Аннотация
Бутузова Л. Ф., Печень В. А., Подройко И. В., Маринов С. Исследование особенностей функционального состава углей донецкого бассейна и их полукоксов методом DRIFT-спектроскопии. В докладе проведено сравнительное исследование поведения углей разных стадий метаморфизма в процессе низкотемперетурного пиролиза. Установлено влияние степени метаморфизма на структурно-групповой состав углей и полукоксов и определены параметры, которые наилучшим образом отражают данную характеристику.
Общая постановка проблемы
Изучение структуры и строения углей и продуктов их пиролиза имеет важное значение для углехимии. Это непосредственно связано с разработкой классификаций твердых горючих ископаемых. Для классификации углей исследуют различные свойства, такие как элементный и технический анализ, петрографический состав, теплота сгорания показатель отражения витринита, спекаемость, коксуемость и т. д. Этих показателей явно недостаточно для решения вопроса рационального нетопливного использования угля. Помимо энергетического и коксохимического использования ископаемые угли могут широко применяться для получения ценных продуктов. Международная система кодификации не учитывает все вещественные различия в составе углей. Разработка принципов построения классификации углей на базе фундаментальных представлений о строении вещества весьма актуальна. Существует также классификация углей Российской Федерации на основе структурно-химических показателей, но и она не учитывает наличие и количество различных функциональных групп в углях. Таким образом, имеющиеся химические и технологические характеристики качества углей нуждаются в усовершенствовании с привлечением современных методов исследования.
Метод ИК-спектроскопии 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. Также преимуществами являются высокое разрешение, высокая скорость сбора данных, многократное сканирование и накопление сигнала.
Цель работы заключается в оценке влияния степени метаморфизма на структуру углей и их полукоксов и определении параметров, которые наилучшим образом отражают данную характеристику.
Методика
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 полукоксов (ПК* – полукокс, получен при 520 °С )
Из таблицы 2 видно, что увеличением стадии метаморфизма наблюдаются следующие изменения в ИК-спектрах углей. Уменьшается относительное содержание алифатических и кислородсодержащих групп (I3300/I1600, I2920/I1600, I1740/I1600). Начиная с углей марки Ж происходит увеличение доли алифатических цепочек при высокой эффективности процесса удаления кислорода. Это хорошо согласуется с высокой спекаемостью данных углей.
Уменьшается относительное содержание ароматического водорода в кольцах (I3050/I1600, I3050/ I2920). Таким образом получается более конденсированная, полициклическая структура, в которой имеется достаточное количество ароматического водорода для формирования пластической массы.
По данным таблицы 2 основным параметром, характеризующим метаморфизм для исследуемых углей – это относительное содержание фенольных групп, так как наблюдается плавное уменьшение их с увеличением стадии метаморфизма (I3300/I1600).
При переходе к полукоксам происходит увеличение содержания карбонильных групп (I1740/I1600), увеличивается доля ароматического водорода (I3050/ I2920) и увеличивается доля коротких алифатических цепочек по отношению ко всем алифатическим цепочкам (I2950/ I2920) (кроме углей марки Ж). Основным параметром, характеризующим спекаемость, является отношение кислородсодержащих функциональных групп к алифатическим цепочкам. Данное отношение характеризует межмолекулярное взаимодействие и следовательно прочность связей. Оно постепенно уменьшается при метаморфизме для полукоксов, достигая минимума для хорошо спекающихся углей. Определение этого показателя в исходных углях показывает, что величина его в спекающихся углях марки Ж значительно ниже, чем в неспекающихся углях марки Д.
Выводы
Таким образом, в работе показаны особенности функционального состава углей разных стадий метаморфизма донецкого бассейна и их полукоксов. Основным параметром, характеризующим метаморфизм, является относительное содержание фенольных групп, а параметром, характеризующим спекаемость – отношение содержания кислородсодержащих групп к алифатическим цепочкам.
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