Badania wpływu zawartości macerałów na profile rentgenogramów próbek węgli kamiennych

(1)

ZESZYTY BAÜKOWE POLITECHHIKI ŚLISKIEJ' 1979

S e r ia : GÓRHICTWO z . 99 Br k o l. 601

Bogusław KOSOWICZ, Henryk ORWAT

BAD AUTA WPŁYWU ZAWARTOŚCI MACERAŁÓW HA PROFILE REKI GEKOGRAMÓW PRÓBEK W®GU KAMIEBHYCH

Stx-eszczenie. Wykonano rentgenogramy typowych próbek w ęgli ka

miennych z wybranych kopalń, sto su ją c technikę d y fr a k c ji promieni rentgenowskich.

Badania prowadzono w sz e ro k ie j s k a l i kątowej od możliwie małych ką

tów u g ię c ia aż do kątów dużych oraz przeprowadzono in te rp re ta c ję o- trzymanych rentgenogramów w fu n k cji procentowej zaw artości macera- łów i su b sta n c ji mineralnych w próbkach w ęgla. Wpływ zwiększonej za~

w a rto ści poszczególnych grup macerałów, w szczegó ln ości w itrynitu, na przesuwanie s ię maksimów krzywych, reprezentujących su bstan cje ch araktery zu jące s ię brakiem uporządkowania dalekiego zasięg u oraz ich natężeń j e s t wyraźny. Efekt ten autorzy p rzy p isu ją wielkościom centro: rozproszeniowych, charakterystycznych d la w itrynitów .

1 . Wstęp

Badania rentgen ograficzn e w ęgli stanowią jedną z n a jb a rd z ie j bezpośredr- nich metod oznaczania str u k tu r, a zw łaszcza sto p n ia uporządkowania orga

nicznej su b sta n c ji w ęgla. W badaniach rentgenograficznych w ę g li, ich skład- ników p etrograficzn ych i grupowych wykorzystuje s ię zjaw isko d y fra k cji promieni rentgenowskich o sle ó przestrzenn ą oraz dobrą przenikalność tych promieni H . Przenikalność promieni rentgenowskich wykorzystuje s ię głów

nie w badaniach rozm ieszczenia su b sta n c ji mineralnych w węglu oraz przy u- sta le n iu pochodzenia t e j s u b s t a n c ji.

7/łasności p rzen ik aln o śći i d y fra k c ji promieni rentgenowskich w struktu

rach c ia ł a s ta łe g o , a w sz cz eg ó ln o śc i budowy w ielkocząsteczkow ej, mogą być badane również metodą małokątowych rozpro szeńl •

Badania w ęgli w z ak re sie stosow ania tech n iki d y fra k c ji i przenikania promieni rentgenowskich p o d z ie lić można na 3 grupy ¡^3^] I

a) P race, w których s t o s u je s ię klasyczną metodę Debye’ a - Sch errera w z ak re sie wysokich kątów u g ię c ia .

b) P race, w których w ykorzystuje s ię ogóln ie prawa ro zp raszan ia promie

n i rentgenowskich przez c ie c z e i gazy do in te r p r e t a c ji rentgenogra

mów w ę g li— prace K asat oczklna i Ra®urnowej [ j ”f«

e) Prace w za k re sie n isk ich 1 średnich kątów u g ię c ia , w których prze

ważnie sto s u je s ię in te g ra ln ą an aliz ę F u rle ra do in te r p r e t a c ji rent-

(2)

36 B. Hosowioz, H.Orwat

genogramów w ęgli —prace G uiniera, R ile y s, Diamonda, Hirecha f 5"! ijSj

& ] .

Prowadzone dotychczas badania rentgenograficzne wykazują występowanie w węglach płaskich warstw złożonych głównie ze skondensowanych p ie r ś c ie n i aromatycznych, nieuporządkowanych w kierunku prostopadłym do tych warstw. Jedyny wyjątek stanowią wysokouwęglone an tracy ty . Badania potwier

d z iły występowanie stru k tu r typowych d la wysokospolimeryzowanych sub

s t a n c ji organicznych. Systemy skondensowanych p ie r ś c ie n i aromatycznych występujące w węglu są bardzo małe, [V]{jTJ .

Wszystkie węgle z wyjątkiem antracytów powinny być rozważane jako związki organiczne z grupami peryferyjnym i a nie jako m ateriał typu gra- fio id aln eg o .

Ka uwagę zasłu g u je praoa Diamonda [jc f|, w k tó rej autor stw ierdza, że w substancjach amorficznych efekty in terferen cy jn e uporządkowanych mole

kuł w zak resie wysokich kątów u g ię cia zn ik ają i krzywa rozpraszan ia sub

s t a n c ji amorficznych może być określona jako suma rozproszeń pojedynczych molekuł. Uzyskane histogramy wykazują, że w w itryn itach w miarę postępu

jącego procesu uwęglenia zachodzą n astępujące zmiany stru k tu raln e :

aj zm iejsza s ię udEiał stru k tu r bezpostaciowych: n astępu je wzrost śred

nio lamel i zwiększanie się lic z b y atomów C w warstwach, b

)

następuje wzrost o d leg ło ści między atomami C,

cj histogramy wskazują na uprzywilejowany u d ział w struk turze molekuł o średnicach 5 ,8

i.

Badania rentgenograficzne nad strukturam i głównych grup macerałów - wi- try n itu , egzynitu i in erty n itu , prowadzone przez KrOgera i Rulanda ¡1 i j , wykazały różnice pomiędzy składnikami mikroskopowymi w odniesieniu do od

le g ło ś c i otoczenia i w ielkości centrów ro z p raszan ia. Oszacowali oni maksi

mum d la w artości molekuł o średnicach 22 - 28

&.

Centra te są identyczne z aromatycznymi rdzeniami pakietów lam el.

U witrynitów niskouwęglonych i egzynitów następuj e przesuwanie s ię maksi

mum wskutek różnicy w ielk ości tych centrów. Brak tego maksimum u ln e r ty - nitow tłumaczą autorzy ściślejszy m upakowaniem strukturalnym centrów roz

praszających.

ftyniki badań strukturalnych także i w tym zak re sie kątów u g ię cia wyka

zują zanikanie różnic strukturalnych w itrynitu i egzynitu w miarę po stę

pującego procesu uwęglania, natom iast stru k tu ra in e rty n itu nie wykazuje większych zmian.

Z

* • Przebieg badań

Badania wpływu zaw artości macerałów na p r o file rentgenogramów próbek w ęgli kamiennych, prowadzone p rze* autorów, stanowią jeden z etapów pra-

(3)

Badania wpływu zaw artości macerałów 37

cy naukowo-badawczej, kontynuowanej w In sty tu c ie E k sp lo a ta c ji Złóż Wydzia

łu Górniczego P o lite c h n ik i Ś l ą s k i e j,

Pomiary wykonano na dyfraktom etrze rentgenowskim B.R.Ctfi 1, 5, sto su ją c promieniowanie CuK^ odfiltrow ane f o l i ą z N i. P rzy jęto z a s ila n ie lampy napięciem 38 KV, a n atężenie prądu 10 mA.

Odpowiednio dobrany układ sz c z e lin ograniczających wiązkę wraz ae szcze

lin ą S o lle r a zab ezp ieczał dobrą geometrię układu. Wiązkę u giętą na próbce rejestrow ano liczn ik iem scyntylacyjnym . Wzmocnione i dyskryminowane ampli

tudowo impulsy rejestrow ano w p o sta c i krzywych dyfraktometrycznyeh.

Rozdrobnione próbki w p o sta c i su b sta n c ji proszkowej o wymaganej granu

l a c j i umieszczono w odpowiednich kuwetach o głęb o k o ści do ok. 2 mm i usta

wiono w ograniczonej szczelin am i w iązce prom ieni.

Uzyskane w ten sposób rentgenogramy poddano a n a liz ie , k tó ra o p ie ra ła s ię na wyznaczeniu położeń maksimów dyfrakcyjnych w fu n k cji procentowej zaw artości grup macerałów.

Badane próbki n ie przedstaw iały sobą su b sta n c ji monokrystalicznych lub p o lik ry sta licz n y ch i były traktowane jak o su b stan c je amorficzne z występo

waniem stosunkowo wyraźnych pików d la g r a f it u oraz d la niektórych zawar

tych w próbkach su b sta n c ji o stru k tu rach typowo k ry stalic zn y ch ,

3 . Omówienie wyników badań

Z przebiegu krzywych dyfraktometrycznyeh zdjętych d la 8 próbek węgla, przedstawionych na r y s . 1, wynika żeł

a ) krzywe ró żn ią s i ę między sobą przede wszystkim w z ak resie sz ero k ie

go maksimum, charakterystycznego d la su b sta n c ji amorficznych,

b) różnice w intensyw ności krzywych w zależn o ści od kąta u g ię c ia są funkcją procentowej zaw artości macerałów (t a b lic a i) ,

c ) krzywe 2 ,5 ,6 ,7 ,8 z o sta ły z d ję te d la próbek o procentowo dużej zawar

t o ś c i w itry n itu w stosunku do pozostałych grup macerałów.

Krzywe 1 ,3 dotyczą próbek charakteryzujących s ię procentowo większą zaw artością egzynitu i in e rty n itu w stosunku do w itry n itu . Próbka nr 4 zaw iera duże i l o ś c i su b sta n c ji mineralnych w stosunku do pozo

sta ły c h próbek. Przebieg j e j różn i s ię od pozostały ch .

Należy przypuszczać, że wpływ zaw artości w itrynltów na p r o f il rentgeno- gramów j e s t spowodowany w ielkościam i ich centrów rozproszeniowych, które decydują zarówno o natężeniu krzywych dyfraktometrycznyeh ja k i przesuwa

n ia s i ę 'i c h maksimów.

Zmniejszanie s i ę natężen ia krzywych, a nawet brak występowania maksi

mum j e s t spowodowane różnicami w upakowania strukturalnym centrów rozpra

sz ający ch .

(4)

38 B. Hosowici, H. Orwat

u a t^Że n i e p r o m i e n i o w a n i a

1

£ 5 “Z f £ ^ s $ ^5 j r ^ [s t o p.J

KAT UOiąciA

R ys, 1

(5)

Badania wpływu zaw artości macerałów . 39

T ab lic a 1 Procentowa zawartość grup macerałów 1 su b sta n c ji mineralnych

w próbkach węgla

Nr próbki 1 numeracja krzywej na wykresie

Procentowa zaw artość grup macerałów oraz su b sta n c ji

mineralnych x

1 W-30 E-25 1-31 S-14

2 W-79 E-7 1-4 S-10

3 W-6 9 E-5 1-4 S-22

4 W-52 E-7 1-4 S -3 7 /

5 W-87 E-4 1-5 S-4

6 W-79 E-5 1-14 S-2

7 W-60 E-17 1-17 S—6

8 W-79 E-7 1-4 S-10

'

W - w itry n it

£ - egzynit I - In erty n it

S - su b stan c ja mineralna

LITERATURA

D l CULLITY B .P .s Podstawy d y fr a k c ji promieni rentgenowskich. PWN,War

szawa 1964.

r 2I GUINIER A ., POUSNER G .j Small-Angle S c a tte rin g o f X-Rays. London 1955.

Q3^] JASIEflKO S . t Praca h a b ilita c y jn a . Zeszyty Naukowe P o litech n ik i Wroc

ław sk iej Nr 102, Wrocław 1965.

£ 4! KASAEOCZKIN W .J.i Uzw.A.N. ZSRR, 10, 1401 1953 .

_ KASATOCZKIN W .J., RASUMOJA Ł .L .: D.A.N. ZSRR, 88 ,91 1953.

[ ^ IbLAYDEN H .E ., GIBSON J . f RILEY H .L .: Proc.Conf. U ltr a - fin e Stru ctu - r e o f C oals nad Cokes, BCURA 1943.

L 6 J DIAMOND R .s X-Ray S tu d ie s o f Some Carbonized C o als, P h il.T ran s, o f the Roy Soo. o f London Nr 1008 Vol.252 1960.

C7DKIRSCH P.B. Proc .Roy, So c. London A. 226, 143 1954 .

£ 8 ^ VAN KRAVELEN D.W., SCHUYER J . i Węgiel - Chemia węgla i jeg o struktu

r a . PWN, Warszawa 1951»

[ 9~J KIRSCH P .B .s Proc. Roy.Soo. London 1954.

(6)

40 B. Hosowics, H. Orwat

l j o ] DIAMOHD H.Ph.P. d y se rtacja U n iv ersitety o f Cambridge 1956. Acta C ry sta. 10 1957 i 11 1958 .

[11] KROGER C.,RULAHD w.s Rennstoff-Chemie

21.

_{1 1958}

HCCXEJLOBAEHG n o B.’KHKED 0CJC3HCAHHH 1IAHEPAJI03 HA .TPO iH iH p sH fff’S H o m r j o s s A n E H S jr r o n h H n s o e p a s u o b

' /

Peache:

Bh.uk BsmouHeEH.npn noiio«»

xa$paxmm

peKxreHOBCKHX ry»ie2, pesrreHo- rpaienj thjio.shx oOpa3qoB

KSMesitux

yrjte.1 hs paajnriHEX maxi. Hec.ueiCHarn.r rpoBoii-.unoi uc HEpoKc:" anairasosy yr.uos - ot bos::o~ko k t5;::ix go 0c£BEkx.

"ana «sues© HHTepnpeTaiiirH nojryseHHHX p0HTr6Horps.MMG3 3 p~*hku.iiii ~"C‘iêHTHoro coêpaaEKH- :.:aêpa.TiC3 -3 MjrnepajiBHHX ,£emec?£ s Cvp.c 35rax,

Ot-st.ukbc apo-E.usercs B.ussaHire jEe.unaemioro cogepuaHZE QTre.UBisnx rpyim MaaepaJioE a ax KOKSjeHTpa^na, b qacrBocra BHipxKUTa, na n-;,£:;e~u’c-'e ^k

?.

xcz

-

•-VJM03

KpnBHX,npeaoTaBAH5omnx BenecTBa o Heynop.usouieHHH:-: EaxEKKii raccenEa- :: Hanp.ureHMMH, JJaHHHiS’ 3i>$eKT aBuopH npjunECHBaBT pa3i.:epaM i;e” TpoE p3cceKEaHEat-xapaxsepHUM xjk 3HTp:uHKTa.

RESEARCH, OH THE IHFLOEHCE OF MACERATE COHTEHT

OH THE PROFILES OF X-RAY PHOTOGRAPHS OF HARD COAL SAMPLES S u m m a r yj

The X-ray photographs o f ty p ic a l hard co al samples from chosen c o al mines were taken by means o f X-ray d iffr a c tio n m icrographs. The research was c arrie d out in a wide sc a le o f an gles beginning from the p o s s ib ilit ie s o f sm all up to the la rg e an gles o f d if fr a c t io n . The in te rp re ta tio n s o f X-ray photographs in the percentage content fun ction of m acerates and mi

n eral substances in co al samples were made. The in flu en ce of enlarged con

tent of the p a r tic u la r groups o f m acerates, and e sp e c ia lly o f v i t r i n i t e , a,-o^ sh iftin g the maximae of curves which represen ted substances ch aracte

r i s t i c o f the long-range order absence, and th e ir in t e n s it ie s , proved to f>e e s s e n t ia l. According to the auth ors, t h is e ffe c t i s due to the magnitu

des of d issip a tio n cen ters c h a r a c te r is tic o f v i t r i n i t e s .