Введение к работе
Актуальность работы. Ископаемые угли являются многокомпонентными системами, и соотношение составляющих компонентов определяет их свойства. Существует два основных направления исследования структуры угля. Первое заключается в изучении структуры органической массы угля (ОМУ) физико-химическими методами. Общим постулатом при использовании этих методов является положение о макромолекуле вещества углей, состоящей из конденсированной углерод-углеродной части ароматических образований, которые окружены алифатическими и алициклическими цепями. С возрастанием метаморфизма эти образования уплотняются с увеличением углерод-углеродной центральной части и уменьшением доли алифатических цепочек. Другое направление заключается в разделении ОМУ на фрагменты меньшей молекулярной массы экстракцией различными растворителями и в их качественной и количественной идентификации.
В настоящее время исследования структурной организации углей, во многом определяющей их физико-химические свойства, развиваются в направлении создания структурно-химических представлений о макромолекулах углей разной степени метаморфизма.
В связи с этим, установление закономерностей формирования структуры в процессах метаморфизма в органической массе углей на основе использования современного физико-химического оборудования является актуальным направлением исследования. Результаты физико-химических исследований необходимы для научно обоснованного подбора условий глубокой переработки, получения металлургического кокса, газификации и рационального сжигания углей.
Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию физико-химических характеристик и строения органической массы природных каменных углей Кузнецкого угольного бассейна, в совокупности представляющих практически полный ряд метаморфического превращения.
Для достижения поставленной цели, решались следующие задачи:
Определение свойств углей полным набором методов технического анализа.
Определение элементного состава и петрографических свойств.
Изучение морфологии поверхности и пористой структуры углей.
Изучение молекулярной структуры углей физико-химическими методами: спектроскопия комбинационного рассеивания (КР), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Изучение органических компонентов углей методом дифференциального термического анализа (ДТА) и состава образующихся газообразных продуктов.
Изучение органических компонентов углей методом экстракции полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и установление качественного и количественного состава ПАУ.
Научная новизна работы.
Впервые комплексно и систематически исследованы элементный и петрографический состав, физико-химические, структурные и морфологические свойства углей широкого ряда стадий метаморфизма, включая следующие марки углей Кузнецкого угольного бассейна: Д, ДГ, ГЖО, Ж, К, КС, ОС.
Впервые разработана методика определения индивидуальных представителей класса полициклических ароматических углеводородов в углях, включающая стадию ультразвуковой экстракции данных соединений в органический растворитель и их анализ методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС).
Практическая значимость результатов.
Данные физико-химических исследований состава структуры органической массы углей необходимы для оптимизации процессов производства металлургического кокса, процессов полукоксования, пиролиза, газификации, производства продуктов углехимии и рационального сжигания энергетических марок углей.
Полученные результаты качественного и количественного содержания ПАУ в углях будут направлены для создания научно-обоснованных рекомендаций производственного экологического контроля на промышленных предприятиях, осуществляющих добычу, транспортировку и переработку углей Кузбасса.
Научные положения, выносимые на защиту:
Зависимости основных структурных и морфологических свойств углей по данным СЭМ и порометрии (микроструктуры, удельная поверхность, суммарный объем пор, средний диаметра пор) в системном ряду метаморфизма от длиннопламенного до отощенного спекающегося.
Обобщение комплексных исследований физико-химических и структурных свойств углей в ряду метаморфизма, установленные методами КР-, ЯМР-, ЭПР-спектроскопии.
Разработка научных подходов и методик исследования содержания ПАУ, в ряду углей, с установлением их молекулярных структур.
Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена использованием аттестованных методик, современных физико-химических методов анализа (СЭМ, методы низкотемпературной адсорбции азота и ртутной порометрии, КР-, ЯМР-, ЭПР-спектроскопии, ДТА-ТГ МС, ВЭЖХ, ГХ-МС), подтверждающих и дополняющих друг друга, воспроизводимостью полученных экспериментальных данных, а также теоретическими и экспериментальными исследованиями, опубликованными в рецензируемых журналах ВАК.
Экспериментальная часть работы выполнялась на базе современного лабораторного оборудования Института углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН (г. Кемерово), Центра Коллективного пользования ФИЦ УУХ СО
РАН (г. Кемерово), Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН (г. Новосибирск), аккредитованной лаборатории АО «ЗСИЦентр» (г. Новокузнецк).
Апробация работы. Результаты, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на международных и российских научных конференциях, в том числе: Конференция молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (г. Кемерово, 2014, 2015 г.); Международный Российско-Казахстанский Симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса» (г. Кемерово, 2014, 2015, 2017 г.); Российско-американский академический семинар по проблемам черного углерода (г. Кемерово, 2016 г.); Ежегодная конференция молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН «РАЗВИТИЕ» (г. Кемерово, 2017, 2018 г.); Международный Симпозиум «CARBOCAT VIII» (г. Порту, Португалия, 2018 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 публикаций в рецензируемых научных журналах и периодических изданиях, включенных в перечень ВАК.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке планов исследований, выполнении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов, и подготовке публикаций по теме диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 207 наименований, содержит 36 рисунков, 16 таблиц, 5 приложений.