КІРІСПЕ

Көмір келешекте энергия көзі ғана болып қоймай, құнды химиялық шикізатқа айналары сөзсіз. Бүгінгі таңда алдыңғы қатарлы әлем елдерінде көмірді терең өңдеудің жаңа технологияларын жасау, көмірдің химиялық және энергетикалық потенциалын неғұрлым толық пайдаланатын процестердің негізін қалау, әр процестің көрсеткішін жақсарту жұмыстары қарқынды жүргізілуде.

Көмірді зерттеу әдістерінің ішіндігі маңыздылардың бірі – еріту немесе экстракциялау процесі. Бүгінгі таңда көмірді экстракциялау арқылы көмірсутекті шикізат алудың және жасанды сұйық отындар өндірудің экономикалық тұрғыдан тиімді технологиялық жұмыстары бірнеше мемлекетте жүргізілген. Бұл бағыт көмірден сұйық өнімдер алуға және оның құрамын зерттеуге негізделген. Көмірге экстракциялау процесін қолдану арқылы әртүрлі көмірсутекті шикізат пен химиялық өнімдер алуға болады. Сол себепті көмірді әртүрлі еріткіштерде ерітіп көмірсутектік құрамын зерттеудің маңызы зор.

Дипломдық жұмыста Ой-Қарағай кен орыны көмірін әртүрлі еріткіштерде ерітіп, көмірсутекті шикізаттарды жоғары критикалық жағдайда: қысым және температура әсерінен алу процесі жүргізілді. Экстракциялау процесінен алынған көмірсутекті шикізаттардың топтық құрамы зерттелді. Көмірсутекті шикізат өнімдерінің еріткіш табиғатына байланысты ерекшеленетіндігі дәлелденді.

Жүргізілген ғылыми-зерттеу жұмысында әртүрлі еріткіш көмегімен экстракциялау процесін жүргізіліп, жоғары мөлшерде көмірсутекті шикізат өнімдері алынатыны анықталды.

Дипломық жұмыстың мақсатына Ой-Қарағай кен орыны көміріне экстракциялау процесін қолданып, көмірсутекті өнімдер алу және жүргізілген процестің принципиалды, технологиялық сызбанұсқаларын құрастыру жатады.

Дипломдық жұмыстың мақсатына қарай келесі міндеттер қойылды:

• көмірлердің түзілу кезеңдері, құрамы, құрылысы, көмірдің әртүрлі еріткіштерде еруі жайында әдеби деректерді жинастыру;

• Ой-Қарағай кен орыны көмірінің құрамын физикалық-химиялық әдістермен зерттеу;

• зерттеуге алынған бастапқы көмірді механикалық өңдеу және экстракциялау процесін жүргізу;

• экстракциялау процесінен алынған сұйық өнімдердің топтық көмірсутектік құрамын физикалық-химиялық әдістермен зерттеу.

Дипломдық жұмыстың көлемі мен құрылымы. Жұмыс кіріспеден, зерттеу тақырыбы бойынша әдебиеттерге шолудан, тәжірибе жүргізу әдістемелерінен, тәжірибелік бөлімнен, қорытындыдан және қолданылған әдебиеттер тізімінен құралады.

Кіріспеде жұмыстың міндеттері мен мақсаты айқындалып, тақырыптың өзектілігі көрсетіліп, зерттеу бағытын таңдау тұжырымдалған. Бірінші бөлімде көмірлердің түзілу кезеңдері, көмірдің физикалық және химиялық құрылымы, көмірдің молекулалық моделі, көмірлерді әртүрлі еріткіштермен өңдеуі және көмірдің еруі бойынша әдеби деректер жинастырылған. Екінші бөлімде зерттеу нысандарының сипаттамалары мен тәжірибені жүргізу әдістемелері келтірілген. Үшінші бөлімде зерттеу нәтижелері мен оларды талдау, ал қорытындыда жұмыстың негізгі нәтижелерін жинастыру мен сараптау келтірілген.

1. Әдеби шолу

1.1 Көмірлердің түзілу кезеңдері

Көмірлердің түзілуі жайындағы мәліметтерді білудің маңызы өте зор. Себебі бұл мағлұматтар оларды генетикалық және өнеркәсіптік ситаттауға негіз болады. Ең алғаш көмірлердің өсімдіктердің қалдықтарынан түзілгендігін М.В. Ломоносов айтқан болатын [1]. Көмір түзілуінің бірінші сатысында өсімдіктер шымтезекке айналған, бұл жағдайда материалда гумин қышқылдары жинақталған. Бұл процесс гумификация деп аталады. Өсімдік қалдықтары тереңдеген сайын ауа қатысынсыз газ тәріздес өнімдер түзе айрылу процесіне (шірінді түзе ащу) түседі. Осы процестің нәтижесінде сапропель түзіледі.

Екінші саты – шымтезектің көмірге айналуы – шымтезек қабаты мерзімді сумен шайылуы нәтижесінде минералды шөгінділермен жабылуы әсерінен жүрді. Әртүрлі жағдайға байланысты (судың тұздылығына, су қоймаларының тереңдігіне, аэрация жүру салдарынан) аэробты (оттегі қатысында) және анаэробты (оттегі қатысынсыз) микроорганизмдердің әсері дами түседі. Анаэробты микроорганизмдер қоректенетін орта жағдайында көмір қабаттары қалыңдаған сайын өздерінің әсерін одан әрі дамыта түсетіні белгілі.

Екінші сатының барлық өзгерістері оттек мөлшерінің азаюына және көміртек мөлшерінің артуына алып келеді. Шымтезектің көмірге айналуы және көмірдің ары қарай өзгерістері көмірлену немесе көміртектену деп аталады.

Алайда, көмірдің түзілуі күрделі табиғи процестердің жиынтығы болғандықтан және бұл процестерге климат, температура, қысым, уақыт пен тағы басқа көптеген факторлар әсерін тигізетіндіктен, көмірлердің пайда болуы жайындағы теориялық мағлұматтар химиялық, микробиологиялық және геологиялық болып бөлінеді. Әр түрлі көмірлердің түзілуінде органикалық заттардың қандай компоненттері бастапқы материал болып табылатындығы жайындағы теориялық мәліметтер әлі күнге дейін нақты қалыптасқан емес. Көмірдің түзілуінің жалпы сызбанұсқасы келесі түрде сипатталады [2]:

Шымтезек

Бастапқы 2

органикалық Қоңыр көмір

материал 3

1 тас көмір антрацит графит

4 5 6

Өсімдіктердің құрамына целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, шайырлы заттар, майлар, ақуыздар, көмірсулар, пектинді заттар кіретіні белгілі. 1-кестеде көмірдің түзілуіне қатысатын өсімдіктер компоненттерінің элеметтік құрамы келтірілген.

1-кесте - Көмірдің түзілуіне қатысатын өсімдіктер компоненттерінің элементтік құрамы (%)

Компонент	С	Н	О	Компонент	С	Н	О
Балауыздар	81	13,5	5,5	Ақуыздар	53	7	22
Шайырлар	79	10	11	Целлюлозалар	44	6	50
Майлар	76-79	11-13	10-12	Пектиндер	43	5	52
Лигниндер	63	6	31

Балауыз құрамына жоғары молекулалы май қышқылдарының күрделі эфирлері мен жоғары алифатты спирттерден басқа С₂₄–С₃₄ қышқылдар, С₂₄–С₃₄ спирттер мен кей жағдайда көмірсулар кіреді. Өсімдікте балауыз – өзінің құрамы мен құрылысын сақтайтын және микроорганизмдер әсеріне берік қатты заттар. Мұндай заттар қоңыр көмірлердің құрамында кездеседі.

Шайырлар – бір атомды спирттер мен қышқылдардан құралған күрделі эфирлер. Мұндай заттар қанықпаған полиизопренді құрылымды және полимерлену мен тотығуға қабілетті болғандықтан, ерігіштігі кеміп, молекулалық массалары артып, балқымайтын қосылыстарға айналады. Шайырлар жеңіл тотығады, полимерленеді және осы жағдайда қатты күйге ауысады. Олар негізінен бір бөлігі ароматты сипаттағы тұйық тізбекті қосылыстардан құралады.

Майлар – глицерин мен жоғары молекулалы қаныққан және қанықпаған қышқылдардың күрделі эфирлері. Майлар жеңіл гидролизденеді және микроорганизмдер әсерінен өзгереді, ал қанықпаған қышқылдар полимерлер түзе тотығады.

Ақуыздар немесе протейнді заттар күрделі химиялық қосылыстарға жатады. Бұл қосылыстардың құрамына көп мөлшерде күкірт пен азот кіреді. Ақуыз макромолекуласы құрылымының сызба-нұсқасын келесідей сипаттауға болады: ( )_n, мұнда жақша ішінде қарапайым құрылымды бірлік белгіленген, ал n – макромолекуладағы құрылым бірліктерінің саны, бұл шама өте жоғары болуы мүмкін, себебі әртүрлі ақуыздардың молекулалық салмақтары 17 000 – 6 800 000 аралығында болады. Ақуыздар – коллоидты қасиетке ие жоғары молекулалы қосылыстар. Ақуыздар өсімдіктердің құрамындағы моносахаридтермен байланысып, аминоқышқылдарды түзе гидролизденеді.

Целлюлоза – құрамы күрделі сызықты құрылымды көмірсулар. Қысым мен температура әсерлеріне тұрақты келеді, алайда ферменттер әсеріне тез ұшырайды. Гемицеллюлоза – гидролизге оңай ұшырайтын, қышқыл мен сілтілерде еритің көмірсулар қатарына кіретін қосылыстар. Бұл гетерополисахаридтер гидролизденгенде целлюлоза сияқты глюкоза емес, моноза, фруктоза, галоктоза және урон қышқылдарын түзеді.

Пектинді заттар өсімдік жасушалары қабырғаларынның механикалық беріктігін арттырады және минералды қышқылдармен оңай гидролизденеді. Гидролиз өнімдерінің құрамындағы карбоксильді топтар магний және кальций тұздары мен метил эфирлері түрінде болады. Өсімдік жасушалары қабырғаларының механикалық беріктігі олардың құрамында лигниннің болуымен де түсіндіріледі. Лигниндердің целлюлозадан айырмашылығы олар гидролизденбейді, химиялық реагенттерге берік, органикалық еріткіштер мен суда ерімейді. Лигниндер құрамы ароматты қосылыстардан құралған ретсіз құрылымды полимерлерге жатады. Бұл қосылыстардың құрамында оттек, карбоксильді және гидроксильді топтар, ал ароматты қосылыстар құрамына метокси топтар кіреді және олар өзара пропильді топтармен байланысады. Лигниндердің молекулалық массасы 700-ден 6000 аралығында болады және олардың химиялық беріктігі гумин қышқылдарының жинақталуымен түсіндіріледі [2].

Сонымен, көмірдің түзілу процесі барысында химиялық берік компоненттер түзіліп, ал беріктігі нашар компоненттер бұл процестерде ыдыраудың жартылай өнімдері ретінде қатысады.

Органикалық заттардың шымтезекке айналуы химиялық реакциялар мен бактериялардың әрекетінен болатындықтан, биохимиялық көмірлену деп аталады. Шымтезектің қоңыр көмірлер түзе антрацитке айналуы көмірлену деп аталады. Көмірлену дәрежесі тығыздықтарының артуымен, С, О, Н мөлшерінің өзгеруімен және ұшқыш заттардың бөлінуімен сипатталады. Температура артқан сайын көмірлену процесі артады, ал қысым осы жағдайларда жүретін химиялық реакцияларды баяулатады.

Көмірдің негізгі петрографиялық сипаттамаларына метаморфизм дәрежесі, петрографиялық құрамы мен тотықсыздану дәрежесі жатады. Метаморфизм – жер қыртысында көмірдің органикалық заттарының өзгерісі. Метаморфизм жағдайында органикалық көмір затының физикалық қасиеттері, химиялық құрамы мен ішкі молекулалық құрылымы біртіндеп өзгеріске ұшырайды [3].

Көмірлердің негізгі петрографиялық сипаттамаларына метаморфизм дәрежесі, петрографиялық құрамы мен тотықсыздану дәрежесі жатады. Көмірлердің органикалық массасының жер қойнауындағы өзгерістері метаморфизм деп аталады. Метаморфизм жағдайында көмірдің органикалық заттарының физикалық қасиеттері, олардың химиялық құрамы мен ішкі молекулалық құрылысы үнемі өзгерісте болады. Петрографиялық зерттеу әдістерін екі топқа бөліп қарасытырады:

1. Көмірлерді жалтырауы (жалтырайтын, жартылай жалтырайтын, күлгін), құрылысы (біртекті, теңбіл, штрихталған), құрылысының түзілуі (массивті, қатпарланған, түйіршіктелген) және жарылу жүйесі (экзокливаж, эндокливаж) бойынша макроскопиялық сипаттайды.

2. Шағылысқан жарықта жалтыраған көмір бетін – аншлифтерді немесе өтіп кететін жарықта жұқа шлифтерді бақылау арқылы көмірлерді микроскопиялық зерттеу. Соңғы кездері бір сынаманы ғана алып, өтіп кететін, шағылысатын және комбинирленген жарықта мөлдір жалтыраған шлифтерді зерттеу әдісі жасап шығарылған.

Көмірлердің петрографиялық құрамы микрокомпоненттері (мицералдар), микролитотиптері (микроингредиенттері) және литотиптері (ингредиенттері) бойынша ерекшеленеді. Түрлі физика-химиялық әдістермен көмірлердің құрылысын зерттеу, көмір макромолекуласының құрылымы әртүрлі болатындығын көрсеткен. Төрт макроскопиялық ерекшеліктері бар генетикалық түрлерден тұратын гумусты көмірлер үшін қазіргі кезеңдегі қалыптасқан жүйе ұсынылған: витрен мен дюрен жалтыраған көмірлер үшін, кларен күңгірт көмірлер үшін және фюзен жұмсақ қосылыстар үшін.

ТМД елдерінде қабылданған жүйе бойынша гумусты көмірлер үшін микрокомпоненттерді, әрқайсысы морфологиялық салыстырғанда біртекті витринит, фюзинит және лейптенит топтарына бөледі [2-4].