O carvão é uma macromolécula orgânica complexa composta de múltiplos grupos funcionais e múltiplas ligações químicas. Da perspectiva da estrutura química, o carvão é uma matéria orgânica sólida amorfa ordenada de curto alcance e desordenada de longo alcance, que obtém a estrutura de seu núcleo cristalino aromático. Os parâmetros são conteúdo importante. E o melhor instrumento de detecção de núcleo aromático é o espectrômetro raman.
O que é espectroscopia Raman?
A espectroscopia Raman é um tipo de espectroscopia de espalhamento e é parte integrante das técnicas de análise espectral. A espectroscopia Raman é um método de análise baseado no efeito de espalhamento Raman, que analisa o espectro de espalhamento com diferentes frequências da luz incidente para obter informações sobre vibração e rotação molecular. É aplicado ao estudo da estrutura molecular.
A espectroscopia Raman tem aplicações em materiais, produtos químicos, petróleo, polímeros, biologia, proteção ambiental, geologia e outros campos. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia Raman, sua gama de aplicações está se tornando cada vez mais extensa.
A espectroscopia Raman é muito sensível ao estado de ordem estrutural de materiais de carbono e pode fornecer informações confiáveis para o grau de ordem estrutural. É uma das técnicas mais comumente usadas, não destrutivas, rápidas e de alta resolução para caracterizar materiais de carbono. Portanto, a espectroscopia Raman é frequentemente usada para descrever as características estruturais de materiais carbonáceos, como grafite.
O carvão tem as características de material de alto carbono e é similar em estrutura ao grafite policristalino. O seguinte é o espectro Raman de grafeno e carvão testado com nosso espectrômetro Raman portátil Opto-Tiancheng ATR3110-532. Pode ser visto no gráfico que os picos característicos Raman dos dois são próximos.
Os resultados do espectro Raman deste teste apresentam sinais característicos distintivos óbvios em torno de 1343 cm-1 e 1601 cm-1.
Se a amostra for substituída por carvão, o tempo de integração for de 10000 ms e a potência de excitação for de 50 mw, os seguintes dados serão obtidos:
Os resultados do espectro Raman deste teste apresentam sinais característicos distintivos óbvios em torno de 1337 cm-1 e 1602 cm-1.
A espectroscopia Raman de matéria orgânica natural em compostos carbonáceos, como o carvão, mostra que as bandas Raman se correlacionam com a composição estrutural do carbono amorfo.
A diferença mais significativa entre o carvão e os compostos orgânicos macromoleculares em geral é que ele tem complexidade, diversidade e inomogeneidade únicas, e nenhuma estrutura química uniforme existe em nenhuma parte do mesmo pedaço de carvão. De acordo com o espectro Raman da matéria orgânica natural no carvão, sua banda Raman está relacionada à composição estrutural do carbono amorfo.
Su Xianbo et al. conduziram testes de espectroscopia Raman em carvões com diferentes graus de metamorfismo e deformação. Eles encontraram uma relação próxima entre a estrutura do carvão microcristalino, sua evolução e as características espectrais Raman. Isso resulta em um aumento acentuado na diferença de cabeça de pico (G-D1) e uma diminuição acentuada na razão de meia largura (G/D1).
Conforme mostrado na Tabela 1 e Figura 1, as diferenças de parâmetros Raman e curvas Raman de três tipos diferentes de carvão são comparadas. Pode ser visto que a banda Raman está relacionada à composição estrutural do carvão. Com o aumento do grau de coalificação, o desempenho específico é o seguinte:
(1) A posição do pico D1 move-se para a região de baixo número de onda, e a posição do pico G move-se para a região de alto número de onda, portanto a distância do pico entre o pico D1 e o pico G: linhito < carvão betuminoso < antracito.
(2) Quanto mais nítido o pico D1 e o pico G, menor o valor da razão de altura do pico (G/D1), então a razão de altura do pico (G/D1): linhito > carvão betuminoso > antracito. A diferença é óbvia.
(3) O antracito tem espalhamento Raman fraco em 2500-3250 cm-1, e o modo de segunda ordem é mais óbvio. O modo de segunda ordem do linhito e do carvão betuminoso são sobrepostos para formar um pico de pão cozido no vapor óbvio e suave.
Podemos identificar rapidamente o tipo de carvão com base na curva do espectro Raman acima.
As principais razões para a diferença nos parâmetros Raman dos carvões acima:
①O grau de coalificação do linhito é o mais baixo, o teor de carbono é o menor e o teor de voláteis é o maior. O carvão betuminoso é um tipo de carvão transformado do linhito por metamorfismo, e seu teor de voláteis é de 10% a 40%.
Geralmente, diminui com o aumento do grau de carbonização. O grau de carbonização é maior que o do linhito e menor que o do antracito. O antracito é o carvão com o maior grau de carbonização na ciência e tecnologia portuária da China.
② O pico D1 é principalmente o pico de vibração da ligação CC entre o anel aromático e o composto aromático; o pico G é a vibração da respiração do anel aromático, a vibração da ligação C=C e o pico característico do grafite. Com a mudança no conteúdo volátil, a diferença na aromatização e condensação do anel aromático é causada, o que leva a uma mudança correspondente na relação entre o pico D1 e o pico G.
Quanto maior o grau de carbonização, as cadeias laterais alquílicas, os grupos funcionais contendo oxigênio e os pequenos compostos moleculares no carvão diminuem gradualmente até desaparecerem e serem substituídos pela superposição e acumulação de carbono aromático mais ordenado e camadas aromáticas, e a proporção de conteúdo de matéria volátil. Quanto menor o valor, mais nítida será a forma do pico da banda de pico.
③ O modo secundário é afetado pelo pico D1 e pelo pico G e é seu pico de frequência, que também muda com a mudança do aumento D1 e do pico G. Quanto maior o grau de coalificação, o pico de pão amplo e suavemente cozido no vapor gradualmente se divide em três picos distintos (banda de pico 2D1, banda de pico D1+G e banda de pico 2G).
Epílogo
A espectroscopia Raman pode fornecer análises qualitativas e quantitativas rápidas, simples, repetíveis e não destrutivas, e tem sido amplamente usada no campo da indústria química de carvão. Ela fornece um método de detecção vital para evitar a importação de carvão de baixa qualidade.
