Изменение структур углей в процессе метаморфизма

По данным структурных методов органическая масса углей характеризуется наличием как аморфных, так и кристаллических составляющих. Доля кристаллических растёт с метаморфизмом. Их образование связывают с ростом плоских ароматизированных фрагментов (ламелей) за счёт дегидрирования алициклических колец, за счёт дегидроциклизации алифатических фрагментов и реакции конденсации с постепенным ориентированием этих фрагментов, образующих пачки из нескольких углеродных слоёв. Малометаморфизованные угли (С менее 80-85%) характеризуют преимущественно коллоидной, а не кристаллической структурой, потому что они хорошо набухают в органических растворителях. По мере углефикации растёт доля ароматического углерода, атомы полимерного каркаса, которые имеют избыточные положительные или отрицательные заряды, взаимодействуют друг с другом, образуя донорно-акцепторные связи. Так постепенно образуются пачки ламелей, диаметр которых увеличивается, особенно при содержании углерода более 90%, при это мостики укорачиваются, становятся всё более прочными, а функциональные группы элиминируются, остаются только саамы стабильные (фенольные группы, метильные), изменяется соотношение двух фаз: полимерного каркаса и подвижной экстрагируемой фазы. В субвитаминозных углях в подвижную фазу входят от 18-25 всего водорода органической массы углей, а битуминозном порядка 10%. По элементному составу изменение прежде всего отношения Н/С и О/С в результате выделения газообразных продуктов С02 и Н20 и дегидрирования, деалкилирования, ароматизации и процессов, которые приводят к развитию полисопряжённых структур.

Надмолекулярное строение углей – совокупность пространственного расположения молекул различной величины относительно друг друга в твёрдом теле угля. Надмолекулярная величина устанавливается по величине межмолекулярных взаимодействий. Энергия межмолекулярного взаимодействия равна той энергии, которая необходима для перехода заданного количества вещества из твёрдой фазы в газообразную. Для углей эта энергия сравнима с энергией отдельных химических связей, поэтому молекула, как правило разлагается раньше чем она может сублимировать. Характер межмолекулярных взаимодействий также меняется с метаморфизмом. В молодых углях это, прежде всего водородные связи из-за наличия гетеро отрицательных атомов. В высокометаморфизованных углях гетероатомы практически отсутствуют и взаимодействие между гетероароматическими кластерами носят Вандер-Ваальсовый характер. Энергия их взаимодействия возрастает с ростом взаимной ориентации.

Лекция №7

Структуры:

- молекулярная

- надмолекулярная (для полимеров) – взаимное расположение в пространстве и характер взаимодействия между структурными эллементами, образующими макроскопическое тело.

- пористая – геометрические размеры дискретных эллементов над молекулярное организации варьируют от единиц десятков до сотен нано-метров. От 1 до 10 фиксируем на рентгеновском уровне. А на эллектронномикроскопическом фиксируем сотни нанометров. Предпринята попытка схематически показать строение углей в ряду углефикации на разных уровнях.

Надмолекулярная организация углей низкой стадии метаморфизма представляются в виде диформированныхкристалло – подобных слоев. С некоторой азимутальной упорядоченностью в плоскости параллельной на пластовании угля. Эта структура обладает низкой подвижностью эллементовзасчет многочисленных связей сшивок. В процессе метаморфизма наблюдается стягивающее действие аморфных боковых цепей приводит к складыванию структурных эллементов. Складчатая структура – Г угли. За счет складывания образуется пористость. Процесс складывания приводит к усилению взаимодействия соседних участков кристало подобных слоев, что способствует разрыву этих слоев в местах сильного перегиба и образованию радикалов.

Для углей средней стадии метаморфизма реализуются процессы рекомбинации радикалов и концевых групп, и происходит глобулярных систем. Упаковка глобул в объеме для угля с содержанием 88% углерода наблюдается плотная упаковка глобул в микро- объеме. Между ними реализуется Ван – дер – Ваальс. С Увеличением содержания углерода идет постепенное удаления из органической массы складчатых структур за счет их глобулизации. Форма глобул постепенно приближается к сферической, что способствует увеличению размеру молекулярных и микро пор.

Содержание углерода 91,8% появляется текстура. Текстура- преимущественная ориентация кристалитов, которая приводит к анизатропии свойств материала. Углеродные пакеты становятся ассиметричными. Увеличивается степень ароматичности. Упаковка глобул преимущественно парная. Форма глобулы. При переходе с средней стадии метаморфизма к углям марок ОС и Т – это примерно 93 – 94% углерода. Форма пор становится цилиндрическойпоскольку над молекулярной организации имеют вытянутую палочко – образную форму. На этом этапе происходит процесс образование фибрилярнойорганизациию. Фибрила – образующиеся длинные волокна или слои. В следствии чего подвижность структутрных элементов снижается. Наиболее совершенная фибрилярная надмолекулярная организация у антрацита с содержанием углерода около 96% углерода. Молекулярная структура такого антрацита характеризуется минимальными межъядерными расстояниями.