Электронно-микроскопическое исследование ископаемых углей и их термопродуктов
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ
И ИХ ТЕРМОПРОДУКТОВ
Байкенов Мырзабек Исполович
,
АННОТАЦИЯ
В работе приведены результаты электронно-микроскопического исследования углей Талдыкольского и Кендвр-
лыкского месторождений и их термопродуктов, полученных при различных температурах. Показаны изменения, про-
исходящие на субмикроскопическом уровне организации углей, и изменение их элементного состава при повышении
температуры.
Ключевые слова: Уголь, электронная микроскопия, термолиз.
ABSTRACT
The work include the results of electron-microscopy study of coal of Taldykol and Kendyrlyk field and their thermoproduct
which obtained at different temperatures. The changes taking place on the submicroscopic level of organization of coal and
changes in their elemental composition by increasing temperatures.
Keywords: coal, electronic microscopy, thermolysis.
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:
1.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.
2. 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).
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.
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
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 нару-шение 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
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 5 (14), 2015 | ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ 171 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.
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. а б в г
Рисунок 1. Электронномикроскопические снимки ископаемых углей Талдыкольского месторождения и термопродуктов, увеличение 2000 а - исходный уголь; б - после термообработки при 300оС. в - после термообработки при 500оС; г - после термообработки при 600оС. а б в г
Рисунок 2. Электронномикроскопические снимки ископаемых углей Кендырлыкского месторождения и термопродуктов, увеличение 2000 а - исходный уголь; б - после термообработки при 300оС. в - после термообработки при 500оС; г - термообработки при 600оС. 172 Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 5 (14), 2015 | ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таблица 2
Элементный состав фрагментов электронно-микроскопических снимков углей Кендырлыкского месторождения и тер-
мопродуктов (по результатам электронной сканирующей микроскопии)
Фрагмент снимка тер-
мопродукта
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.
Различные угли имеют различный диаметр, форму,
различный характер агрегации частиц зависящие от усло-
вий и стадии углефикации. При проведении процесса тер-
мического модифицирования отмечается определённая
зависимость между размером частиц и температурой про-
водимого процесса. При повышении температуры про-
цесса термообработки наблюдается закономерное сниже-
ние 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 со-
ставляет 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 реак-
ций деструкции и синтеза, приводящих к образованию бо-
лее плотной упаковки структуры углей. Частицы термо-
продуктов Кендырлыкского месторождения имеют
меньший размер по сравнению с размером частиц углей
Талдыкольского, что можно объяснить образованием
структур отличающихся наибольшей степенью уплотне-
ния.
Таким образом, проведено электронно-микроско-
пическое 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.
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.
Список литературы
1. , , Тео-
ретические основы химии угля. - М: Изд-во МГГУ,
2003. -556 с.
2. Технология переработки нефти и
газа. Ч. 3-я. - М.: Химия, 1978. -424 с.__
