Bài giảng Công nghệ chuyển hóa than: Phần 3 - Văn Đình Sơn Thọ

Chia sẻ: Kiếp Này Bình Yên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

86
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 3 của bài giảng cung cấp cho người học những hiểu biết về cấu tạo hóa học của than. Trong phần này, các bạn sẽ tìm hiểu các phương pháp nghiên cứu cấu tạo hóa học của than như: Nghiên cứu cấu tạo than bằng phương pháp hóa học, nghiên cứu cấu tạo than bằng phương pháp hóa lý, đưa ra mô hình, chứng minh lại mô hình cấu tạo. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Công nghệ chuyển hóa than: Phần 3 - Văn Đình Sơn Thọ

PHẦN 3 CẤU TẠO HÓA HỌC CỦA THAN Giảng viên : Văn Đình Sơn Thọ Phone : 097.360.4372 thovds-petrochem@mail.hut.edu.vn Địa chỉ load bài giảng : https://sites.google.com/site/vandinhsontho
Làm thế nào để nghiên cứu cấu tạo hóa học của than ?  Nghiên cứu cấu tạo Than bằng phương pháp hóa học  Nghiên cứu cấu tạo than bằng phương pháp hóa lý  Đưa ra mô hình  Chứng minh lại mô hình cấu tạo
3.1. Sử dụng các phương pháp hóa học  Phương pháp trích ly bằng các dung môi khác nhau  Phương pháp thủy phân  Phương pháp oxy hóa  Các phản ứng hóa học khác
1.Trích ly  Bằng nước ở áp suất cao Đối tượng : Chỉ đối với than biến tính thấp ( than bùn, than nâu) Kết quả : Phát hiện thấy mono, di-xacarit, các axit amin Với than biến tính cao ?????  Trích ly nhiều lần bằng dung môi
2. Phương pháp oxy hoá  Dùng các tác nhân oxy hoá mạnh như H2O2, KMnO4, HNO3, H2SO4.  Khi dùng HNO3 đậm đặc để oxy hoá than ở 160oC, 5at và 8h thu được axit (melitic, acetit, benzocacboxylic) và nitrophenol.  Khi nghiên cứu phản ứng oxy hoá than có độ biến tính khác nhau thu được các sản phẩm thay đổi theo quy luật và trong đó axit melitic có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc của than. Xuất phát từ axit melitic người ta suy đoán rằng để tạo ra axit này thì trong than phải có chất có cấu tạo C >18 và rất có thể là dạng coronen và triphenilen
Coronel Triphenilen Axít melitic  Khi độ biến tính tăng thì M và Ca cũng tăng (độ ngưng tụ vòng thơm tăng).  Khi oxy hóa than bùn thu được ít Ca, than nâu nhiều Ca hơn nhưng đối với than đá thì Ca tăng mạnh nhất. Chứng tỏ trong quá trình biến tính độ ngưng tụ của than tăng dần và có tính quy luật.
Hiệu suất axit melitic khi oxy hoá và số nguyên tử C thơm trong đơn vị cấu trúc M Ca 25 100 20 80 Ca : Cacbon thơm trong than 15 1 60 M : Số mg axit melitic có trong 100g Ca có trong than 10 40 Đường 1 : Cacbon thơm 2 5 20 Đường 2 : Axit melitic 0 0 70 80 90 100C
 Trong quá trình oxy hoá còn thu được axit oxalic. Trong PTN axit oxalic được điều chế bằng cách dùng KMnO4 oxy hoá các hợp chất vòng loại benzen có gốc metyl. CH3 OOH C COOH COOH 2H2O + + COOH COOH COOH CH3  Như vậy chứng tỏ rằng trong phân tử than ngoài phần vòng thơm ngưng tụ còn có những gốc hydrocacbon mạch thẳng có các nafta đính vào
3.Phương pháp halozen hoá Khi nghiên cứu phản ứng của Cl2 của than non Fisher thấy rằng Than + Cl2(k) T < 320oC sản phẩm C2H2Cl4, CCl4 T > 320oC sản phẩm là CCl6 Ở những điều kiện không khắt khe cho sản phẩm sản phẩm halozen hoá của hợp chất mạch thẳng bão hoà. Trong điều kiện khắt khe thì sản phẩm là các hợp chất halozen của hợp chất loại vòng thơm. Vậy trong than có thể có cấu tạo hydrocacbon loại polyphenol trong đó nhân là hệ vòng ngưng tụ có khả năng phản ứng kém và phần nhánh là hydrocacbon khong phai vòng thơm có khả năng phản ứng lớn hơn.
5. Phương pháp thuỷ phân  Tác nhân thuỷ phân là KOH, NaOH, Na2CO3… và sản phẩm thu dược là axit humic.  Ax humic là hợp chất cao phân tử gồm các vòng thơm ngưng tụ cao và những hydrocacbon mạnh thẳng no và không no, hợp chất vòng và naphten và trong phân tử có chứa nhiều các nhóm chức khác nhau như cacbonyl (-C=O), cacboxyl (-COOH), metoxyl (-O-CH3) và các nhóm hydroxyl lọai phenol và rượu.  Trong quá trình biến tính axit humic biến đổi và ngưng tụ thành chất humin. Vì vậy humin có phân tử lượng lớn và có ít nhóm chức. Qua nghiên cứu cấu tạo của ax humin thấy rằng phân tử than gần giống với cấu tạo của ax humic nghĩa là gồm phần nhân và phần nhánh bên.  Nc hàm lượng nhóm định chức của axit humic của các loại than có độ biến tính khác nhau, thấy sự biến đổi có quy luật. Khi độ biến tính tăng thì hàm lượng các nhóm chứa giảm (riêng trường hợp – CO có tính ổn định hơn cả).
Các phương pháp phân tích nhóm định chức •Nhóm metoxyl : tiến hành phản ứng phân huỷ với HI •Nhóm cacboxyl : Xác định chỉ số iot •Nhóm hydroxyl : xác định bằng anhydric acetic trong môi trường piridin ở 90oC. Nhóm cabonyl : Dùng phenylhydrazin Nhóm chức Than bùn Than nâu Than đá Antraxit -COOH 4-5 1-10 0-0,1 0 -OH 2-8 3-2 0-0,5 0 -OCH3 1,3-3,5 0,5-5 0,03 0 -CO 1-3 3-4 2-3 1 -O- 2 2 0,1 0,1
6. Phương pháp trích ly bằng dung môi  Nguyên lý : Chất có trọng lượng phân tử và cấu tạo càng gần với cấu tạo của dung môi thì khả năng hoà tan càng cao. Các dung môi có thể sử dụng để trích ly than đó là rượu, benzen, CCl4, axeton… điều đó chứng tỏ trong than có những chất có cấu tạo gần giống với các dung môi trích ly.  Khi sử dụng môi rượu etilic và benzen có tỷ lệ 1 : 1 để trich ly ta thu được các loại bitum và có quy ước sau Bitum A là sản phẩm thu được khi trích ly than bằng dung môi trên ở áp suất thường. Bitum B : Sau khi tách bitum A, phần còn lại đem trich ly trong C6H6 ở áp suất cao. Bitum C : sau khi lấy bitum A, phần than còn lại tác dụng vối HCl 10%, rửa bằng nước, xấy khô rồi trich ly bằng hỗn hợp etylic : benzen thu được bitum C
Trong 3 loại bitum trên chỉ có bitum A là sẵn có trong than còn bitum B và C là các sản phẩm tạo thành do quá trình phân huỷ nhiệt của than. Loại than Bitum A (%) Than bùn 8-22% Than nâu 2,5-15% Than đá 0,1-0,5%  Thấy rằng lựợng bitum A trong than phụ thuộc vào độ biến tính của than. Có nghĩa là qúa tình biến chất của than ngày càng chăt chẽ hơn và phức tạp hơn, trọng lượng phân tử càng tăng, mức độ hoá tan giảm do đó khi trích ly hiệu suất của bitum giảm. Khi phân tích bitum từ than bùn và than nâu thấy chủ yếu chứa nhiều chất sáp, chất nhựa và hydrocacbon. Còn đối với than đá chủ yếu là các hợp chất vòng thơm. Điều đó có nghĩa là qúa trình biến chất có sự biến đổi sâu sắc về bản chất cuả than.
Tóm lại bằng biến tính hoá học có thể kết luận về cấu tạo của phân tử than gồm hai phần  Nhân là hệ vòng thơm ngưng tụ  Nhánh là hệ vòng chủ yếu là hydrocacbon mạnh thẳng không no  Trong phân tử than cón có các dị nguyên tố Trong quá trình biến tính than kích thước nhần nhân tăng dần , phần nhánh giảm dần (độ ngưng tụ tăng). Trong phân tử than có các nhóm định chức mang oxy có tính axit, khi độ biến tín tăng thì lượng của nhóm định chức chứa oxy giảm.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X • Phương pháp Hồng ngoại
2.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen Cơ sở của phương pháp  Phương pháp XRD là phương pháp được sử dụng rất phổ biến để nghiên cứu vật liệu có cấu trúc tinh thể. Phương pháp này cho phép nhận diện nhanh chóng và chính xác pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng để định lượng pha tinh thể với độ tin cậy cao.  Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion khoảng vài AO, tức là vào khoảng bước sóng tia X. Do đó, khi chùm tia X tới đập vào bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong nó, thì mạng tinh thể đóng vai trò như các nhiễu xạ đặc biệt.
 Chùm tia X Nhiễu xạ • Trong mạng tinh thể, các nguyên tử hay ion có thể phân bố trên các mặt phẳng, gọi là mặt phẳng song song P1, P2, P3. Các nguyên tử bị kích hoạt bởi chùm tia X sẽ trở thành những trung  d tâm phát ra tia tán xạ, khi ấy những tia phản xạ trên những nút ở trong cùng một mặt phẳng (như mặt phẳng P1) sẽ cùng pha vì có cùng quang trình. Trong điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng pha thì hiệu quang trình phải bằng nguyên lần độ dài sóng. Do đó: 2d.sin (theta) = n. (4) Trong đó: n là số nguyên, được gọi là bậc nhiễu xạ là bước sóng của tia Rơnghen  Phương trình (4) là hệ thức Vulf-Bragg  Là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật chất.  Căn cứ vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, ta tìm ra được 2d.. So sánh giá trị d tìm được với d chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Graphite 150 140 130 120 110 100 90 Lin (Cps) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 16 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2-Theta - Scale 13-0148 (D) - Graphite - C - Y: 100.00 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 2.46200 - b 2.46200 - c 6.70100 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - 35.1760 -
Diamond 21 ITR RG 150 140 130 120 110 100 90 Lin (Cps) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 30 40 50 60 70 80 2-Theta - Scale 79-1473 (C) - Diamond 21 ITR RG - C - Y: 100.00 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal (Rh) - a 2.52210 - b 2.52210 - c 43.24500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3m (166) - 42 - 238.227 - I/Ic PDF 0.3 -
 Graphit và kim cương là hai chất có thành phần cacbon chiếm 100%  Có cấu trúc tinh thể.  Dựa vào XRD xác định chính xác cấu trúc và khoảng cách giữa các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể. Graphite C-C trong mặt phẳng 1,13Ao và C-C giữa các lớp 3,52Ao.