Походження викопного вугілля - Хімія

1. Походження вугілля. 4

2. Джерела утворення твердих горючих копалин. 5

3. Стадії перетворення органічних речовин. 7

4. Петрографічна характеристика вугілля. 9

5. Класифікація вугілля. 11

6. Основні вугільні басейни країни.

Практично неможливо встановити точну дату, але десятки тисяч років тому людина, яка вперше познайомилася з вугіллям, стала постійно стикатися з ним. Так, археологами знайдено доісторичні розробки покладів вугілля. Відомо, що з кам'яним вугіллям люди були знайомі в період давньої культури, але факти про його використання відсутні. Пізніше, у Римі, робилися шляхи використання його, але лише за часів Аристотеля з'явилося опис деяких інших властивостей вугілля, а 315 р. до зв. е. його учень описує вугілля як горючий матеріал і називає його "антраксом" (пізніше з'явилася назва "антрацит").

1. Походження вугілля

наука про генезу твердих горючих копалин на підставі численних фактів (виявлення у вугільних пластах відбитків листя, кори, стовбурів дерев, спор і т. д., використання ізотопного методу аналізу) незаперечно довела та обґрунтувала теорію про їхнє органічне походження. Водночас складність природних процесів вуглеутворення та впливу на ці процеси таких факторів, як клімат, умови середовища відкладення, температура, тиск та ін., призвели до виділення хімічних, мікробіологічних та геологічних аспектів теорії генези. Досі немає єдиної думки про те, які компоненти органічних речовин є вихідним матеріалом при утворенні різних вугілля, немає єдиної схеми та її генетичних перетворень. Припускають, що загальна схема має вигляд:

Висловлювалися міркування, щогенезис твердих горючих копалин описується:

a) послідовно протікаючими стадіями 1→2→3→4→5→6

b) перетворенням вихідного органічного матеріалу 1→2, 1→3→4→5→6 та 1→4→5→6.

2. Джерела утворення твердих горючих копалин

Палеографічні умови геологічних епох визначали виникнення органічних речовин, їх розвиток, накопичення та різноманітні перетворення.

Відомо, що до складу рослин входить целюлоза, геміцелюлоза, лігнін, смоли, воски, жири, білки, вуглеводи, пектинові речовини. Цілком імовірно, що склад цих компонентів та їх співвідношення у стародавніх рослинах різного виду та залежно від палеографічних умов геологічних епох зазнавав певних змін. Тим не менш, численні дослідження дозволили встановити, що роль різних частин сучасних рослин та механізму їх перетворення в умовах вуглефікації суттєво не відрізняється від ролі рослин ранніх геологічних епох. У табл. 1 наведено елементний склад основних компонентів рослин, що беруть участь у вуглеутворенні.

Елементний склад вуглеутворювальних компонентів рослин (%)

До складу восків крім складних ефірів високомолекулярних жирних кислот і вищих аліфатичних спиртів входять кислоти С24 - С34 спирти С24 - С34 і іноді вуглеводи. Рослинні воски є твердими речовинами, здатними зберігати свій склад та властивості не піддаватися змінам під дією мікроорганізмів. Завдяки їх високій стійкості вони зустрічаються в незмінному стані у складі бурого вугілля.

Смоли складаються із складних ефірів кислот із одноатомними спиртами. Завдяки ненасиченій поліізопреновій структурі вони здатні полімеризуватися та окислюватися, що знижує їх розчинність, підвищує молекулярну масу, перетворює на неплавкі.з'єднання. Жири – складні ефіри високомолекулярних насичених та ненасичених кислот та гліцерину. Цікаво відзначити, що вихідні наземні сполуки містять ненасичені кислоти С18 – С22 і насичену кислоту С16, тоді як серед морських джерел вуглеутворення переважають ненасичені кислоти С16 – С22. Жири легко гідролізуються, змінюються під впливом мікроорганізмів, нагрівання та ін, а ненасичені кислоти - окислюються з утворенням полімерів.

Білки є високомолекулярними речовинами, що мають колоїдні властивості. Зміст їх у бактеріях, водоростях та деревних рослинах досягає відповідно 80, 25, 1 – 10 %. Білки гідролізуються з виділенням амінокислот, які зв'язуються з моносахаридами, що містяться в рослинах.

Целюлоза (С6Н10О5) відноситься до класу вуглеводів з регулярною лінійною структурою, має складний склад і молекулярну масу від десятків тисяч до декількох мільйонів. Будучи дуже стійкою до впливу тиску і температури, целюлоза порівняно легко піддається впливу ферментів. Геміцелюлози є вуглеводними сполуками, які легко піддаються гідролізу та розчиняються в кислотах та лугах. Це гетерополісахариди, що утворюють при гідролізі на відміну від целюлози не глюкозу, а манозу, фруктозу, галактозу та уронові кислоти.

Пектинові речовини підвищують механічну міцність стінок рослинних клітин, вони складаються із залишків D-галактуронової кислоти, здатних легко гідролізуватись мінеральними кислотами. Карбоксильні групи в цих залишках знаходяться у вигляді солей магнію та кальцію, а також у вигляді метилових ефірів. Міцність клітин вищих рослин пояснюється також присутністю в їх складі лігніну, який, на відміну від целюлози, не піддається гідролізу, стійких до впливу.хімічних реагентів, нерозчинний у воді та органічних розчинниках. Лігнін є полімером нерегулярної будови, до складу якої входять ароматичні та жирноароматичні фрагменти. Кисень присутній у вигляді карбоксильних та гідроксильних груп, ароматичні ядра містять метокси-групи та пов'язані між собою пропильними групами. Молекулярна маса лігніну коливається від 700 до 6000 його висока хімічна стійкість обумовлена накопиченням гумінових кислот.

Таким чином, можна припускати, що в результаті вуглеутворення з'являються хімічно стійкі компоненти, а менш стійкі беруть участь у цих процесах як напівпродукти розпаду.

3. Стадії перетворення органічних речовин

болота є найбільш сприятливими місцями для накопичення та переробки органічних продуктів у торф. Заболочування водойм відбувається різними шляхами, і залежить від рельєфу дна і берегів, проточності води і т. д. Як у тропічній, так і в помірних зонах болота діляться на верхові та низинні. Верхові утворюються за умови перевищення кількості річних атмосферних опадів над обсягом випаровування та характеризується нестачею поживних речовин для рослин. Низинні болота мають пологі береги, зарослі очеретом і очеретами, вкриті плаваючими та підводними рослинами. Їх походження пов'язані з зниженням рельєфу і вони поширені переважно у північних областях. При помірному кліматі річний приріст торфу в низинних болотах становить 0,5 – 1,0 мм, але в верхових 1 – 2 мм.

Вугільні пласти характеризуються такими основними характеристиками:

4. Життєдіяльність бактерій залежить від кислотності торфу. Торф верхових боліт має рН = 3,3 – 4,6, а низинних 4,8 – 6,5. ступінь кислотності залежить від припливу води, типу основиболота, надходження кисню та концентрації гумінових кислот. Бактерії добре розвиваються при рН = 7,0 - 7,5, тому чим кисліше торф, тим менше в ньому бактерій і краще зберігається структура вихідних рослин.

5. Температура торфу. Розкладання торфу залежить від температури, оскільки у теплі бактерії виявляють підвищену активність. Так при 35 - 40 0 С бактерії розкладають целюлозу з найбільшою швидкістю.

6. Окисно-відновний потенціал. Життєдіяльність бактерій залежить від потенціалу. Процеси перетворення залишків органічних сполук при вільному доступі кисню (аеробні умови) та води аналогічні повільному горінню і називаються тлінням. Гуміфікація (перегнивання) характеризується недостатнім доступом повітря (анаеробні умови) та вологи. Цей процес призводить до накопичення завуглероженого залишку (гумусу), частина якого може розчинятися у воді. Перетворення органічних речовин в умовах надлишку вологи та відсутності кисню широко поширене у природі та називається оторфенієм; воно призводить до появи твердих гумусових продуктів. Утворення сапропелів з водоростей і планктону протікає за відсутності кисню під шаром води (відновлювальні реакції) і відоме як процеси гниття або гнильного бродіння.

Перетворення органічних речовин у торф відбувається в результаті хімічних реакцій, що протікають, і діяльності бактерій, тому називається біохімічною вуглефікацією. Перетворення торфу через стадію бурого вугілля на антрацити називається вуглефікацією. Ступінь вуглефікації характеризується ущільненням (підвищенням щільності), зміною вмісту С, Про, Н та виходу летких. Процес вуглефікації прискорюється зі зростанням температури та глибина його залежить від часу; тиск уповільнює хімічні реакції, які при цьому протікають.

4. Петрографічна характеристика вугілля

результати петрографічного дослідження вугілля (від грецького petros – камінь, grapho – пишу) дозволяють встановити природу вихідних органічних матеріалів, їх генезис, класифікацію ТГІ та вибір раціонального використання у народному господарстві. В даний час петрографічні дослідження вугілля широко застосовуються при розвідувальних та пошукових роботах, а петрографічні характеристики є обов'язковими при затвердженні запасів. Так, в результаті дослідження вугілля встановлено, що вони не є гомогенною речовиною. Мецерали (macerare – розм'якшувати) не мають кристалічну будову, розрізняються за хімічним складом і фізичними властивостями. У вугіллі виявлено перетворені частинки рослинного та тваринного походження (наприклад, водорості, пилок, суперечки, кутикули, смолені тільця), які отримали назву формених елементів. Інші речовини, які зазнали глибших змін не можуть бути віднесені до будь-яких певних вихідних речовин, називають основною масою, яка в тонких шліфах поділяється на прозору та непрозору (опакмасу).

Усі мацерали поділяються на три групи – вітриніт, екзиніт (ліптиніт) та інертиніт, причому в основі об'єднання оп груп лежить властивий їм хімічний склад, походження та властивості.

Найчастіше зустрічаються асоціації мацералів, причому такі поєднання називають мікролітотипами. Останні поділяються на моно-, бі- та тримацеральні; при їх віднесенні до тієї чи іншої групи діє «правило 5%»: домішка нетипових мацералів має перевищувати 5 % на полірованої поверхні 50×50 мкм. Різновиди літотипів вугілля можна розрізнити неозброєним оком. Вітрен – блискучий, кларен – напівблискучий, дюрен – матовий та фюзен – волокнисте вугілля.Сапропелеві вугілля на відміну від гумусових не містять шаруватості, однорідні за складом і більш міцні. Вони діляться на кеннельське вугілля та богхеди.

Вітриніти є основним компонентом типового блискучого вугілля; вони утворюються з листяних та деревних тканин в основному за рахунок вуглефікації лігніну та целюлози. Широке поширення вітриніту у твердих горючих копалин, однорідність його складу, фізичних та хімічних характеристик зумовили широке застосування його для визначення ступеня та віку вуглефікації при зіставленні різних відкладень. Порівняно з групою екзиніту вітриніт містить менше водню та більше кисню, до його структури входять аліфатичні та ароматичні фрагменти. Зміст ароматичних структур із віком органічної маси вугілля збільшується від 25 до 65 %, частка летких досягає 35 – 40 %, а смол напівкоксування – 12 – 14 %.

Екзинітна група містить залишки синьо-зелених водоростей (алгінт), спор та пилку (спориніт), полімеризовані смоли або вуглеводні, жири, кутикули листя та рослин (кутиніт), воскоподібний епідерміс. Полімеризовані продукти просочують дерев'яні тканини або мінерали, утворюючи резеніт або полімеризований дифузний бітум. При розкладанні екзиніту виділяється 60 – 90 % летких речовин, 40 – 50 % смол напівкоксування; він практично не розчинний, молекулярна маса ≈ 3000, в основі структури – асоційовані нафтенові та ароматичні гетероциклічні системи.

Група інертиту включає фюзеніт (дерев'яне вугілля після пожеж або обвуглювання), окислені залишки, грибки, полімеризовані смоли або вуглеводні. Елементний склад фюзеніту різноманітний; він містить багато гідроксильних груп та ароматичних ядер, виділяє 8 – 20 % летких, до 4 % смоли напівкоксування.

Вітринить при380 - 450 0 С "плавиться" і потім утворює спучений кокс. Екзиніт також має деякі коксівні властивості. Мацерали групи інертиту мають низьку хімічну активність, яка незначно змінюється при метаморфізмі. Відрізняючись високим виходом летких, вітрин визначає коксівність вугілля, а екзеніт характеризує пластичні властивості вугілля. Підбираючи склад шихт з окремих мацералів у певному співвідношенні, можна значно розширити сировинну базу для виробництва коксу.

Для вивчення фізичних та хімічних властивостей петрографічних інгредієнтів їх необхідно виділити із вугільної маси. Вітрень, фюзен, дбрен і кларен можна розділити вручну, особливо в молодому вугіллі; у зрілому кам'яному вугіллі важко відокремити кларен від дюрена. Інший метод полягає у розтиранні вугільного речовини. При цьому найменш твердий дюрен перетворюється на дрібні класи. Концентрати інгредієнтів можна отримати розподілом їх у рідинах з різною щільністю.

5. Класифікація вугілля

Раціональне використання твердих горючих копалин у народному господарстві можливе за наявності класифікації, що враховує весь комплекс фізичних, хімічних та технологічних властивостей. Проте, попри багаторічні роботи у цій галузі, досі немає єдиної промислово-генетичної класифікації.

За генетичною класифікацією Ю. А. Жемчужнікова вугілля поділяються на дві групи, кожна з яких складається з двох класів:

Генетична класифікація твердих горючих копалин за Ю. А. Жемчужникова