Твердые горючие ископаемые (ТГИ). Полимеры

План лекций:

1. ТГИ (общая характеристика, состав, свойства, методы переработки)

2. Полимеры.

Все горючие ископаемые – твердые, жидкие и газообразные – образовались из остатков растительного или животного происхождения и называются каустобиолитами (от греческих каустос-горючий, биос-жизнь, литос-камень). Судя по данному термину, к каустобиолитам следовало бы отнести лишь твердые горючие ископаемые (ТГИ), но, учитывая, что и нефть и природный газ образовались из нефтегазоматеринского вещества, пребывающего в твердом состоянии (горная порода), многие ученые все горючие ископаемые именуют каустобиолитами.

Широко известны виды горючих ископаемых: торф, бурые и каменные угли, антрациты – произошли из наземной растительности. Ее остатки накапливаются в лесных и тростниковых болотах и озерах, затем подвергаются биохимическим превращениям, сначала образуя торф. При погружении в водоемы с течением времени под воздействием температуры и давления торф превращается последовательно в бурые, каменные угли и антрациты.

Из высших растений образовались ТГИ, именуемые гумитами (гумус-перегной). Растворимая часть гумусового вещества могла быть снесена в море и отложена в осадочных породах. В застойных водоемах могли образоваться отложения биохимического превращения микроводорослей и животных организмов – планктона. Из них образовались ТГИ, именуемые сапропелитами. Из наиболее стойких частей высших растений (восков, смол, спорополленина, кутина) образовались горючие ископаемые, называемые липтобиолитами (от лейпо-остаточный). Эти фрагменты растительного материала весьма устойчивые и могут накапливаться при формировании остатка.

Исходным материалом, из которого образовались нафтиды, т.е. природные углеводороды, находящиеся в породах – коллекторах в газообразном или жидком состоянии, является рассеянное органическое вещество (РОВ) осадочных пород. По своему происхождению оно может быть морским, терригенным (наземным) или переотложенным. Терригенное органическое вещество сходно с компонентами углей. РОВ может быть либо сапропелевого, либо гумусового происхождения, но чаще всего это смесь веществ того и другого происхождения. Чисто сапропелевого и гумусового РОВ в осадочных породах мало.

Основными микроскопическими признаками ТГИ разной природы являются: основная масса, для гуммитов – оранжевая, бурая, коричневая, всегда с красными оттенками; для сапропелитов – светло-желтая желто-бурая и бурая.

Общая характеристика нафтидов

Нафтиды – это смесь УВ-ов различного агрегатного состояния, образовавшихся из рассеянного органического вещества. Нефть и газ образовались, главным образом, из сапропелевого материала, часть газа – из гумусового. Как правило, из гумусовых углей нефть не образуется.

Нефть – это сложная смесь природных жидких органических веществ, относящихся к угдеводородам, сернистым, кислородным и азотистым соединениям, в которых растворены твердые углеводороды и смолы. По внешнему виду нефть – маслянистая, чаще всего темная жидкость, флуоресцирующая на свету (свое название нефть получила от мидийского слова нафата – просачивающаяся, вытекающая в XVI в.)

Природный газ – нафтид, представляющий собой смесь газовых углеводородов (метана, этана, пропана, изобутана) в различных количественных соотношениях. Он может содержать такие жидкие углеводороды, как пентаны и гексаны. В его состав входят неуглеводородные газы: углекислый, сероводород, азот, водород и гелий.

Элементный состав горючих ископаемых

Данные об элементном составе горючих ископаемых (ГИ) необходимы для составления материальных балансов их переработки, а также для определения теплоты сгорания в случае использования ГИ в качестве топлива. По данным элементного анализа определяют место ГИ в естественнонаучных классификациях или направление их использования в народном хозяйстве.

Определение химического (элементного) состава в химии горючих ископаемых называется элементным анализом. Элементный анализ ТГИ включает определение углерода, водорода, кислорода азота и серы органической. В значительно меньшей массовой доле в ТГИ могут содержаться фосфор и другие элементы, в т.ч. редкие металлы.

Массовые доли углерода и водорода определяются одновременно из одной навески ТГИ путем ее сжигания при 800⁰с в токе кислорода, улавливания СО₂ и Н₂О растворами КОН (40%) и Н₂SО₄ (плотность 1,84 г/см³) соответственно, их количественные определения с последующим пересчетом на содержание элементов С и Н в %-ах.

Содержание азота в углях определяют методом Кьельдаля: навеску угля в колбе из тугоплавкого стекла 4-5 г кипятят с концентрированной серной кислотой в присутствии катализаторов. В результате С и Н угля окисляются в СО₂ и Н₂О, а азот переходит в аммиак, образующийся с избытком кислоты сульфат аммония, который разлагают 40%-ным раствором щелочи, а образовавшийся аммиак улавливают и определяют количественно титрованием серной кислотой.

Сера органическая определяется как разность между общим содержанием сернистых соединений и суммой сульфатной и пиритной серы.

Содержание кислорода в органической массе определяют прямым методом по С.А. Бабушкину и Е.А. Друяну.

Физические свойства горючих ископаемых

Изучение физических свойств горючих ископаемых (ГИ) имеет не только теоретическое, но и большое прикладное значение. С участием их физических констант производятся расчеты технологических процессов переработки ГИ. К физическим свойствам ТГИ относят: плотность, молекулярную массу, тепловые свойства (удельная теплоемкость, коэффициенты тепло- и температуропроводности, теплоты испарения, плавления, энтальпия, а также теплота сгорания), температура кипения, электрические и оптические свойства,

Техническая характеристика горючих ископаемых

При добыче и использовании ГИ в народном хозяйстве в большинстве случаев их качество определяется такими характеристиками, как содержание влаги, минеральных примесей и общей серы, выход летучих веществ при нагреве без доступа воздуха (для ТГИ) и фракционный состав (для нефти).

Методы переработки ТГИ в различные продукты

Переработка ТГИ, в частности каменных углей, в такие продукты, как кокс, газ, смолы, масла насчитывает уже несколько столетий. Но широкое применение ТГИ для получения необходимых химических соединений и веществ началось в ХХ веке.

Термические – это методы переработки ТГИ, связанные с воздействием высоких температур без доступа воздуха или с применением реагентов, но главным является температурное воздействие. К ним относятся:

а) коксование (получаются кокс, газ, каменноугольная смола, ароматические соединения, фенолы, пиридин);

б) полукоксование (полукокс, первичная смола, газовый бензин газ);

в) окускование (бытовое топливо);

г) энерготехнология (твердое топливо, первичная смола) и т. д.

Термохимические – это методы переработки ТГИ, в которых сочетаются применение различных реагентов или растворителей и температур. К ним относятся:

а) восстановительные процессы: термопластификация, гидрогенизация, термическое растворение, экстракция, производство адсорбентов;

б) окислительные процессы: окисление кислородом, озоном, галогенами, кислотами; в) гидролиз щелочами ТГИ.

В настоящем и в будущем основные ресурсы органических топлив представляют твердые горючие ископаемые (ТГИ).

Высокомолекулярные соединения могут быть природными или синтетическими. К числу природных относятся белки, полисахариды, природные смолы, натуральный каучук и т.п., а к числу синтетических – полиэтилен полистирол, полиамиды, фенольные смолы и т.п.

Высокомолекулярные соединения состоят из больших молекул, молекулярная масса которых превышает несколько тысяч, а иногда может достигать многих миллионов.

Молекулы таких соединений состоят из комбинаций малых молекул одинакового или разного химического строения. Соединяясь между собой силами главных валентностей (химическими связями), малые молекулы образуют высокомолекулярное вещество.

В большинстве случаев высокомолекулярные соединения являются полимерами – веществами, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся структурных единиц.

Большинство известных сейчас полимеров (природных и синтетических) содержат углерод и являются органическим веществами.

В одну молекулу полимера может входить одна, две, а иногда три и более повторяющиеся структурные единицы. Некоторые природные полимеры проявляют биологическую активность и называются биополимерами.

Широкий интерес к полимерам, большой объем промышленного производства синтетических полимеров обусловлены в первую очередь уникальным комплексом их физико-механических свойств.

Значение полимеров в жизни современного общества огромно, и рост производств и потребления полимеров – одно из генеральных направлений развития народного хозяйства. Трудно назвать какую-либо отрасль промышленности и транспорта, культуры и быта сельского хозяйства и медицины, оборонной и космической техники, где можно было бы обходиться без полимеров, которые выступают как совершенно новые материалы с неизвестными ранее свойствами. В последнее время темпы роста производства полимерных материалов непрерывно увеличиваются. Это касается таких полимеров, как полиэтилен, полипропилен, фенопласты, поливинилхлорид, полистирол полиэфиры, полиамиды. Растет также экономическая эффективность их производства и применения.

Нефть и газ – горные породы. Они относятся к группе осадочных вместе с песками, песчаниками, глинами, известняками, каменной солью и т.д. Одно изважных их свойств – способность гореть. Таким же качеством обладает и ряд других осадочных пород: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все горючие ископаемые – твердые, жидкие и газообразные – образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греч. «каустос» - горючий, «биос» - жизнь, «литос» - камень, т.е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним-то и относятся нефть и газ.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении. Каустобиолиты угольного типа отличаются явным преобладанием углерода над водородом: для антрацита это соотношение (С/Н) равно 63, для каменного угля – 17 и т.д. Нефти же имеют более уравновешенную пропорцию углерода и водорода, поэтому С/Н у них варьирует обычно в пределах 6-6,5. В каустобиолитах угольного ряда повышено также содержание кислорода по сравнению с нефтями: в буром угле – 23,7%, в торфе – 29,7, а у нефтей – 0,5-1,7%.

И в настоящем и в будущем основные ресурсы органических топлив представляют твердые горючие ископаемые (ТГИ).