец рентгеновский луч подвергается дифракции и соответственно интенсивность его на выходе будет иной, по сравнению с исходным лучом. Эту интенсивность фиксируют при помощи специального счетчика и строят график ее зависимости от угла поворота образца. Данный график носит название дифрактограммы или рентгенограммы. Следует, также отметить, что возможен вариант построения эксперимента, когда исследуемый образец остается неподвижным, а вокруг него с фиксированной скоростью движется счетчик. Данный способ наиболее распространен в последнее время. Путем ряда преобразований полученной дифрактограммы и дальнейшего расчета по известным формулам определяют параметры структуры исследуемой пробы угля.
Интересной, на наш взгляд, задачей является не столько изучение строения отдельно взятого образца угля, сколько проследить, как изменяется структура углей в результате протекания таких процессов как метаморфизм и пиролиз. И если изучение изменения структуры углей в процессе метаморфизма интересно больше с академической точки зрения, то знание того, как перестраивается вещество угля в результате пиролиза, исключительно важно для оптимизации процесса коксования, который до сих пор остается толком не изученным.
Для того чтобы проследить, как влияет на строение углей процесс метаморфизма, была набрана коллекция проб углей различных марок, начиная от бурых и заканчивая антрацитами.
Методика снятия дифрактограм в проведенном нами исследовании была следующей:

1. Все пробы угля сняты в отфильтрованном медном излучении (CuKα = 0,15418 нм) на ДРОН-3 при одинаковом режиме: ускоряющее напряжение - U = 30 кВт; ток на турбине - I = 23 mA; интенсивность счета - 1000 мм/с; скорость движения счетчика - 2°/мин; скорость протяжки диаграммной ленты - 600 мм/час; рабочие щели одинаковы во всех опытах.
2. Сканирование всех проб угля велось в одинаковом диапазоне углов (2θ°) от 6° до 110°
3. Использованная скорость движения счетчика (2°/мин) наиболее оптимальная для аморфных материалов.

Полученные рентгенограммы сканировались, оцифровывались (проводилась табуляция, т.е. представление дифрактограммы в виде таблицы значений углов и соответствующих им интенсивностей результирующего рентгеновского излучения), данные оцифровки передавались в разработанную нами программу, в которой и проводился окончательный расчет параметров структуры углей. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры надмолекулярной организации исследованных проб углей

№	Проба угля (марка, пласт)	Cdaf	d002	Lc	La	Lc/La	h/l	Cг	n
1	БУ, Новомиргородский	65,4	0,413	1,44	5,16	0,28	0,67	0,18	4,49
2	БУ, Константиновский	66,8	0,395	1,55	4,09	0,38	0,57	0,26	4,93
3	БУ (Польша)	71	0,413	1,39	5,44	0,26	0,86	0,18	4,38
4	БУ, Канско-Ачинский	74,3	0,395	1,49	3,66	0,41	0,87	0,25	4,79
5	Дl2	76,2	0,413	1,22	4,46	0,27	0,67	0,16	3,95
6	Дl4	79	0,404	1,37	4,21	0,33	0,99	0,20	4,40
7	Гl3	82,2	0,395	1,51	4,12	0,37	1,67	0,25	4,84
8	Гl1	82,7	0,363	2,51	4,14	0,60	3,09	0,89	7,90
9	Жm2	87,4	0,349	3,55	3,20	1,11	1,44	2,53	11,18
10	Кk8	88,6	0,349	3,96	3,47	1,14	4,38	2,81	12,33
11	ОСl6	88,9	0,349	4,05	4,39	0,92	5,73	2,88	12,60
12	Тh8	90,3	0,342	5,75	2,82	2,03	7,14	7,70	17,78
13	Аh8	93,7	0,349	3,73	7,58	0,49	6,42	2,65	11,69

Как показали исследования, в процессе метаморфизма происходит постепенное уменьшение межъядерного расстояния d₀₀₂. Оно наибольшее у малометаморфизованного бурого угля и наименьшее у антрацитов. Коэффициент корреляции между содержанием углерода в образце Сdaf и межъядерным расстоянием d₀₀₂ составил r = -0,891, т.е. он является значимым при данном числе проб, т.к. r_табл = 0,661 (при f = 13 - 1 = 12).
Следует отметить увеличение количества упорядоченных слоев в пачке и соответственно толщины пачки при увеличении степени метаморфизма. Эти явления в совокупности с уменьшением межъядерного расстояния можно объяснить увеличением степени упорядоченности структуры угля, приближением ее к кристаллической структуре графита. При увеличении степени метаморфизма от ароматических колец отщепляются боковые алифатические фрагменты, за счет чего уменьшается размер пакета. Одновременно это дает возможность ароматическим ядрам стать плотнее (отсюда и уменьшение межъядерного расстояния), а также объединиться в более высокие пакеты.