Аннотация
Бутузова Л. Ф., Маринов С. Подройко И. В. Исследование структуры углей донецкого бассейна и их полукоксов методом DRIFT-спектроскопии. В докладе проведено сравнительное исследование поведения изометаморфных пар углей в процессе низкотемпературного пиролиза. Установлено влияние серы и степени метаморфизма на структурно-групповой состав углей и продуктов их пиролиза методом DRIFT-спектроскопии.
Общая постановка проблемы
ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье и техникой диффузного отражения (DRIFT) в последнее время используется в углехимии и имеет значительные преимущества перед другими методами. Важным преимуществом данного метода является возможность использования компьютера для цифрового накопления и обработки данных, что позволяет проводить программный контроль эксперимента, коррекцию базовой линии. Метод базовой линии позволяет частично устранить последствия отклонения от закона Ламберта-Бера, обусловленные неоднородностью образцов, присутствием частиц большего размера по сравнению с длиной волны и др.
Цель работы заключается в оценке влияния степени метаморфизма и типа по восстановленности на структуру углей методом DRIFT-спектроскопии и определении параметров, которые наилучшим образом отражают указанные характеристики.
Методика эксперимента и анализ результатов
Объектом исследования являются угли донецкого бассейна марок Д, Г, Ж, характеристика которых приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Элементный и технический анализы образцов
Построение базовой линии проводили по локальным минимумам, которые регистрируются при определенной длине волны и являются характеристическими для всех ИК-спектров углей [1,2]. При анализе спектров рассматривали отношение разных полос к наиболее устойчивой в условиях эксперимента полосе (1600 см-1), что позволяет сравнивать разные спектры. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Относительная интенсивность Ix/I1600 Ix/I2920 для углей марки Д, Г, Ж и их продуктов пиролиза (ПК* – полукокс, получен при 520 °С )
Из таблицы 2 видно, что при переходе от углей марок Г и Ж к полукоксам уменьшается относительное количество мостиковых связей, алифатического водорода, и увеличивается содержание ароматического водорода, как для слабо восстановленных, так и для восстановленных углей. Количество фенольных групп при переходе к стадии полукоксования для слабо восстановленных газовых уменьшается, а для восстановленных увеличивается. Увеличивается количество С=О связей для всех исследуемых углей. При полукоксовании углей марки Д уменьшается количество фенольных групп для углей обоих типов, увеличивается количество мостиковых связей. Этот факт свидетельствует об образовании эфирных групп из фенольных групп. Количество коротких углеродных цепочек (I2950/I1600) уменьшается для всех полукоксов за исключением жирного угля типа а. Для спекающихся жирных углей характерно относительно высокое содержание алифатического водорода, которое выше в сравнении с неспекающимися углями (I3050/I2920), что прекрасно согласуется с низким значением отношения I1740/I2920, характеризующего прочность межмолекулярных взаимодействий. Анализ DRIFT-спектров полукоксов показывает, что при температуре 520 °С идут реакции отрыва боковых алифатических групп (I2920/I1600), реакции ароматизации.
Основные отличия в характере спектров длиннопламенных углей разных типов по восстановленности наблюдаются для полос 3050 см-1 и 1640 см-1. Эти отличия показывают, что при полукоксовании длиннопламенных углей типа а уменьшается относительное содержание ароматического водорода, алифатических парафиновых цепочек и карбонильных групп не связанных с ароматикой, а для полукоксов длиннопламенных углей типа в наблюдается обратное изменение интенсивностей указанных полос.
Оценивая относительную интенсивность Ix/I2920, можно сделать вывод, что термические превращения на стадии полукоксования в целом приводят к увеличению прочности межмолекулярных взаимодействий, увеличению относительного количества коротких парафиновых цепей (кроме углей марки Ж), а также к увеличению количества ароматического водорода по отношению к алифатическому, что согласуется с данными [2]. Относительная интенсивность полосы 1250 см-1, отвечающая за поглощение простых эфиров, снижается для полукоксов марок Г и Ж, что свидетельствует о разрушении кислородсодержащих и серосодержащих мостиков, что способствует переходу угля в пластическое состояние.
Выводы
Таким образом, отличие в поведении малосернистых и сернистых углей при полукоксовании заключается в том, что полученный из сернистых углей полукокс, характеризуется большим относительным количеством ароматического водорода и С=О групп по сравнению с малосернистыми. Кроме того, при пиролизе углей восстановленного типа интенсивнее разрушаются парафиновые цепочки и доля коротких заместителей значительно выше, чем при пиролизе угля типа а.
Список использованной литературы
1. Machnikowska, H. The characterization of coal macerals by diffuse reflectance infrared spectroscopy [Text] // H. Machnikowska, A. Krzton, J. Machnikowski // Fuel. –2002. –V.81 –P. 245 – 252.
2. Bechtel, A., Butuzova, L., Turchanina. O. Thermochemical and geochemical characteristics of sulphur coals [Text] // Fuel Processing Technology, 2002. –V. 77 – 78, p. 45 – 52