научная статья по теме УГЛЕВОДОРОДНЫЙ СОСТАВ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ ТЕРМОЛИЗА ГУМУСОВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «УГЛЕВОДОРОДНЫЙ СОСТАВ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ ТЕРМОЛИЗА ГУМУСОВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 6, с. 24-31

УДК 662.7:552.57

УГЛЕВОДОРОДНЫЙ СОСТАВ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ ТЕРМОЛИЗА ГУМУСОВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

© 2013 г. В. В. Савельев, А. К. Головко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: savel@ipc.tsc.ru; golovko@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 10.08.2012 г.

Представлены результаты газо-жидкостного-хромато-масс-спектрометрического анализа углеводородов, выделенных из жидких продуктов термолиза витринитов различной степени метаморфизма. Алканы представлены набором соединений с числом атомов Сц до С35. Среди соединений нафталинового ряда в продуктах термолиза возрастает доля алкилзамещенных (С1—С4) нафталинов, особенно С2—С3 гомологов. Триароматические соединения преимущественно представлены Ci—C2 — производными фенантрена.

DOI: 10.7868/S0023117713060091

Согласно современным представлениям о химическом строении угля [1], его органическая масса состоит преимущественно из высокомолекулярных полимеров нерегулярного строения. Однако в процессе углефикации угли также генерируют углеводородные соединения, близкие к тем, которые встречаются в нефти. Можно предположить, что общая схема образования углеводородов из углей и из керогена нефтематеринских пород одинакова.

Установлено большое сходство между физико-химическими свойствами угля и керогена и их структурой и химической эволюцией при катагенезе. Катагенетические изменения в угле и кероге-не сводятся в основном к постепенному удалению пространственных препятствий (гетероатомные связи, алифатические цепи и насыщенные циклы) для достижения более стабильной конфигурации молекул при более высоких температурах и давлениях. В результате наблюдается процесс образования смол, асфальтенов и углеводородов [2].

Цель работы — выявление особенностей распределения углеводородов, выделенных из жидких продуктов термолиза витринитов различной степени углефикации.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования выбраны витриниты кольчугинской и балахонской серий Кузнецкого бассейна (Россия). Исследуемые вит-риниты различной степени градации метакатаге-неза (МК) и апокатагенеза (АК) — МК1, МК2,

МК3, МК4, МК5 и АК1 выделены из каменных углей марок Д, Г, Ж, К, ОС и Т соответственно.

Термолиз витринитов проводили в проточном реакторе с программируемой температурой до 500°С в потоке бензола и при давлении в системе 150 атм [3].

Жидкие продукты разделяли по растворимости на групповые псевдокомпоненты витринита: преасфальтены, асфальтены, смолы и масла. Ас-фальтены из бензолрастворимой части выделяли холодным методом Гольде (40 объемов н-гекса-на). Выделение смол и масел осуществляли методом жидкостно-адсорбционной хроматографии на силикагеле последовательным элюированием масел гексаном, а смол — спиртобензольной смесью (1:1 по объему). Подробнее условия эксперимента и групповой состав образующихся пироби-тумоидов представлены в [4].

Растворимую в гексане часть жидкого продукта (мальтены) после удаления растворителя дополнительно разделяли на смолы и масла (насыщенные, моноароматические, биароматические и триароматические УВ) методом жидкостно-ад-сорбционной хроматографии с использованием стеклянных колонок длиной 100 см и диаметром 1.5 см. В качестве адсорбента использовали оксид алюминия II степени активности по шкале Брокма-на, зернение адсорбента составляло 100—160 мкм. Использование А1203 в ЖАХ позволяет более полно отделить насыщенные углеводороды от ароматических, а ароматические — в зависимости от числа колец. Заполнение колонки осуществляли сухим способом. Соотношение масс адсорбента и разделяемой фракции составляло 80 : 1. Элю-

57.00 (1.00)

750е3

500е3

250е3

0е3

1500е3 1250е3 1000е3 750е3

24

18

Л

т--1-г

т-1—-1-1-1---г

24

500е

250е3

0е3

18

■иУ»

10 20 30 40 50

"б0 70 80 90 100 110 120 130~

1500е3-57.00 (1.00) 1250е31 1000е3 750е3

500е3 250е3 0е3 350е3 300е3 250е3 200е3 150е3 100е3 50е3 0е3

Время удерживания, мин 24

18

л . 1 .^п!

иХ А Л

д]

Ш

шу

"57.00 (1.00)

[Ц1

10

18

24

Ю

40

50

"б0~

100 110 120 130

20

70

80

90

Время удерживания, мин

а

в

г

800e3

700e3

600e3

500e3

400e3

300e3

200e3

£ 100e3

о

о я 0e3

S

о

Я 350e3

И я 300e3

К

250e3

200e3

150e3

100e3

50e3

0e3

57.00 (1.00)

24

■ ■ '

t---i- i I i

57.00 (1.00)

18

т-1-1-г

24

El

18

_|_^ -- -- ^_|_|_|_|_I_I_I_

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Время удерживания, мин --

Рис. 1. Масс-фрагментограммы масел жидких продуктов витринитов по иону с m/z 57 (алканы): а — витринит Г; б -витринит Д; в — витринит Ж; г — витринит К; д — витринит ОС; е — витринит Т

енты — последовательно гексан, смесь гексана с бензолом в соотношении 3:1 — насыщенные и ароматические УВ и смолы вымывали смесью спирт-бензол (1:1). Пробы по 5 мл отбирали в пробирки со скоростью 0.5 мл/мин.

Таблица 1. Некоторые параметры состава алканов продуктов термолиза витринитов

Образец С27/С17 Внг/нмг Доля С17+, %

Витринит Д 0.25 1.41 91.00

Витринит Г 0.60 2.01 89.97

Витринит Ж 0.39 1.24 88.44

Витринит К 0.10 0.23 47.04

Витринит ОС 90.59 28.88 100.00

Витринит Т 3.62 4.46 98.17

Полученные элюаты объединяли по группам на основании значений Я, полученных методом тонкослойной хроматографии на пластинках "8ь 1иЮ1" с люминофором иУ 254 нм, а также ультрафиолетовых спектров. ТСХ полученных элюатов проявляли в системе н-гексан:хлороформ (95 : 5 по объему) в камере восходящего потока. Стандартную смесь готовили из четырёх компонентов: н-гексилбензола, 1,6-диметилнафталина, фенан-трена и хризена в соотношении 20 : 5 : 3 : 1 по массе. Группы элюатов объединяли на основании сравнения величины Я хроматографических проб и индивидуальных УВ. Чистоту разделения фракций углеводородов контролировали по электронным спектрам.

Газожидкостный-хромато-масс-спектрометри-ческий анализ (ГЖХ-МС) углеводородов проводили на хромато-масс-спектрометрической квад-рупольной системе GCMS-QP5050 "8Ытаё2и" с использованием капиллярной кварцевой колонки DB5-MS длиной 30 м х 0.25 мм. Газ-носитель — гелий. Масс-спектры сканировали в диапазоне

е

Таблица 2. Некоторые параметры состава нафталинов (Н) продуктов термолиза витринитов различной степени преобразованности

Образец Содержание гомологов, отн. % С1Н/Н С2Н/Н С3Н/Н С4Н/Н

H С1Н С2Н С3Н С4Н

Витринит Д 3.55 13.60 29.23 34.55 19.07 3.83 8.24 9.74 5.37

Витринит Г 8.02 16.43 26.00 29.25 20.29 2.05 3.24 3.65 2.53

Витринит Ж 1.86 21.87 20.73 39.38 16.16 11.75 11.13 21.15 8.68

Витринит К 12.61 29.41 35.21 18.00 4.77 2.33 2.79 1.43 0.38

Витринит ОС 27.26 10.66 5.60 6.06 50.42 0.39 0.21 0.22 1.85

Витринит Т 0.25 5.56 29.28 30.64 34.27 22.26 117.18 122.65 137.15

масс до 700 а.е.м. Режим программирования температуры: от 80 до 290°C со скоростью нагрева 2°С/мин.

На основе полученных масс-фрагментограмм углеводородов по полному ионному току в режиме SIM (селективное сканирование отдельных ионов) проводили реконструирование хроматограмм отдельных классов соединений по характеристичным ионам со следующими значениями m/z: 57 — н-ал-каны; 177, 191 — гопаны; 91, 105, 119 — алкилбензо-лы; 128, 142, 156, 170, 184 - биарены и 178, 192, 206, 220, 234 — триарены. Идентификацию соединений осуществляли, сравнивая полученные индивидуальные масс-спектры с имеющимися в библиотеке системы, а также с опубликованными литературными данными [5, 6].

Обсуждение результатов

Результаты анализа углеводородного концентрата (масел) жидких продуктов термолиза витри-нитов каменных углей различной степени метаморфизма методом хромато-масс-спектроскопии указывают как на заметное изменение индивидуального состава некоторых классов соединений, так и на изменение их относительного содержания в смеси.

Термолиз витринитов в неизотермических условиях в среде бензола приводит к изменению молекулярно-массового распределения алканов (рис. 1). Алканы представлены широким набором соединений от С11 до С35. Максимум концентраций на кривой молекулярно-массового распределения н-алканов зависит от степени преобразо-ванности витринитов. Так, например, для низко-преобразованных витринитов углей марок Д, Г и Ж распределение алканов носит унимодальный характер с максимумом, приходящимся на С24. Распределение н-алканов в маслах при термолизе

витринита К указывает на возрастание концентраций низкомолекулярных алканов С15—С16. Повышение степени преобразованности органического вещества (ОВ) в витринитах марок ОС и Т сказывается на увеличении доли высокомолекулярных алканов С25—С27, причем в витрините Т отмечается бимодальное распределение алканов С18—С19 и С25—С26 с ярко выраженным доминированием нечетных углеводородов [7]. Тенденцию увеличения доли высокомолекулярных гомологов (вмг) более четко отражает величина соотношения суммарной площади пиков гомологов с числом атомов углерода в молекуле больше 20 и до 20 низкомолекулярных гомологов (нмг) (табл. 1).

Отмечено, что с увеличением степени метаморфизма гумусового ОВ (витринитов) увеличивается доля высокомолекулярных алканов в составе жидких продуктов термолиза, лишь в случае витринита марки К среди алканов преобладают углеводороды с числом атомов углерода до 17. Смещение максимума в высокомолекулярную область, возможно, связано с эмиграцией подвижных компонентов на предыдущих стадиях углефикации. Однако содержание и состав алка-новых УВ определяют не только условия, в которых происходит преобразование гумусового органического вещества: существенную роль играет и природа исходного органического вещества [8].

В составе жидких продуктов витринитов присутствуют нафталин и его алкилзамещенные гомологи. Как видно из табл. 2 и рис. 2 , в продуктах термолиза возрастает доля алкилзамещенных (Сх—С4) нафталинов, особенно С2—С3 гомологов.

Триароматические углеводороды в продуктах термолиза витринитов представлены в табл. 3 и на рис. 3. В маслах термолиза витринитов марок Д и Г также присутствует антрацен в равнозначимых

200000 ■ 175000 ■ 150000 ■ 125000 ■ 100000 ■ 75000 ■ £ 50000

нос 25000 ив 0

с н е

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком