1. Көмірдің физикалық және химиялық құрылымы

Атомдардың негізгі құрылымдық топтарының көп рет қайталануы арқылы молекула құрамы жүздеген, тіпті мыңдаған атомдардан құралатындықтан, қазба көмірлерді қасиеттері бойынша жоғары молекулалы қосылыстарға жатқызуға болады.

Өзара басты валенттік күштермен байланысқан бір ғана үлкен молекула құрайтын атомдардың негізгі құрылымдық топтары туралы ұғым көмірлердің макромолекулалық құрылымын қарастыруда негіз болып табылады. Өз кезегінде үлкен молекулалар физикалық тартылыс күштерімен өзара байланысқан бөлшектерді түзе екінші дәрежедегі құрылымдарды түзеді.

Көмірлердің негізгі тармақтарының құрылысы бүйірлерінде алифатты тізбектер мен құрамында оттек бар топтардан құралған конденсирленген ароматты жүйелер арқылы сипатталады.

Көмірлердің органикалық заттарының жоғары молекулалы табиғаты жайындағы гипотеза көмірдің көптеген поликонденсирленген шайырлар сияқты ерімейтін және балқымайтын күйде болатындығына негізделеді. Сонымен бірге көмірлердің пластикалық қасиеттері мен пластикалық күйдегі жоғары тұтқырлығы олардың жоғары молекулалы қосылыстарға жататындығын дәлелдейді. Көмірлердің молекулалық салмағы 2500 жоғары болады.

Жалпы көмірдің қасиетін физикалық және химиялық құрамын толықтай зерттеу арқылы анықтайды.

Көмірдің негізгі физикалық қасиеттеріне тығыздығы, кеуектілігі, беріктігі, серпімділігі, соққыға төтеп бергіштігі жатады. [5]. Көмірдің оптикалық қасиеттеріне түсі, жылтырлығы, шашыратқыш қабілеттілігі, сынуы, адсорбция және сәулелену дефракциясы жатады. Сондай-ақ көмірлер электрлік, магниттік (электр өткізгіштігі, диэлектрлік тұрақтылығы, диамагтиттік қабілеттілігі, парамагниттік резонанс) және химиялық қасиеттерімен (жылу өткізгіштігі, меншікті жылу сыйымдылығы. Қыздырғанда созылмалығы) сипатталады.

Көмірдің физикалық құрылымы тармақталған күрделі құрылымды молекулалардың орналасу ретін көрсетеді. Көмірдің барлық физикалық қасиеті әртүрлі процестің жүру тәртібі және қыздырған кездегі өзгерісі физикалық құрылымға байланысты. Көмірдің химиялық құрылымының бір ғана корбанизация процесін алып қарасақ, ұқсастығына қарағанда айырмашы-лықтары айқынырақ білінеді. Ал физикалық құрылымы керісінше ұқсастығын көрсетеді. Көмірдің көптеген физикалық параметрлерінің өзгерісі тәжірибе жүзінде жүзеге асырылған. Тәжірибе барысында көмірді майдалап үгіту кезінде беріктігі, серпімділігі, соққыға төтеп бергіштігі және кеуектілігі маңызды болып саналады, өйткені кеуектің бос көлемі әртүрлі процестегі көмірдің қасиетіне елеулі әсер етеді.

Көмірдің химиялық құрамын зерттеу жүз жылдам астам уақыт бойына зерттеу нысаны болуда. Көптеген физикалық-химиялық және химиялық әдістерді қолданып көмірдің органикалық массасы жайында көптеген мағлұматтар алуға болады. Әсіресе Р. М. Давидсонның [6] соңғы жинақтамасында нәтижелі қорытынды берілген.

Әр түрлі технологиялық процестер үшін көмір шикізатын бағалауда оның органикалық массасының құрылымы мен химиялық қасиетін ескерудің маңызы зор, себебі көмірдің реакциялық қабілеттілігі осы факторлармен айқындалады.

Көмірлердің элементтік құрамы органикалық масса мен бейорганикалық массадан тұрады. Көмірдің органикалық массасына көміртек, сутек, оттек, күкірт, азот кіреді. Ал көмірдің бейорганикалық массасын минералды заттар мен су құрайды [7].

Көмірдің түзілуі биохимиялық және геологиялық процестердің нәтижесінде жүреді және қоңыр көмірдің, тас көмірдің, антрациттің түзілу сатыларына жіктеледі [8]. Көмірлену сатысына қарай көмірлердің элеметтік құрамы біршама ерекшеленеді (2-кесте).

2-кесте - Көмірлердің құрамы

Көмір Түрі	Көмірдің органикалық массасы, мас. %			Sdaf , Күкірт, мас. %	Wa, Ылғал, мас. %	Adaf , Күл, мас. %	Ұшқыш заттар шығымы, мас. %	Жоғары жану жылуы, кДж/кг
	С	Н	О+N
Қоңыр	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 көрсетілгендей қоңыр көмірден антрацитке дейін көмірлену сатысында көміртектің массалық үлесі 70-тен 95 мас. %-ға дейін өседі, ал сутектің, оттек пен азоттың мөлшерлері 5,5-тен 2,0 мас. %-ға дейін кемиді. Көмір құрамындағы сутек көміртекпен, оттекпен, күкіртпен, азотпен байланысқан. Оттек карбоксильді, гидроксильді, карбонильді, эфирлі топтардың құрамына кіреді. Карбоксильді топтардың саны көмірдің метаморфизм сатысына тәуелді кемиді де, тас көмірлердің құрамында болмайды. Ұшқыш заттардың шығымы қоңыр көмірлерден антрацитке қарай төмендейді. Күкірттің мөлшері 1-6 мас. % шамасы аралығында болады. Көмір құрамындағы күкірт органикалық, сульфидті, сульфатты болып жіктеледі.

Көптаннажды өнеркәсіптік пиролиз, гидрогендеу, газдандыру процестерінде көмірлердің органикалық массаларын максималды пайдалану мақсатында, көмірдердің химиялық құрылымын, функционалды топтарды, байланысқан конденсирленген ароматты ядролар мен бүйір радикалдарды терең зерттеулерден өткізу қажет. Қазіргі физикалық-химиялық әдістерді (ИК- және ЯМР-спектроскопия, ренгенструктуралық талдау, сусыз ерітінділердегі полярография, молекулалы спектрлі талдау, гель-хромотография) пайдалану арқылы көмір молекуласының химиялық құрылымын зерттеу аса жоғары нәтижелер беруде. Көмірдің органикалық массасының негізгі компонеттері көмірсутектерден, лигниндерден, ақуыздардан, балауыздар мен шайырлы заттардан тұрады. Көмірдің органикалық массасының элементті анализіне көміртек, сутек, оттек және күкірт кіреді.

ОС маркалы витриниттің ИК-спектрінде С-Н ароматты және алифатты топтардың, ароматты >С=С< байланыстардың жұтылу сызықтары байқалады. Сондай-ақ, С-О-С , -ОН, С-О, С=О топтарына тән жұтылу сызықтары бар.

[9,10]-жұмыста көмірлердің химиялық құрылымы ароматты емес байланыстармен байланысқан поликонденсирленген сақиналардан тұрады. Көмірлерді корбанизациялау процесінде ароматты емес құрылымдардың мөлшері азаяды. Көмірдің метомарфизм дәрежесінің өсуімен поликонденсация процесі белсенді жүріп, көмір өңдеу процесіне қажетті маңызды негізгі сипаттамаларын иілгіштік, ерігіштік және т. б. қасиеттерін жоғалтады.

Қатты жанғыш қазбалардың топтық құрамын анықтау – зерттеудің дәстүрлі әдісі. Топтық талдау әдісі шымтезек пен көмірді әртүрлі еріткіштерде ерігіштігі бойынша бөлуге негізделген. Олар келесі талаптарға жауап беруі қажет: әрбір еріткіш химиялық табиғаты бір-біріне жақын заттарды бөліп шығаруы керек және ол толығымен жұмсалуы кажет. Топтық анализ қатты жанғыш қазбалардан келесі топтық заттарды: липоидтер, моносахаридтер және полисахаридтер, гумин қышқылдары және т.б. бөліп алудан тұрады.

Көмір құрамындағы ылғалдың, минералды қоспалардың және ұшқыш заттардың шығымын анықтау, олардың құрамы мен технологиялық тұрғыдан құндылығы жайындағы мағлұматтарды береді.

Көмір құрамы органикалық массасынан басқа ылғал мен минералды қоспалар: әртүрлі формадағы күкірт пен фосфор қосылыстары кіретін минералды бөліктен тұрады.

Ылғал көмірлердің негізгі компоненттерінің бірі болып табылады және оның мөлшері көмір түріне қарай әртүрлі болады. Тас көмір мен антрацитке қарағанда қоңыр көмірлерде ылғал мөлшері жоғары. Оның себебі қоңыр көмірлерде полюсті функционалды топтар (-ОН, СООН) мөлшері жоғары болып, донорлы-акцепторлы байланыстардың әсерінен ылғал мөлшерін арттырады.

Көмір құрамындағы ылғалды сыртқы және ішкі (гигроскопиялық) ылғал деп бөледі. Сыртқы ылғал ауада булану әсерінен жеңіл бөлінеді де, қалған көмір салыстырмалы түрде құрғақ (t = 20 ⁰С және ауа ылғалдылығы 65 % жағдайында) деп аталады. Түйіршіктерінің мөлшері 0,2 мм кіші құрғақ көмірдегі ылғал мөлшері (гигроскопиялық ылғал) «зертханалық» немесе «аналитикалық» ылғал W^a деп аталады. Сондықтан:

= + W^a

Ылғалды байланысу түрі мен беріктігіне қарай келесі топтарға бөледі:

1. кристалдық тордың белгілі бір компоненті ретінде минералды қоспалардың құрамына кіретін гидраттық су (мысалы, гипсте CaSO₄·3H₂O);

2. беттік энергияның әсерінен туындайтын осмостық қысым күштерімен байланысатын капиллярлы су;

3. кеуек құрылымдардың аралығыда донорлы-акцепторлы әсерлесулердің нәтижесінде ұсталынып қалатын адсорбциялық су;

4. моноқабаттағы адсорбцияланған судан кейінгі бөлікте болатын бос су.

Көмірдегі ылғал балласт болып табылады және көмірдің беттік сипаттамалары мен органикалық массасының реакциялық қабілеттілігіне әсерін тигізеді.

Көмірдің құрамындағы барлық жаңғыш бөлігі толығымен жанып болғаннан кейінгі бөлігін күл құрайды.

Көмір кен орнының геологиялық ерекшеліктеріне қарай оның құрамында әртүрлі мөлшерде тау жыныстары мен минералдар кездеседі. Бұл қосылыстарға Al, Fe, Ca, Mg, Na, К силикаттары, карбонаттар (СaCО₃, MgCO₃, FeCO₃ и т.д.), сульфаттар (СaSO₄, FeSO₄, Al₂(SO₄)₃ және т.б.) тотықтар (FeO,CaO и т.д.), сульфидтер (FeS₂), сондай-ақ органоминералдар – гумин қышқылдарының тұздары (гуматтар) жатады.

Көмір құрамында микроэлементтер де кездеседі (мысалы Ge, W, Be, U, Se, Zn, Mo, Re, Ag, As, Sb, Pb).

Көмір құрамындағы минералды компоненттері шартты түрде үш топқа бөлуге болады: біріншісі – кейбір жеке минералды компоненттері байыту әдісі арқылы бөлінетін дөрекі қоспалар, екіншісі – арнайы байыту әдісін қолдануды қажет ететін ұсақ дисперсті қоспалар, үшіншісі – байыту әдісі арқылы бөлінбейтін, органикалық массасымен химиялық байланыстармен байланысқан қоспалар.

Минералды компоненттер көмірдің физика-химиялық қасиеттеріне едәуір әсерін тигізеді:

1. метаморфизм қатарында көмірдің органикалық массасы құрылымының өзгерісіне микроэлементтер катализатор ретінде қатысады;

2. көмір құрамындағы минералды компоненттердің мөлшерінен гидрогендеу, кокстеу, газификациялау сияқты өңдеу процестерінің тиімділігі мен алынатын өнімдердің сапасы тікелей тәуелді болады.

3. минералды компоненттер химиялық және спектроскопиялық зерттеу нәтижелеріне де әсерін тигізеді.

Күкірт – көмір құрамындағы зиянды әсері көп қоспалардың бірі. Күкірт домна пештерінде технологиялық отынның шығындалуына әкеледі, себебі қосымша флюстерді енгізуді қажет етеді.

Барлық жанғыш қазбалар С, Н, О, N, S бар қосылыстардан құралады. Көмірдің құрамындағы азот мөлшері 3-4 % аспайды, көп жағдайда 1 % құрайды. Көмір құрамындағы азот мөлшерін анықтаудың стандартты әдісі азот құрамды қосылыстарды көмір тотыққанша көмірдің үлгісін концентрлі күкірт қышқылымен қайнату арқылы аммоний сульфатына айналдыруға негізделген.

Табиғатта құрамында күкірті жоқ көмір кездеспейді. Көмірдің құрамындағы күкірт мөлшері 10 % дейін болады және ол келесі формада кездеседі: сульфатты, пиритті, органикалық және элементті. Көмірді механикалық байыту кезінде көмір құрамындағы жалпы күкірт мөлшерінің 18-20 % төмендейтіні практика жүзінеде дәлелденген. Күкірт мөлшері ең жоғары көмірлерді күкіртсіздендіру 0,3-0,4 % аспайды. Бұның себебі көмір құрамындағы пирит өте ұсақталған дисперсті күйде болады. Көмірді тиімді күкіртсіздендіру үшін химиялық әсер ету әдістерін қолдану қажет [10].