Химия и физика горючих ископаемых

Бітуми верхових торфів містять  в основному стійкі сполуки (віск, граничні вуглеводні), низинних - біохімічно нестійкі речовини (хлорофіл, ненасичені і кисневи сполуки). З часом  кількість бітумів в торфовому  покладі майже не міняється, однак  збільшується вміст воску і зменшується вміст смол, що пов'язано з повторними процесами, які відбуваються в торфі.

Екстракт, що витягується з бітумоносних торфів бензином, називають сирим  торфовим воском. Він має темно-коричневий колір, містить не більше 40 % смолистих  речовин, 10 % механічних домішок і 0,5 % вологи, кислотне число - 30-60, число омилення - 100-160, водне число - 15-30, температура каплепадіння - 70-80 ⁰С.

Сировиною для отримання сирого торфового воску служить торф із вмістом бітуму не менше 5 %, зольністю не більше 8 % і робочою вологістю до 50 %.

Знесмолений торфовий віск отримують  екстракцією, охолодженим до 0-5 ⁰С бензином з подальшою промивкою воску чистим розчинником і продуванням гострою парою для видалення бензину. Рафінований торфовий віск виробляють з торфу знесмоленого методом вакуумної дистиляції, чищення селективними розчинниками, а також окисненням перманганатом калію, азотною кислотою, сумішшю азотної і сірчаної кислот, хромовою кислотою і двохромовокислим калієм. Він має світло-жовтий або жовтий колір, температуру плавлення не нижче за 79 ⁰С, кислотне число 120-260, число омилення 180-220, водне число не більше 8. Етерифікацією рафінованого воску спиртами отримують етерифікований рафінований віск.

Торфовий віск широко використовується в точному литті, для отримання полірувальних мастил, поліровки хромованих і нікельованих виробів, для просочення паперу, шкіри, дерева, у виробництві олівців і косметики. У емульгованому вигляді віск входить до антиадгезійних сумішей, що використовуються при отриманні виробів з пенополіуретану, спиртові екстракти воску і смола використовуються при виробництві медичних препаратів, інгібіторів корозії металів, для одержання промивних і промно-консерваційних речовин.

Вміст і склад вуглеводів торфу  залежить від типу, виду, ступеня розкладання і умов торфоутворення. Їх кількість від 50 % на органічну речовину у верхового торфу низького ступеня розкладання до 7 % у торфа зі ступеням розкладання понад 55 %. Вони представлені у вигляді полісахаридів, моносахаридів і їх пектинових речовин.

Вуглеводи торфу зосереджені у  водорозчинних, легкогідролізуємих та важкогідролізуємих фракціях органічної речовини. Загальну кількість цукру  в продуктах гідролізу торфу  характеризують за показниками "редукуючі  речовини", вміст яких у водорозчинній і легкогідролізуємой фракції до 50 % і в важкогідролізуємій - понад 90 %. Найбільш багаті вуглеводами торфи верхового типу з низьким ступенем розкладання.

За вмістом і якістю вуглеводів торф є сировиною, придатною для  хімічної і біохімічної переробки. Гідролізати торфу практично не відрізняються від гідролізатів деревини і можуть використовуватися для виробництва спиртів, фенолів, кормів. Гектозні цукри добре засвоюються тваринами, можуть перероблятися мікроорганізмами в різні продукти, здатні зброжуватися. Пентози не зброжуються і придатні для вирощування кормових дріжджів. Продукти гідролізу пентозанів використовуються в медичній і фармацевтичній промисловості. З торфових гідролізатів можна отримувати білкові продукти, жири, вітаміни і т.д.

До гумінових кислот відносять речовини, що витягуються з торфу 1-2 % розчинами лугів у воді і осаджаються при підкисленні розчину у вигляді аморфної темнокольорової речовини. Залишок органічних речовин, тих, що залишаються у воді після підкислення називають фульвокислотами. У залишку крім власне фульвокислот є полісахариди, пептиди, амінокислоти, феноли.

Вміст гумінових кислот в торфі  коливається від 5 до 55 %, причому  мінімальна їх кількість знаходиться  в торфі мохової групи верхового  типу. У торфі низинного типу кількість гумінових кислот завжди вище за 20 %. Вміст вуглецю в гумінових кислотах торфу змінюється від 46 до 61 %, водню - від 2,8 до 6,6, азоту - від 2 до 6 %.

Гумінові кислоти при нагріванні не плавляться, а розкладаються. При  висушуванні вони набувають нових вже нез'явних властивостей, що посилюються із збільшенням температури сушки. Сухі гумінові кислоти торфу являють собою блискучу чорну масу з густиною 1,14-1,63 г/см³. Висушені фульвокислоти утворюють тонкі блискучі червонувато-бежові плівки, що розтріскуються у вигляді тонких волокон. Фульвокислоти містять 40-52 % С_daf, 4-6 % Н_daf, 2-4 % N_daf, 40-48 % O_daf.

Електронно-мікроскопічні дослідження  показали, що гумінові кислоти представлені сферичними частинками розміром від 3 до 10 нм, схильними сполучатися в ланцюжки з утворенням пухких сітчастих агрегатів. При сушці можливе утворення глобул з розмірами 80-2000 нм.

Великий набір і вміст функційних груп визначають високу обмінну місткість, яка росте із збільшенням рН. Загальна кількість кислих груп в гумінових кислотах і фульвокислотах залежить від типу торфу і змінюється відповідно від 5,8 до 7,7 мг-екв/г і від 8,0 до 13,3 мг-екв/г.

Гумінові кислоти використовуються для регулювання структури утворення  бідних гумусом грунтів і підвищення їх родючості, для виробництва високоефективних біологічно активних препаратів, барвників для деревини, інгібіторів корозії різного призначення, стабілізації промивних розчинів при бурінні, для підвищення рухливості бетонних сумішей, розрідження цементних шламів, очищення стічних вод.

Енергетичне і сільськогосподарське використання торфу не вичерпує потенційні можливості торфу, що представляють  велику цінність для хімічної і біохімічної  промисловості, медицини, машинобудування, будівництва і ряду інших галузей. Вирішити цю проблему може комплексна переробка по безвідходній технології з отриманням нових продуктів і матеріалів різного призначення. З 1т сухого торфу можна отримати (кг): гумінових препаратів - 450-700, барвників - 350-450, целюлози - 150-200, бітумів - 50-100, воску - 40-50, парафіну - 20-30, етилового спирту до 45, оцтової кислоти до 15, щавлевої кислоти до 200, кормових дріжджів - 200-220, дьогтю - 80-100, дубильних речовин - до 50 і ряд інших хімічних речовин, на основі розробленої в Білорусії промислово-хімічної класифікації торфу і схеми комплексного його використання. 

8. Класифікація ТГК 

В основу генетичних класифікацій викопного  вугілля покладені знання про  їхню хімічну природу і походження. Вони повинні служити надійною основою  для створення промислових класифікацій і давати рекомендації для раціонального використання кожного виду горючої копалини.

Перша генетична класифікація вугілля  була запропонована німецьким палеоботаніком Потоньє. Він виділив у викопному  вугіллі три основних класи: 1) гуміти, 2) сапропеліти, 3) біоліти.

Пізніше Ю.А.Жемчужников запропонував свою генетичну класифікацію, у якій виділив дві групи (гумоліти і  сапропеліти), а кожну групу розділив на два класи (1--гуміти, 2--ліптобіоліти, 3--сапропеліти і 4--сапроколліти).

Гуміти утворилися з вищих рослин, а сапропеліти -- з нижчих рослин і тваринного планктону. Пізніше був виділений проміжний клас гуміто-сапропелітового вугілля. Аронов і Нестеренко розділили вугілля на чотири генетичних класи: гуміти, ліптобіоліти, сапропеліти й особливо тверді горючі копалини. Перераховані класифікації не мають принципових відмінностей і використовуються для дослідження впливу генезису вугіль на їхні властивості.

З усіх класів вугілля найбільш поширені і повно вивчені гуміти.

Сапропеліти істотно відрізняються від гумітів відсутністю шаруватості, однорідним складом і дуже високою густиною.

При аналізі ізометаморфного вугілля  було встановлено, що воно відрізняється  за своїми фізичними і хімічними  властивостями. Вивчення якісних показників вугілля у залежності від виходу летких речовин показало, що всі донецьке вугілля в ряді метаморфізму за відповідними характеристиками розташовуються смугою, обмеженою лініями максимальних і мінімальних значень виходу летких речовин. Видавський встановив, що при одному й тому ж ступені вуглефікації вугілля має різні елементний склад і властивості, і пояснив це різною окисною здатністю, а надалі, розглядаючи умови утворення, увів поняття "відновленість", більш відповідне хімічному перетворенню органічних речовин у процесі утворення гелефікованої речовини, яка представляє основний петрографічний компонент донецького вугілля.

Відновленість вугілля -- один з головних генетичних факторів, що обумовлюють  розмаїтість їхніх властивостей. Утворення вугілля різних типів  за відновленістю обумовлено палеогеотектонічною обстановкою, геохімічним складом води і мінерального середовища, у якому відбувалося вуглеутворення.

Поняття про ступінь відновленості  вугіля виникло на базі виявлених  розходжень хіміко-технологічних властивостей ізометаморфного вугілля Донбасу. Вугілля, яке містить велику кількість кисню і має меншу теплоту згоряння, гіршу спікливу здатність і меншу розчинність в органічних розчинниках, було названо "менш відновленим", а вугілля з протилежними властивостями -- "більш відновленим". Це явище пояснюється різними первинними умовами утворення вугілля. Пізніше були виявлені особливості петрографічних характеристик і хімічного складу різновідновленого вугілля усього ряду вуглефікації для різних родовищ і басейнів.

Встановлено, що вплив відновленості позначається, насамперед, і найбільш яскраво на властивостях вітринітів. Тому розподілу на типи за відновленістю піддається тільки вугілля, складене переважно вітринітом (вітренове, кларенове, кларено-дюренове). Всі інші типи гумітового вугілля є маловідновленими.

Кожний з типів вітриніту  характеризується комплексом ознак, визначеним діапазоном зміни кожної ознаки і  виявляється у вугіллі будь-якої стадії вуглефікації.

За петрографією типи вітриніту  відрізняються за кольором, структурою, формою залягання, розміром частинок і за оптичними показниками: відбивною здатністю, показникам заломлення і коефіцієнтом пропуску. Вихідним матеріалом кожного з типів вітриніту можуть бути будь-які тканини лігніно-целлюлозного складу вищих рослин і вуглеводний матеріал нижчих.

У хіміко-технологічному аспекті типи вугілля за відновленістю протягом усього вуглефікаційного ряду розрізняються  за вмістом водню, виходом летких речовин, теплотою згоряння і густиною органічної речовини. Найбільш чітко  ці відмінності видні на буровугільній і кам'яновугільній стадіях і менше в антрацитах, у яких генетичні типи зближуються за хімічними властивостями і більш чітко розрізняються за фізичними показниками (анізотропія відбивної здатності вітриніту). Для кам'яного вугілля яскравою характеристикою ступеня відновленості є показники спікливості, а для бурого -- вміст гумінових кислот і кисневих функційних груп. У Донецьком басейні вміст загальної і піритної сірки використовується як один з показників ступеня відновленості, однак аналіз даних по іншим басейнам показав, що в цілому такої закономірності не існує.

Для Донецького басейну доведено, що відновлене вугілля утворилося в  сильно обводнених, більш анаеробних умовах під вапняковою покрівлею, в  основному в лужному і нейтральному водному середовищі. Для утворення відновленого вугілля необхідно швидке занурення неокисленого рослинного матеріалу під водний покрив і лужний потенціал вод, які вміщають рослинний матеріал, що розкладається.

Перебування поруч відновленого і  мало відновленого вітринітів може свідчити про наявність процесів, у яких одна частина органічного матеріалу окиснюється за рахунок відновлення іншої.

При побудові геолого-вуглехімічної  карти Донбасу було введено чотири генетичних типи вугілля у порядку  зростання ступеня відновленості, а потім був доданий п'ятий:

оа -- особливо маловідновлений;

а -- маловідновлений:

б -- проміжний;

в -- відновлений;

вв -- сильно відновлений.

Генетичний тип за відновленістю  визначається за діаграмою ДонУГІ -- Артемгеологія.

Згідно геологічним даним максимальна відновленість залишків рослин спостерігається в анаеробних лужних морських чи мінералізованих умовах. Якщо вуглефікація є результатом впливу факторів, що впливали на усю вугленосну товщу, і їй підлеглі всі пласти, то зміна генетичного типу за відновленістю явище фаціальне і характерне для кожного пласта окремо. Встановлено, що для пластів мало відновленого вугілля характерна проста будова, груба площинність, слабка мінералізація переважно піщано-глинистим матеріалом, сильна розкладеність гелефікованої речовини.

Пласти з відновленим вугіллям мають складну будову, тонку чи навіть мікросмужкуватість, включення  тонкодисперсного піриту і меншу  розкладеність гелефікованої речовини зі збереженою морфологічною структурою рослинних залишків.

Ознаки генетичного типу зберігають своє значення у всьому ряді вуглефікації, є показники що їх характеризують. У вугілля низького і середнього ступеня вуглефікації це товщина  пластичного шару, вміст вуглецю, водню, кисню, і сірки. У вугіллі  високого ступеня вуглефікації -- це геологічна будівля пласта, петрографічний склад, присутність тонкодисперсного піриту, вміст сірки, склад золи, механічна міцність і анізотропія відбивної здатності вітриніту.

Діагностичне значення при визначенні відновленості вітринітового вугілля має вихід летких речовин і смоли напівкоксування, вміст водню, вуглецю і сірки, щільність і показники спікливості, що, крім щільності, вище у відновленого вугілля.

У Радянському Союзі були розроблені басейнові промислові класифікації, побудовані для кам'яного вугілля в основному на двох параметрах: виході летких речовин на суху беззольну масу і товщині пластичного шару. Граничні значення цих і інших параметрів для вугілля аналогічних марок у різних басейнах різні, у результаті чого вугілля з тими самими параметрами попадають у різні технологічні групи. Для деякого вугілля з великим вмістом лейптиніту через сильну текучість пластичної маси немає можливості замірити товщину пластичного шару, як це має місце при дослідженні вугілля Кізеловського басейну.