Источник: Інформатика та комп'ютерні технології - 2007 /
Матеріали III науково-технічної конференції молодих учених та студентів.
- Донецьк, ДонНТУ - 2007, с. 77-78.
С каждым годом в мире все более остро стоит проблема, связанная с энергоресурсами. Ограниченность запасов, дисбаланс в распространении и потреблении, а также значительный рост цен на них вынуждает искать альтернативные источники энергии и обращаться к низкокачественным видам топлива, которые еще 10 лет назад считались экономически не выгодными. Одним из таких низкокачественных видов энергоресурсов могут быть углистые глины (УГ). На данный момент они еще не достаточно изучены, поэтому представляют большой как научный, так и практический интерес. Запасы УГ в Украине составляют более 1.5 млрд. т. УГ являются высокозольными (содержание золы >45 %) природными углистыми образованиями, которые в настоящее время являются отходами при добыче бурых углей. Проблема нахождения эффективных способов использования высокозольных углистых образований заключает в себе необходимость выяснения состава, свойств, кристаллохимической природы и структурных особенностей их органической массы. При этом важной задачей является установление взаимосвязи органической и минеральной составляющей УГ.
Считается, что материалом для образования УГ и вторичных каолинов в пределах буроугольного бассейна послужили первичные каолины. Последние образовались из кристаллических пород, главным образом из гранитогнейсовых и пегматитов. Процессы каолинизации кристаллических полевошпатных пород наиболее интенсивно происходили в эоценовое время, то есть в период образования угля.
Преобразование полевого шпата в процессе каолинизации можно представить в виде такой схемы:
Таким образом, щелочи и кремнезем, выщелоченные водою, переходили в раствор, и проточные воды уносили их за пределы района каолинизации. Следующей стадией было выпадение кремнезема. В дальнейшем первичные каолины размывались, глинистые вещества переносились циркулирующими водами в пониженные части рельефа при этом происходило также их смешение с растительными остатками. Такая смесь послужила основой для образования УГ.
Исследования проводились на УГ действующих разрезов: Верболозовском, Бандуровском, Морозовском, Константиновском, которые отличались зольность (от 51,1% до 78,2%). Был использован комплекс методов (ИК-спектроскопия, рентгеноструктурный, дериватографический анализ, пиролиз), которые подтвердил предположение, что УГ это не просто механическая смесь органических и минеральных компонентов, а органо-минеральный комплекс, который имеет отличия от бурых углей. Они проявляются в особенностях состава, структуры и поведении в процессах нагревания.
По данным ИК-спкетроскопии было определено, что в пробах УГ велик показатель , свидетельствующий об относительно высоком содержании активных Si–O-групп глинистых минералов в сравнении с содержанием органического вещества. Он изменяется от 8,23 (УГ Константиновского разреза) до 2,35 (УГ Верболозовского разреза). Кроме этого, следует отметить, что относительное количество ОН-групп глинистых минералов, участвующих в водородной связи ,показатель , значительно больше в исследованных пробах УГ (8,23-14,82), чем для чистого каолинита (0,5), что может свидетельствовать в пользу достаточно прочной связи органической массы и минеральной части УГ. Несмотря на довольно большое содержание кислорода в органическом веществе (по данным элементного анализа), свободные кислородсодержащие функциональные группы, по данным ИК-спектроскопии, в целом определяются в незначительном количестве, что также дает возможность предположить об их участии в связи органического вещества с минеральными компонентами.
Известно, что в процессе литогенеза между органической и минеральной частью твердых углеродсодержащих образований происходило взаимодействие с образование органоминеральных соединений, которые могут находиться как в виде комплексных соединений, так и природных соединений включения. Можно сделать предположение, что на формирование надмолекулярной структуры органической составляющей существенное влияние могли оказывать минеральные вещества. Исходя из минерального состава УГ, можно предположить, что основной вклад в формирование структурной организации органической массы УГ мог внести каолинит, составляющий основу их минеральной части. Структурная модель каолинитовых минералов, предложенная Л. Полингом, указывает на то, что каолиниты относятся к диоктаэдрическим тонкодисперсным слоистым силикатам. Их кристаллическая структура построена из двумерно-бесконечных слоев состава Al4(OH)8•(Si4O10)2, которые между собой соединяются силами частично электростатических, частично водородных связей.
С другой стороны известно, что глинистые минералы могут вступать во взаимодействие с полярными органическими соединениями, а также в реакции ионного обмена, в результате которых неорганические обменные катионы замещаются большими органическими. Характер взаимодействия определяется химической природой органического вещества, особенностями кристаллического строения минералов и другими факторами. Долгое время считали, что каолиновые слои соединены друг с другом настолько прочно, что органические молекулы не могут проникать между слоями минерала. Впоследствии было обнаружено, что полярные органические молекулы способны внедряться между слоями каолинита, образуя соединения включения. По характеру взаимодействия внедренных молекул с поверхностью каолинита органические вещества можно разделить на две группы. Органические вещества, молекулы которых образуют водородную связь с поверхностью каолинитовых слоев, и органические вещества, молекулы которых не образуют водородных связей. По-видимому, такого рода взаимодействие имело место в случае формирования залежей углистых глин и бурого угля. Повышенная температура, давление и длительное время воздействия способствовали „встраиванию” органических, скорее всего, алифатических полярных соединений в межслоевое пространство каолинитов.
Органо-минеральная связь в УГ оказывает свое влияние и на процессы их переработки. По сравнению с бурым углем отмечается большая глубина конверсии органической массы, и более низкомолекулярный состав получаемых продуктов. Знания структуры, ее особенностей, позволит более рационально использовать заложенный в УГ энергетический потенциал и вовлечь их как в энергетическую так и химическую переработку.