CC BY
20
УДК 54.061
Кувшинов Н.Е.
инженер научно-исслед. лаборатории «ФХПЭ» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань
Kuvshinov N.E., engineer laboratory "FHPE" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЯ
Аннотация: В статье представлены результаты физико-химического анализа угля месторождения «Каражыра».
Ключевые слова: уголь, экстракция, инфракрасная спектроскопия (ИК- спектр), рентгенофазовый анализ (РФА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).
PHYSICO-CHEMICAL METHODS OF INVESTIGATION
Abstract: the article presents the results of physico-chemical analysis of coal deposits "Karazhyra".
Keywords: coal, extraction, infrared spectroscopy (IR range), x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM).
Как известно уголь является одним из фундаментальных энергоносителей органического происхождения, а также богатейшим источником сырья для химической промышленности.
Одним из важных методов изучения углей является их экстракция, или растворение. Многочисленные исследования, направленные на получение растворимых продуктов из углей, обусловлены стремлением познать их структуру, а также преследует и практическую цель - получить из угля жидкие продукты для использования огромных запасов природного органического сырья[1].
Обширная часть научно-исследователских работ[2] свидетельствуют, что с посредством экстрагирования угля органическими растворителями можно получить ценные химические продукты такие как: н-алканы, изоалканы, алкены, циклоалканы, арены и т. д.
Учитывая вышеизложенное, объектом нашего исследования является экстракция угля месторождения Каражыра органическими растворителями на аппарате Сокслета. Перед тем как приступить к процессу экстрагирования, подробно изучили физико - химические показатели каменного угля месторождения «Каражыра»: технический анализ угля, ИК-спектроскопия, рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия
1.Технический анализ угля
Технический анализ угля месторождения «Каражыра» проводили по стандартным методикам[3]. Выход летучих веществ (Vdaf, %) определяли
как потерю массы навески угля при нагревании без доступа воздуха за вычетом потери массы, обусловленной влажностью пробы и пересчитанное на сухое беззольное состояние топлива. Испытания проводились при температуре 900оС в течение 7 мин. Аналитическую влагу (Wа, %) определяли как потерю массы навески угля при нагревании в сушильном шкафу при 105-110 °С до постоянной массы. Для определения зольности (Аа, %) пробу угля озоляли в муфельной печи, нагреваемой с определенной скоростью до температуры (815±10) °С, и выдерживали при этой температуре до постоянной массы. Зольность в процентах рассчитывали по массе остатка после прокаливания.
Определение содержания основных элементов органической массы -углерода (Cdaf), водорода (Hdaf) проводили на анализаторе Labsys Evo (Setaram, Франция, 2013, Исследования выполнены на базе «Института полимерных материалов и технологий» г. Алматы).
Результаты определения общего углерода, водорода, серы, азота кислорода и фосфора представляют собой массовые доли этих элементов в аналитической пробе, выраженные в процентах.
Таблица 1 - Качественные характеристики угля месторождения «Каражыра»____
№ п/п Показатели Единица измерения Индекс Величина средняя
1 Влага % W 14,0
2 Зольность % A 19,8
3 Выход летучих веществ % V 47,0
4 Сера % S 0,4
5 Углерод % C 75,5
6 Водород % H 5,3
7 Азот % N 1,7
8 Кислород % O 16,8
9 Фосфор % P 0,04
2. Исследование углей методом инфракрасной спектроскопии (ИК-спектр)
В ИК - спектрах исследуемого угля были идентифицированы полосы поглощения характерные валентным колебаниям амидов, ароматических углеводородов, ароматических и арилалкильных эфиров, спиртовых гидроксилов. Исследование качественного состава угольных образцов определяли по групповым полосам в ИК-спектрах, полученных с помощью спектрометра ИК-Фурье спектрофотометр Cary 660 FTIR (Agilent technologies, США, 2014, Исследования выполнены на базе «Института полимерных материалов и технологий» г. Алматы).
0.040
0.035 0.030
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
3619 3693
3392
2928
1616 А
1450
1282 1097
1033
913 798
3800 3600 3400 3200 3000
2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 Wavenumber
1000 800
Рисунок 1. График ИК спектра угля
Анализ полученных ИК-спектров показал (рисунок 1, таблица 2), что во всех образцах наблюдается обилие гидроксильных ОН-групп с широкой полосой поглощения валентных колебаний в области 3100-3700 см-1 с максимумом 3435см-1 , что характерно для воды, связанной водородными связями обычно с окнами из КВг. В области спектра от 3000 до 2700 см-1 отмечается основной максимум при 2921 см-1с плечом 2960 см-1-асимметричные колебания СН2-групп и дополнительный максимум при 2852 см-1-симметричные колебания СН-групп. Наличие интенсивной полосы поглощения скелетных колебаний С=С- связей в области спектра от 1630 до 1580 см-1с максимумом 1611 см-1, характерным для ароматических углеводородов. Все образцы содержат метиленовую группу (-СН2-), идентифицируемую по характеристическим полосам поглощения асимметричных деформационных колебаний в области 1480-1440 см-1, и симметричных деформационных колебаний в области 1380 см-1.
Геминальные диметильные группы отсутствуют, поскольку полоса 1380см-1 одиночная. ИК-спектры имеют четко выраженные полосы поглощения валентных колебаний С-О и деформационных колебаний -ОН в спиртах в интервале волновых чисел 1000-1260 см-1с четко выраженным максимум в области 1032см-1с плечом 1093 см-1 Ароматические
углеводороды имеют интенсивное поглощение в диапазоне 900-670 см-1, вызванные плоскостными деформационными колебаниями -С-Н._
Природа колебаний Тип соединений Частота, см-1
Voh Гидроксильные группы 3693(ср.), 3619(ср.), 3392 (ср.).
Vch Метиленовые группы в бензольном кольце 2928 (ср.)
Vc=c Двойные углеродные связи первичных амидов 1616 (с.)
Ненасыщенные соединения
Vhc-ch (ароматические углеводороды) 913 (ср.) - 798 (ср.)
Vcoc Ароматические и арилалкильные эфиры 1282 (сл.)
Vc-o-; -oh- Первичные спирты 1097 (ср.) - 1033 (ср.)
Vch2 Метиленовые группы 1450 (ср.)
Таблица 2. Характеристика ИК - спектров исследуемого угля (с. -сильные, ср. - средние, сл. - слабые полосы)
3. Исследования углей методом рентгенофазового анализа (РФА). Исследования угольных образцов месторождения «Каражыра» методом РФА проводили на рентгенофлуоресцентном спектрометре Epsilon (Panalytical, Нидерланды, 2012, Исследования выполнены на базе
«Института полимерных материалов и технологий» г. Алматы). $
! i Ш
Ж
Рисунок 2 - Рентгенограмма угольного образца месторождения «Каражыра»
Полученные данные представлены в таблице 4 (рисунок 2). На основании анализа РФА видно, что процентный показатель кремния (5.024%) , алюминия (2.764%), кальция (2.232%) превышает всех других показателей. Самые низкие процентные показатели имеют цинк с (0.008%), марганец (0,0006%), хром (0,011%). В общем итоге по результатам анализа выявлено 16 элементов в составе угля.
Таблица 3. Результат анализа пробы угля на РФА
№ Соединение Проба 1 Проба 2 Проба 3 Средняя величина Единица измерения
1. Mg 0.097 0.099 0.095 0.097 %
2. Л1 2.770 2.769 2.755 2.764 %
3. Si 5.027 5.033 5.012 5.024 %
4. р 0.432 0.437 0.439 0.436 %
5. S 1.074 1.070 1.071 1.071 %
6. С1 0.445 0.444 0.444 0.444 %
7. к 0.424 0.426 0.421 0.423 %
8. Са 2.235 2.234 2.229 2.232 %
9. Л 0.442 0.443 0.441 0.442 %
4. Изучение поверхности углей методом сканирующей электронной Микроскопии (СЭМ).
Морфологию образцов угля исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью микроскопа JSM 6390 LM JEOL, (Исследования выполнены на базе «Института полимерных материалов и технологий» г. Алматы), отобраны типичные для данного образца куски угля. Поверхность образца неоднородная с участками, характеризующимися плотной структурой и с пористой текстурой. На поверхности наблюдаются также кластеры микронного размера. Участки с пористой текстурой имеют рифленую поверхность с открытыми щелевидными и туннелевидными выходами, образующими систему пор размером 2-10 мкм.
200мкт Электронное изображение 1
Рисунок 3. Изображение образца угля снятый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) - участок с плотной морфологией поверхности с пористой текстурой.
Рисунок 4. График анализа угля методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Результаты исследования представлены в таблице 4 (рисунок 3). Исходя по соотношениям данных РФА и СЭМ можно сделать вывод, что анализы расходятся, а именно РФА предоставляет более точный и широкий перечень зафиксированных компонентов в составе угля нежели СЭМ. Причиной тому является способ исследования. Рентгенофазовый анализ исследует всю структуру угля, для этого уголь измельчают в порошок. А при сканирующей электронной микроскопии исследуется только определенный участок угля и только поверхность.
№ Яа А! 81 8 Ре Единица измерения
Проба 1 2.18 3.39 4.94 49.08 40.42 %
Проба 2 2.19 3.53 5.09 49.36 39.84 %
Проба 3 2.06 3.59 5.20 48.91 40.24 %
Среднее значение 2.14 3.50 5.07 49.12 40.16 %
На основании физико-химического исследования можно сказать что, уголь является ценным источником получения органических соединений
методом экстрагирования.
Использованные источники:
1. Русьянова Н. Д. Углехимия. - Москва: «Наука» 2000. - С. 142.
УДК 004.7
Кувшинов Н.Е.
инженер научно-исслед. лаборатории «ФХПЭ» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань
Kuvshinov N.E., engineer laboratory "FHPE" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan МОДЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Аннотация. Рассматриваются модель надежности кластерных систем обработки данных, объединяющих дублированные узлы, приведена формула для расчета коэффициента готовности системы.
Ключевые слова. Система обработки данных, коэффициент готовности, цепь Маркова, надежность, кластер.
Для систем ответственного назначения при проектировании основная задача является обеспечение высокой надежности и отказоустойчивости. Для компьютерных систем, функционирующих в режиме энергосбережения надежность, как правило, достигается при использовании ненагруженного резерва, при котором важно исследование влияния переключения резерва на надежность системы.
Рассмотрим вычислительную систему кластерной архитектуры, объединяющую узлы с одним основным и одним резервным узлом, из соображений энергосбережения в каждый момент времени только один узел может быть активным (обрабатывать запросы пользователей). Будем считать, что узлы кластера независимы по отказам и восстановлениям. Для оценки коэффициента готовности узла кластера воспользуемся известной [1] моделью, для которой граф состояний и переходов представлен на рис. 1 [1].
Рис. 1. Граф состояний узла кластера с основным и резервным узлами
