Навигация
СТРУКТУРА И СТРОЕНИЕ УГЛЕЙ
29874
знака
1
таблица
4
изображения
3. СТРУКТУРА И СТРОЕНИЕ УГЛЕЙ
Ископаемый уголь представляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав и определяют пути рационального использования углей [4 – 8]. Для характеристики свойств конкретного угля следует учитывать роль каждой из трех составляющих его частей.
Элементный состав органической массы углей (ОМУ), структура макромолекул и характер надмолекулярного структурирования определяют основные физико-химические и химико-технологические свойства углей [8, 9].
Физико-химические свойства органического вещества углей существенно зависят от степени их метаморфизма. Определение пригодности углей для конкретных технологических процессов невозможна без учета физико-химических особенностей строения угля. В связи с этим возникает необходимость в установлении связи между структурой и свойствами углей. Это - одна из основных проблем углехимии.
Все физико-химические свойства ОМУ определяются внутри- и межмолекулярным взаимодействием. Внутримолекулярные взаимодействия обусловливают совокупность энергетических характеристик изолированной молекулы, а межмолекулярные взаимодействия - надмолекулярное строение твердого тела (форма упаковки, тип кристаллической решетки и т.д.). Оба типа взаимодействий - следствие особенностей элементного состава и химической структуры ОМУ. Это демонстрирует рис. 1, где показано, что многие физико-химические свойства ОМУ меняются в зависимости от стадии углефикации; ряд свойств характеризуется максимальными или минимальными значениями при содержании углерода 80-90 % [10].
Структура органической массы углей весьма разнообразна, но условно структура углеводородной части находится в промежутке между двумя крайними состояниями, а именно: между насыщенными и ароматическими структурами, которые существенно различаются по физико-химическим свойствам [9, 11]. В насыщенных соединениях углеродные атомы находятся в sp3-гибридном состоянии. Они образованы с помощью относительно менее прочных простых С–С связей и более склонны к термической деструкции. Множественные пространственные конформации этих соединений составляют непрерывный ряд по энергиям, что обусловливает метастабильность структуры. В ароматических структурах углеродный атом находится в sp2-гибридном состоянии; С–С связи примерно в 1,5 раза прочнее, чем простые связи С–С, поэтому ароматические соединения имеют относительно жесткую структуру. Конденсированные ароматические соединения склонны к образованию кристаллической структуры и при числе колец n ≥ 4 из-за сильного межмолекулярного взаимодействия при нагревании, не успев сублимировать, разлагаются.
Взаимосвязь структуры и свойств ОМУ базируется на фундаментальных исследованиях. В целом, фундаментальные исследования ОМУ условно можно разделить на два направления: исследование молекулярной структуры и исследование надмолекулярного строения.
Рис. 1 - Физико-химические свойства углей в зависимости от степени углефикации: W – показатель механической прочности; 
– действительная плотность, г/см3; 
– выход летучих веществ из аналитической пробы, % (масс); Рmax – максимальное давление распирания, кгс/см2; х – пластометрическая усадка, мм; Y-толщина пластического слоя, мм; RI – индекс Рога; SI – индекс свободного вспучивания; 
– индекс максимальной пластичности (по методу Гизелера); С – содержание углерода, % (масс.)
Одна из главных задач углехимии – исследование реакционной способности углей в различных процессах с целью разработки эффективных путей переработки ОМУ в продукты с заданными свойствами [9–11]. Естественно, что решение этой задачи должно базироваться на данных структурно-химических показателей ОМУ.
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по исследованию структуры и реакционной способности ОМУ физико-химическими методами [4, 10]. Однако интерпретация данных по связи структуры и свойств ОМУ часто противоречива из-за отсутствия единой точки зрения на ее структуру [9, 12] носит описательный, качественный характер и не может быть использована для количественной оценки свойств углей в термохимических процессах их переработки.
Молекулярная структура ОМУ устанавливается как по данным прямых спектроскопических и рентгеноструктурного методов анализа, так и косвенно, по составу продуктов превращения. Согласно этим данным, структура ОМУ неоднородна и состоит, в основном, из макромолекул нерегулярного строения различной величины. Поэтому, когда речь идет о молекулярной структуре органической массы, подразумевается средняя структура единицы массы угля, которая конструируется по экспериментальным данным.
Структурная единица макромолекулы – это фрагмент структуры, умножением которого на целое число восстанавливается ее полная структура. В случаях регулярных одно-, двух- или трехмерных полимеров структурной единицей является элементарный фрагмент, который транслируется в соответствующих направлениях. Однако ОМУ состоит из ассоциатов макромолекул нерегулярного строения. Вводя в рассмотрение «среднестатистическую структурную единицу», ОМУ представляется в виде гипотетической макромолекулы регулярного строения. В этом смысле среднестатистическая структурная единица отождествляется с элементарным фрагментом структуры.
Следовательно, за среднюю статистическую структурную единицу ОМУ в целом или отдельных ее ингридиентов (витринитов, липтинитов и инертинитов) принимается единица массы, которая по элементному, функциональному и фрагментальному составу отождествляется с макросистемой.
В углехимии для отражения структурно-химических особенностей ОМУ широко пользуются структурными моделями. В настоящее время известно несколько десятков таких моделей, предложенных разными авторами в разное время. Некоторые из них приведены на рис. 2. Модели наглядно отражают эволюцию представлений о структуре ОМУ. В них, как правило, представляются основные структурные фрагменты (конденсированные ароматические шести- и пятичленные кольца и нафтеновые циклы), соединенные между собой мостиковыми связями (-(СН2)n -, >СО, -О-, -NH-, -S-), функциональные группы (-СООН, -ОН, -ОСНз, -NH2, и т. д.) и боковые заместители, в основном, состоящие из алкильных групп.
Следует отметить, что конкретные структурные модели носят чисто иллюстративный характер [9], способствуя при этом познанию ряда особенностей «молекулы угля».
Рис. 2 - Модель Ван-Кревелена (1953 г.) [14]
Похожие работы
... . Вследствие этого может сложиться ситуация, когда ущерб от уменьшения количества туристов может превысить экономическую выгоду от использования ВЭУ, что имеет место, например, в некоторых районах на побережье ФРГ. В странах Западной Европы ветроэнергетика является приоритетным направлением государственной энергетической политики. Для Беларуси ветроэнергетика не является абсолютным новшеством. В ...
... более 20%) и страны СНГ. Глава 2 Экономико-географические особенности размещения топливно-энергетической промышленности. Перспективы развития 2.1 Производство и потребление энергии по регионам. Перспективы развития В последнее десятилетие в развитии мировой энергетики проявились некоторые важные тенденции, которые при неуправляемом течении могут угрожать устойчивости этой сферы. К ...
... , хотя полученные до настоящего времени значения суммарного КПД для реакций, казавшихся весьма перспективными, очень разочаровывают. V. Некоторые общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики Солнечную энергию часто считают беспредельной поскольку она почти повсюду без всякого участия нашей стороны льется мощными ...
... Естественно, что сильная «экозависимость» производства электроэнергии диктует необходимость его диверсификации. В этой связи возникает необходимость комплексного анализа состояния и перспектив дальнейшего развития мировой энергетики, имея в виду возможности ее диверсификации, меры в области сокращения энергопотребления, повышение эффективности производства энергии и минимизацию негативных ...
0 комментариев