1.1 Көмірдің физикалық және химиялық құрылымы

Атомдардың негізгі қ ұ рылымдық топтарының кө п рет қ айталануы арқ ылы молекула қ ұ рамы жү здеген, тіпті мың дағ ан атомдардан қ ұ ралатындық тан, қ азба кө мірлерді қ асиеттері бойынша жоғ ары молекулалы қ осылыстарғ а жатқ ызуғ а болады.

Ө зара басты валенттік кү штермен байланысқ ан бір ғ ана ү лкен молекула қ ұ райтын атомдардың негізгі қ ұ рылымдық топтары туралы ұ ғ ым кө мірлердің макромолекулалық қ ұ рылымын қ арастыруда негіз болып табылады. Ө з кезегінде ү лкен молекулалар физикалық тартылыс кү штерімен ө зара байланысқ ан бө лшектерді тү зе екінші дә режедегі қ ұ рылымдарды тү зеді.

Кө мірлердің негізгі тармақ тарының қ ұ рылысы бү йірлерінде алифатты тізбектер мен қ ұ рамында оттек бар топтардан қ ұ ралғ ан конденсирленген ароматты жү йелер арқ ылы сипатталады.

Кө мірлердің органикалық заттарының жоғ ары молекулалы табиғ аты жайындағ ы гипотеза кө мірдің кө птеген поликонденсирленген шайырлар сияқ ты ерімейтін жә не балқ ымайтын кү йде болатындығ ына негізделеді. Сонымен бірге кө мірлердің пластикалық қ асиеттері мен пластикалық кү йдегі жоғ ары тұ тқ ырлығ ы олардың жоғ ары молекулалы қ осылыстарғ а жататындығ ын дә лелдейді. Кө мірлердің молекулалық салмағ ы 2500 жоғ ары болады.

Жалпы кө мірдің қ асиетін физикалық жә не химиялық қ ұ рамын толық тай зерттеу арқ ылы анық тайды.

Кө мірдің негізгі физикалық қ асиеттеріне тығ ыздығ ы, кеуектілігі, беріктігі, серпімділігі, соқ қ ығ а тө теп бергіштігі жатады. [5]. Кө мірдің оптикалық қ асиеттеріне тү сі, жылтырлығ ы, шашыратқ ыш қ абілеттілігі, сынуы, адсорбция жә не сә улелену дефракциясы жатады. Сондай-ақ кө мірлер электрлік, магниттік (электр ө ткізгіштігі, диэлектрлік тұ рақ тылығ ы, диамагтиттік қ абілеттілігі, парамагниттік резонанс) жә не химиялық қ асиеттерімен (жылу ө ткізгіштігі, меншікті жылу сыйымдылығ ы. Қ ыздырғ анда созылмалығ ы) сипатталады.

Кө мірдің физикалық қ ұ рылымы тармақ талғ ан кү рделі қ ұ рылымды молекулалардың орналасу ретін кө рсетеді. Кө мірдің барлық физикалық қ асиеті ә ртү рлі процестің жү ру тә ртібі жә не қ ыздырғ ан кездегі ө згерісі физикалық қ ұ рылымғ а байланысты. Кө мірдің химиялық қ ұ рылымының бір ғ ана корбанизация процесін алып қ арасақ, ұ қ састығ ына қ арағ анда айырмашы-лық тары айқ ынырақ білінеді. Ал физикалық қ ұ рылымы керісінше ұ қ састығ ын кө рсетеді. Кө мірдің кө птеген физикалық параметрлерінің ө згерісі тә жірибе жү зінде жү зеге асырылғ ан. Тә жірибе барысында кө мірді майдалап ү гіту кезінде беріктігі, серпімділігі, соқ қ ығ а тө теп бергіштігі жә не кеуектілігі маң ызды болып саналады, ө йткені кеуектің бос кө лемі ә ртү рлі процестегі кө мірдің қ асиетіне елеулі ә сер етеді.

Кө мірдің химиялық қ ұ рамын зерттеу жү з жылдам астам уақ ыт бойына зерттеу нысаны болуда. Кө птеген физикалық -химиялық жә не химиялық ә дістерді қ олданып кө мірдің органикалық массасы жайында кө птеген мағ лұ маттар алуғ а болады. Ә сіресе Р. М. Давидсонның [6] соң ғ ы жинақ тамасында нә тижелі қ орытынды берілген.

Ә р тү рлі технологиялық процестер ү шін кө мір шикізатын бағ алауда оның органикалық массасының қ ұ рылымы мен химиялық қ асиетін ескерудің маң ызы зор, себебі кө мірдің реакциялық қ абілеттілігі осы факторлармен айқ ындалады.

Кө мірлердің элементтік қ ұ рамы органикалық масса мен бейорганикалық массадан тұ рады. Кө мірдің органикалық массасына кө міртек, сутек, оттек, кү кірт, азот кіреді. Ал кө мірдің бейорганикалық массасын минералды заттар мен су қ ұ райды [7].

Кө мірдің тү зілуі биохимиялық жә не геологиялық процестердің нә тижесінде жү реді жә не қ оң ыр кө мірдің, тас кө мірдің, антрациттің тү зілу сатыларына жіктеледі [8]. Кө мірлену сатысына қ арай кө мірлердің элеметтік қ ұ рамы біршама ерекшеленеді (2-кесте).

2-кесте - Кө мірлердің қ ұ рамы

Кө мір Тү рі	Кө мірдің органикалық массасы, мас. %			S^daf, Кү кірт, мас. %	W^a, Ылғ ал, мас. %	A^daf, Кү л, мас. %	Ұ шқ ыш заттар шығ ымы, мас. %	Жоғ ары жану жылуы, кДж/кг
Кө мір Тү рі	С	Н	О+N	S^daf, Кү кірт, мас. %	W^a, Ылғ ал, мас. %	A^daf, Кү л, мас. %	Ұ шқ ыш заттар шығ ымы, мас. %	Жоғ ары жану жылуы, кДж/кг
Қ оң ыр	70, 0	5, 5	24, 5	2-3	5-50	4, 0	45-55	25 550
Тас	82, 0	5, 0	13, 0	2-6	3-8	6, 0	8-50	33 920
Антрацит	95, 0	2, 0	3, 0	1-2	1-3	6, 0	8, 0	33 500

2-кестеде кө рсетілгендей қ оң ыр кө мірден антрацитке дейін кө мірлену сатысында кө міртектің массалық ү лесі 70-тен 95 мас. %-ғ а дейін ө седі, ал сутектің, оттек пен азоттың мө лшерлері 5, 5-тен 2, 0 мас. %-ғ а дейін кемиді. Кө мір қ ұ рамындағ ы сутек кө міртекпен, оттекпен, кү кіртпен, азотпен байланысқ ан. Оттек карбоксильді, гидроксильді, карбонильді, эфирлі топтардың қ ұ рамына кіреді. Карбоксильді топтардың саны кө мірдің метаморфизм сатысына тә уелді кемиді де, тас кө мірлердің қ ұ рамында болмайды. Ұ шқ ыш заттардың шығ ымы қ оң ыр кө мірлерден антрацитке қ арай тө мендейді. Кү кірттің мө лшері 1-6 мас. % шамасы аралығ ында болады. Кө мір қ ұ рамындағ ы кү кірт органикалық, сульфидті, сульфатты болып жіктеледі.

Кө птаннажды ө неркә сіптік пиролиз, гидрогендеу, газдандыру процестерінде кө мірлердің органикалық массаларын максималды пайдалану мақ сатында, кө мірдердің химиялық қ ұ рылымын, функционалды топтарды, байланысқ ан конденсирленген ароматты ядролар мен бү йір радикалдарды терең зерттеулерден ө ткізу қ ажет. Қ азіргі физикалық -химиялық ә дістерді (ИК- жә не ЯМР-спектроскопия, ренгенструктуралық талдау, сусыз ерітінділердегі полярография, молекулалы спектрлі талдау, гель-хромотография) пайдалану арқ ылы кө мір молекуласының химиялық қ ұ рылымын зерттеу аса жоғ ары нә тижелер беруде. Кө мірдің органикалық массасының негізгі компонеттері кө мірсутектерден, лигниндерден, ақ уыздардан, балауыздар мен шайырлы заттардан тұ рады. Кө мірдің органикалық массасының элементті анализіне кө міртек, сутек, оттек жә не кү кірт кіреді.

ОС маркалы витриниттің ИК-спектрінде С-Н ароматты жә не алифатты топтардың, ароматты > С=С< байланыстардың жұ тылу сызық тары байқ алады. Сондай-ақ, С-О-С, -ОН, С-О, С=О топтарына тә н жұ тылу сызық тары бар.

[9, 10]-жұ мыста кө мірлердің химиялық қ ұ рылымы ароматты емес байланыстармен байланысқ ан поликонденсирленген сақ иналардан тұ рады. Кө мірлерді корбанизациялау процесінде ароматты емес қ ұ рылымдардың мө лшері азаяды. Кө мірдің метомарфизм дә режесінің ө суімен поликонденсация процесі белсенді жү ріп, кө мір ө ң деу процесіне қ ажетті маң ызды негізгі сипаттамаларын иілгіштік, ерігіштік жә не т. б. қ асиеттерін жоғ алтады.

Қ атты жанғ ыш қ азбалардың топтық қ ұ рамын анық тау – зерттеудің дә стү рлі ә дісі. Топтық талдау ә дісі шымтезек пен кө мірді ә ртү рлі еріткіштерде ерігіштігі бойынша бө луге негізделген. Олар келесі талаптарғ а жауап беруі қ ажет: ә рбір еріткіш химиялық табиғ аты бір-біріне жақ ын заттарды бө ліп шығ аруы керек жә не ол толығ ымен жұ мсалуы кажет. Топтық анализ қ атты жанғ ыш қ азбалардан келесі топтық заттарды: липоидтер, моносахаридтер жә не полисахаридтер, гумин қ ышқ ылдары жә не т. б. бө ліп алудан тұ рады.

Кө мір қ ұ рамындағ ы ылғ алдың, минералды қ оспалардың жә не ұ шқ ыш заттардың шығ ымын анық тау, олардың қ ұ рамы мен технологиялық тұ рғ ыдан қ ұ ндылығ ы жайындағ ы мағ лұ маттарды береді.

Кө мір қ ұ рамы органикалық массасынан басқ а ылғ ал мен минералды қ оспалар: ә ртү рлі формадағ ы кү кірт пен фосфор қ осылыстары кіретін минералды бө ліктен тұ рады.

Ылғ ал кө мірлердің негізгі компоненттерінің бірі болып табылады жә не оның мө лшері кө мір тү ріне қ арай ә ртү рлі болады. Тас кө мір мен антрацитке қ арағ анда қ оң ыр кө мірлерде ылғ ал мө лшері жоғ ары. Оның себебі қ оң ыр кө мірлерде полюсті функционалды топтар (-ОН, СООН) мө лшері жоғ ары болып, донорлы-акцепторлы байланыстардың ә серінен ылғ ал мө лшерін арттырады.

Кө мір қ ұ рамындағ ы ылғ алды сыртқ ы жә не ішкі (гигроскопиялық ) ылғ ал деп бө леді. Сыртқ ы ылғ ал ауада булану ә серінен жең іл бө лінеді де, қ алғ ан кө мір салыстырмалы тү рде қ ұ рғ ақ (t = 20 ⁰С жә не ауа ылғ алдылығ ы 65 % жағ дайында) деп аталады. Тү йіршіктерінің мө лшері 0, 2 мм кіші қ ұ рғ ақ кө мірдегі ылғ ал мө лшері (гигроскопиялық ылғ ал) «зертханалық » немесе «аналитикалық » ылғ ал W^a деп аталады. Сондық тан:

= + W ^a

Ылғ алды байланысу тү рі мен беріктігіне қ арай келесі топтарғ а бө леді:

1. кристалдық тордың белгілі бір компоненті ретінде минералды қ оспалардың қ ұ рамына кіретін гидраттық су (мысалы, гипсте CaSO₄·3H₂O);

2. беттік энергияның ә серінен туындайтын осмостық қ ысым кү штерімен байланысатын капиллярлы су;

3. кеуек қ ұ рылымдардың аралығ ыда донорлы-акцепторлы ә серлесулердің нә тижесінде ұ сталынып қ алатын адсорбциялық су;

4. моноқ абаттағ ы адсорбцияланғ ан судан кейінгі бө лікте болатын бос су.

Кө мірдегі ылғ ал балласт болып табылады жә не кө мірдің беттік сипаттамалары мен органикалық массасының реакциялық қ абілеттілігіне ә серін тигізеді.

Кө мірдің қ ұ рамындағ ы барлық жаң ғ ыш бө лігі толығ ымен жанып болғ аннан кейінгі бө лігін кү л қ ұ райды.

Кө мір кен орнының геологиялық ерекшеліктеріне қ арай оның қ ұ рамында ә ртү рлі мө лшерде тау жыныстары мен минералдар кездеседі. Бұ л қ осылыстарғ а Al, Fe, Ca, Mg, Na, К силикаттары, карбонаттар (СaCО₃, MgCO₃, FeCO₃ и т. д. ), сульфаттар (СaSO₄, FeSO₄, Al₂(SO₄)₃ жә не т. б. ) тотық тар (FeO, CaO и т. д. ), сульфидтер (FeS₂), сондай-ақ органоминералдар – гумин қ ышқ ылдарының тұ здары (гуматтар) жатады.

Кө мір қ ұ рамында микроэлементтер де кездеседі (мысалы Ge, W, Be, U, Se, Zn, Mo, Re, Ag, As, Sb, Pb).

Кө мір қ ұ рамындағ ы минералды компоненттері шартты тү рде ү ш топқ а бө луге болады: біріншісі – кейбір жеке минералды компоненттері байыту ә дісі арқ ылы бө лінетін дө рекі қ оспалар, екіншісі – арнайы байыту ә дісін қ олдануды қ ажет ететін ұ сақ дисперсті қ оспалар, ү шіншісі – байыту ә дісі арқ ылы бө лінбейтін, органикалық массасымен химиялық байланыстармен байланысқ ан қ оспалар.

Минералды компоненттер кө мірдің физика-химиялық қ асиеттеріне едә уір ә серін тигізеді:

1. метаморфизм қ атарында кө мірдің органикалық массасы қ ұ рылымының ө згерісіне микроэлементтер катализатор ретінде қ атысады;

2. кө мір қ ұ рамындағ ы минералды компоненттердің мө лшерінен гидрогендеу, кокстеу, газификациялау сияқ ты ө ң деу процестерінің тиімділігі мен алынатын ө німдердің сапасы тікелей тә уелді болады.

3. минералды компоненттер химиялық жә не спектроскопиялық зерттеу нә тижелеріне де ә серін тигізеді.

Кү кірт – кө мір қ ұ рамындағ ы зиянды ә сері кө п қ оспалардың бірі. Кү кірт домна пештерінде технологиялық отынның шығ ындалуына ә келеді, себебі қ осымша флюстерді енгізуді қ ажет етеді.

Барлық жанғ ыш қ азбалар С, Н, О, N, S бар қ осылыстардан қ ұ ралады. Кө мірдің қ ұ рамындағ ы азот мө лшері 3-4 % аспайды, кө п жағ дайда 1 % қ ұ райды. Кө мір қ ұ рамындағ ы азот мө лшерін анық таудың стандартты ә дісі азот қ ұ рамды қ осылыстарды кө мір тотық қ анша кө мірдің ү лгісін концентрлі кү кірт қ ышқ ылымен қ айнату арқ ылы аммоний сульфатына айналдыруғ а негізделген.

Табиғ атта қ ұ рамында кү кірті жоқ кө мір кездеспейді. Кө мірдің қ ұ рамындағ ы кү кірт мө лшері 10 % дейін болады жә не ол келесі формада кездеседі: сульфатты, пиритті, органикалық жә не элементті. Кө мірді механикалық байыту кезінде кө мір қ ұ рамындағ ы жалпы кү кірт мө лшерінің 18-20 % тө мендейтіні практика жү зінеде дә лелденген. Кү кірт мө лшері ең жоғ ары кө мірлерді кү кіртсіздендіру 0, 3-0, 4 % аспайды. Бұ ның себебі кө мір қ ұ рамындағ ы пирит ө те ұ сақ талғ ан дисперсті кү йде болады. Кө мірді тиімді кү кіртсіздендіру ү шін химиялық ә сер ету ә дістерін қ олдану қ ажет [10].

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒