Изменения, происходящие при термическом модифицировании на субмикроскопическом уровне организации структуры ископаемых углей, изменение диаметра частиц в процессе термообработки, элементный состав определённых фрагментов углей и их термопродуктов могут быть отражены с помощью метода электронной сканирующей микроскопии.
В качестве объектов исследования нами использованы следующие угли:
- Уголь Майкюбенского бассейна (Талдыкольское месторождение). Угли этого бассейна гумусовые, бурые, близкие к каменным. Среди этих углей преобладают угли класса гемитолитов, меньше распространены фюзенолиты, липтобиолиты. Угли малосернистые, обогатимость их затруднена.
- Уголь Приаральской группы месторождений (месторождение Кендырлык). Угли этого месторождения бурые, плотные, низкой степени углефикации; марка Б1, в большом количестве присутствуют лигниты. Угли Кайнозойского возраста. По степени метаморфизма эти угли относятся к газовым.
Малометоморфизованные угли данных месторождений отличаются по своему петрографическому составу и условиям углефикации (таблица 1).
Таблица 1
Характеристика исследуемых углей
| Месторождение | Wa | Aa |
Элементный состав, % daf |
Vdaf,% | ||||
| С | Н | N | S | O | ||||
| Талдыколькое | 9,12 | 15,66 | 78,44 | 5,00 | 1,28 | 0,53 | 14,75 | 15,60 |
| Кендырлыкское | 8,10 | 15,20 | 73,00 | 4,30 | 1,70 | 3,70 | 17,3 | 45,70 |
Термообработку углей проводили в трубке из кварцевого стекла. Нагрев осуществляли в электропечи, снабженной терморегулятором. Подъем температуры с заданной скоростью (5-10°С/мин) регулировали с помощью автотрансформатора, температуру контролировали термопарой. Термообработку углей проводили в пределах температур 100-600°С с интервалом в 100°С.
Электронно-микроскопическое исследование термопродуктов проводили на приборе JSM (JOEL) 5910 (LV). Пробы углей и термопродуктов анализировались в виде таблеток, которые прессовали из усреднённых проб термопродуктов полученных в опыте с заданными условиями.
Электронно-микроскопические снимки исходных углей и их термопродуктов приведены на рисунках 1,2.
Исходные угли Талдыкольского месторождения имеют слоистую структуру, характерную для горных пород осадочного происхождения (рисунок 1,2 а). При повышении температуры термообработки наблюдается нарушение прежнего упорядочения структуры углей, что видно уже на снимках термопродукта полученного при температуре 300оС: нарушается слоистость структуры, но форма частиц остаётся прежней (рисунок 1, б). При дальнейшем повышении температуры термообработки углей происходит изменение формы частиц угля: они становятся более усечёнными. Из литературы известно, что парафиновые углеводороды образуют кристаллы правильной орторомбической формы [1,2]. Циклические углеводороды образуют как правило кристаллы меньших размеров чем парафины, но форма кристаллов остается орторомбической. Кристаллы твердых циклических углеводородов имеют форму ромба, но с усеченными острыми углами ромбических плоскостей.
Такую же форму имеют и смешанные кристаллы парафиновых и циклических углеводородов, причем, чем больше в смеси нафтеновых и особенно ароматических углеводородов, тем меньше размер кристаллов и больше их усечённость. В присутствии смолистых веществ образуются крупные кристаллы неправильной формы, либо происходит агломерация кристаллов при сохранении их орторомбической структуры.
Сопоставление формы частиц полученных термопродуктов с формой кристаллов предельных, нафтеновых и полиароматических углеводородов, выделенных из природного углеводородного сырья, позволяет предположить, что такое изменение формы частиц угля в продуктах термической модификации связано с накоплением конденсированных ароматических систем.
Следует отметить, что на электронно-микроскопических снимках зёрна органического вещества термопродуктов становятся более тёмными, их окрас становится более контрастным. В таблицах 2,3 приведён элементный состав светлых и тёмных фрагментов электронно-микроскопических снимков углей и их термопродуктов. Тёмные фрагменты электронно-микроскопических снимков характеризуются более высоким содержанием углерода и низким — кислорода и минеральных компонентов как для углей Кендырлыкского месторождения, так и для углей Талдыкольского месторождения.
Таблица 2
Элементный состав фрагментов электронно-микроскопических снимков углей Кендырлыкского месторождения и термопродуктов (по результатам электронной сканирующей микроскопии)
| Фрагмент снимка термопродукта |
Элементный состав, мас.% |
|||||||
| С | О | Al | Si | Са | S | Ti | Р | |
|
Исходный уголь |
||||||||
| ТУ | 61,27 | 37,76 | 0,97 | — | — | — | — | — |
| СУ | 58,87 | 39,14 | 1,99 | — | — | — | — | — |
|
Термопродукт t=300 оС |
||||||||
| ТУ | 71,63 | 27,58 | 0,5 | 0,29 | — | — | — | — |
| СУ | 47,05 | 36,62 | 0,29 | 1,64 | 5,68 | 5,46 | 1,41 | — |
|
Термопродукт t=400 оС |
||||||||
| ТУ | 77,48 | 10,49 | 0,59 | — | 0,70 | 0,60 | — | — |
| СУ | 59,16 | 38,40 | 1,08 | — | 0,93 | 0,43 | — | — |
|
Термопродукт t=600 оС |
||||||||
| ТУ | 78,06 | 15,42 | 2,13 | 0,99 | 1,93 | 0,78 | — | 0,70 |
| СУ | 42,67 | 13,96 | 1,08 | 1,05 | 16,23 | 12,28 | — | 0,26 |
| Примечание — ТУ- тёмные участки электронно-микроскопических снимков углей и термопродуктов; СУ -светлые участки электронно-микроскопических снимков углей и термопродуктов. | ||||||||
Светлые участки снимков наоборот, характеризуются более низким содержанием углерода и более высоким- кислорода и минеральных компонентов, т.е. увеличение контрастности зёрен углей и их термопродуктов можно связать с концентрированием углерода и минеральных компонентов структуры.
Таблица 3
Элементный состав фрагментов электронно-микроскопических снимков углей Талдыкольского месторождения и термопродуктов (по результатам электронной сканирующей микроскопии)
| Фрагмент снимка термопродукта |
Элементный состав, мас.% |
|||
| С | О | Al | Si | |
|
Исходный уголь |
||||
| ТУ | 67,51 | 31,86 | 1,48 | — |
| СУ | 58,10 | 38,45 | 1,60 | 1,85 |
|
Термопродукт t=300 оС |
||||
| ТУ | 64,86 | 31,94 | 1,52 | 1,69 |
| СУ | 63,35 | 34,43 | 1,21 | 1,01 |
|
Термопродукт t=400 оС |
||||
| ТУ | 71,43 | 27,48 | 1,09 | — |
| СУ | 63,31 | 26,49 | 3,29 | 6,91 |
|
Термопродукт t=600 оС |
||||
| ТУ | 94,49 | 2,79 | 1,28 | 1,45 |
| СУ | 63,70 | 33,65 | 1,24 | 1,42 |
| Примечание — ТУ — тёмные участки электронно-микроскопических снимков углей и термопродуктов; СУ — светлые участки электронно-микроскопических снимков углей и термопродуктов. | ||||
Различные угли имеют различный диаметр, форму, различный характер агрегации частиц зависящие от условий и стадии углефикации. При проведении процесса термического модифицирования отмечается определённая зависимость между размером частиц и температурой проводимого процесса. При повышении температуры процесса термообработки наблюдается закономерное снижение среднего диаметра частиц углей как Талдыкольского, так и частиц углей Кендырлыкского месторождений. Если у исходных углей средний диаметр частиц составляет 18,65 и 18,094 мкр., то у термопродуктов (t=600oC) он составляет 10,01 и 9,79 мкр. для углей Талдыкольского и Кендырлыкского месторождений соответственно. Такое уменьшение среднего диаметра частиц с повышением температуры процесса можно связать с протеканием реакций деструкции и синтеза, приводящих к образованию более плотной упаковки структуры углей. Частицы термопродуктов Кендырлыкского месторождения имеют меньший размер по сравнению с размером частиц углей Талдыкольского, что можно объяснить образованием структур отличающихся наибольшей степенью уплотнения.
Таким образом, проведено электронно-микроскопическое исследование углей и продуктов, полученных в процессе термического модифицирования. С помощью метода сканирующей электронной микроскопии показаны изменения элементного состава, формы и размера частиц, происходящие при повышении температуры процесса.
Список литературы:
- Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. -М: Изд-во МГГУ, 2003. -556 с.
- Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа. Ч. 3-я. -М.: Химия, 1978. -424 с.[schema type=»book» name=»ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ И ИХ ТЕРМОПРОДУКТОВ» description=»В работе приведены результаты электронно-микроскопического исследования углей Талдыкольского и Кендврлыкского месторождений и их термопродуктов, полученных при различных температурах. Показаны изменения, происходящие на субмикроскопическом уровне организации углей, и изменение их элементного состава при повышении температуры.» author=»Халикова Зухра Салаватовна, Байкенов Мырзабек Исполович, Абсат Зауре Бакиевна, Кочегина Елена Вячеславовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-11″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]