О взаимодействии компонентов шихт, составленных из углей разных типов по восстановленности

Маковский Р.В., Наливкина А.О., Бутузов Г.Н.

Донецкий национальный техничекий университет

Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/ Збірка доповідей VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2009, с. 170-171.

     Метод ИК-спектроскопии с Фурье преобразованиями (DRIFT) занимает особое место среди инструментальных методов исследования углей и процессов их термической деструкции, так как он позволяет получать качественные спектры этих сложных природных объектов. Инфракрасное излучение с частотой меньше I00 см-1 поглощается органической молекулой и преобразуется в энергию ее вращения, а излучение в диапазоне около 1000-100 см-1 – в энергию колебательных движений атомов в молекуле. Применение распространенного метода снятия ИК-спектров пропускания путем таблетирования угля с KBr не позволяет сделать полуколичественкую оценку спектров углей и продуктов их термодеструкции.
     Большим преимуществом FT-IR метода является возможность использования компьютера для цифрового накопления и обработки данных, что позволяет производить операции расширения и сужения спектров, их сравнение или синтез, факторный и корреляционный анализ, вычитание спектра растворителя или минеральных примесей, показ и распечатывание кривых, программированный контроль эксперимента и коррекцию базовой линии.
     В настоящей работе указанный метод использовали для оценки состава и свойств продуктов термической переработки шихт, составленных из донецких yглей марки Ж (70%) и марки Г (30%) с различным сочетанием компонентов слабовосстановленного (Жа, Га) и восстановленного (Жв, Гв) типов.
     Термическую обработку углей проводили методом термофильтрацпи с определением выхода жидкоподвижной фазы и твердого остатка.
     ИК-спектры углей регистрировали на спектрометре «Bruker» FTS-7 с использованием техники DRIFT в Институте органической химии с центром фитохимии Болгарской Академии Наук. Угли для анализа готовили в форме 5 %-ных смесей с бромидом калия.
     Коррекцию базовой линии проводили с использованием компьютерной программы «Origin». Построение базовой линии проводили по известным точкам локальных минимумов на спектре, которые регистрируются при определенной длине волны и являются характеристическими для всех ИК-спектров. Метод позволяет частично устранить последствия отклонения от закона Ламберта-Бера, обусловленные неоднородностью образцов, присутствием частиц большего размера по сравнению с длиной волны и др. Анализ DRIFT спектров проводили путем отыскания характеристических полос поглощения. Данный метод дает хорошо воспроизводимые результаты и широко применяется в углехимии.
     По данным DRIFT-спектроскопии, основными структурными фрагментами исследуемых углей являются следующие:

  • ароматические углеводороды ( в том числе карбонил- и фенолсодержащие), о чем свидетельствует наличие характерных полос поглощения С=С связи при ~1600 см-1; 0=0 связи в области 1705-1650 см-1 (включая хиноидные группы в области 1653-1663 см-1), поглощение в области валентных колебаний ОН-групп (3700-3300 см-1), интенсивное поглощение -С-О-групп (1300-1100 см-1), которое относят к деформационным колебаниям фенольных и эфирных групп, а также пики поглощения инфракрасных волн в области валентных и деформационных колебаний Сар-Н связей при 3100-3000 см-1 и 900-700 см-1 соответственно;
  • алифатические насыщенные Сал-Н группы, которые идентифицировали по наличию интенсивного поглощения в области валентных колебаний 3000-2800 см-1 (СН3, СН2, СН группы) и в области деформационных колебаний: 1480-1-1430 см-1, 1380 см-1-1370 см-1 (СН3-группы); 1485-1-1445 см-1, 1305 см-1, 1250 см-1, 720 см-1 (СН2-группы); 1340 см-1 (СН-группы);
  • -С=0 группы в насыщенных соединениях, хорошо определяемые по полосам поглощение в интервале частот 1750-1700 см-1 (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры).
         На рисунке показаны спектры пластической массы (ЖНП) двух шихт составленных из слабовосстановленных углей марок Г и Ж (рис. 1а) и восстановленных углей тех же марок (рис. 16). Как видно из рисунка, тип углей по восстановленности определяет функциональный состав шихты. Угли типа «в» дают пластический слой, отличающийся высоким содержанием ароматического водорода (V=700-900 см-1) И мостиковых кислород и серосодержащих групп (V=1200-1250 см-1). Выход жидкоподвижной фазы и твердого остатка дм пары восстановленных углей составляет 17,6% и 59,8%, а для пары слабовосстановленных – 20,9% и 54,3% соответственно. Замена восстановленного газового угля на слабовосстановленный резко увеличивает выход жидкоподвнжных продуктов, ответственных за спекаемость угля. Влияние типа по восстановленности жирного угля менее заметно.

    Рисунок 1 – ИК-спектры пластической массы шихт, составленных из слабовосстановленных углей марок Г и Ж (рис. 1а) и восстановленных углей тех же марок (рис. 1б).

         Например в жидкоподвнжных продуктах полученных из шихты Га + Жв резко увеличивается относительное содержание СНар/СНал по отношению к этому показателю в продуктах полученных из исходных углей. Неаддитивно уменьшается так же количество двух соседних атомов водорода при ароматических кольцах. Увеличивается содержание мостиковых -О- и -S- связей. Эти данные свидетельствуют об увеличении степени ароматичности ЖНП, изменении способа упаковки ароматических колец в шихте и дополнительном образовании трехмерных сшитых структур при термической обработке смеси углей.
         Полуколичественные данные обработки спектров показали, что происходит химическое взаимодействие компонентов шихт, которое зависит от типа исходных углей и определяет качество пластического слоя.