Micro-FTIR investigations of chemical structure of semifusinite and fusinite in coals from the Upper Silesian Coal Basin of Poland

• Autorzy: Morga R.

Warianty tytułu

PL

Struktura chemiczna semifuzynitu i fuzynitu w węglu kamiennym z SW części GZW w świetle badań mikro-FTIR

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The examination was performed on inertinite concentrates (I content 75 to 84%), prepared from 22 channel coal samples (Rr = 0.87-1.42%) from the SW part of the Upper Silesian Coal Basin, collected from seams 358/1 to 707/1-2. Semifusinite is characterized by lower aromaticity (CHar/CH2 + CH3 ratio) and lower condensation of the aromatic rings (CHar/C = Car ratio) than fusinite from the same coal, at usually higher C = O/C = Car ratio. The FTIR-derived chemical features of both macerals in the investigated population do not depend on the rank of the parent coal. The difference between semifusinite and fusinite in aromaticity and degree of condensation does not change with the rank of the parent coal. Based on statistical analysis, two types of semifusinite were found. Semifusinite type I is characterized by higher aromaticity and condensation of the aromatic rings at lower C = O/C = Car and C = O/CH2 + CH3 ratios than type II. The CHar/C = Car ratio is correlated with the mean reflectance (Rr) of both macerals. Semifusinite and fusinite from the SW part of the Upper Silesian Coal Basin originated due to the same factor (wildfires), acting with varied intensity (temperature) and/or time. Semifusinite could have been formed at the average temperature of about 350-450 C. Type I originated due to higher, while type II - lower temperature. Fusinite origin can, generally, be attributed to temperature exceeding >500 C. As inferred from the micro-FTIR analysis, semifusinite from seams 403, 405, 404/9 and 505 was formed, mostly, at higher temperatures, while that from seams 358, 364/2, 502, 510, 703 and 707/1-2 - mostly at lower temperatures. The same relationship is observed for fusinite. Based on the FTIR-derived absorbance ratios it is possible to distinguish total semifusinite and fusinite coming from different coals, in terms of mean values for the whole samples.

PL

Spektroskopia w podczerwieni w mikroobszarze (mikro-FTIR) jest nowoczesną metodą umożliwiającą szeroki wgląd w chemiczną strukturę poszczególnych macerałów węgla. Jednakże, w odniesieniu do węgla kamiennego z polskich złóż jest ona stosowana od niedawna. Celem tej pracy była charakterystyka struktury chemicznej semifuzynitu i fuzynitu, występujących w węglu kamiennym (głównie koksowym) z SW części GZW. Jest to kontynuacja wcześniejszych badań cech chemiczno-strukturalnych tych macerałów i ich zmian pod wpływem obróbki termicznej. Badania przeprowadzono na koncentratach inertynitu, sporządzonych z 22 bruzdowych próbek węgla. Próbki zostały pobrane z pokładów od 358/1 to 707/1-2. Refleksyjność witrynitu (Rr) wynosiła w nich 0.87-1.42%. Koncentraty wykonano poprzez wzbogacanie gęstościowe w mieszaninie toluenu i czterochloroetylenu. Zawierały od 75 do 84% inertynitu. Pomiary mikro-FTIR przeprowadzono na pojedynczych ziarnach semifuzynitu i fuzynitu. Liczba takich ziaren, w zależności od próbki, wynosiła od 26 do 35. W celu opisania struktury chemicznej maceratów wykorzystano następujące ilorazy absorbancji pasm: C = O (1650-1800cm-1)/C = Car (1500-1650cm-1), C = O/CH2 + CH3 (2800-3030cm-1), CHar (750-900cm-1)/CH2 + CH3, i CHar/C = Car. We wszystkich badanych próbkach fuzynit odznacza się wyższym stopniem aromatyzacji (iloraz CHar/CH2 + CH3) i kondensacji układów aromatycznych (iloraz CHar/C = Car), niż semifuzynit z tego samego węgla, a w przypadku 15 z 22 próbek, także niższym ilorazem C = O/C = Car. Nie stwierdzono istotnej różnicy pod względem ilorazu C = O/CH2 + CH3. Na podstawie analizy statystycznej uzyskanych wyników badań (metoda dendrogramu, grupowanie metodą k-średnich) wyodrębniono dwa typy semifuzynitu. Semifuzynit typu I charakteryzuje się wyższym stopniem aromatyzacji i kondensacji, lecz niższymi ilorazami C = O/C = Car i C = O/CH2 + CH3. Wartości poszczególnych ilorazów absorbancji, obliczonych dla semifuzynitu, jego obu typów, i fuzynitu mieszczą się w szerokich granicach, co jest odzwierciedleniem różnorodnego chemizmu obu macerałów, obserwowanego zarówno w odniesieniu do całej populacji, jak i pojedynczych próbek. Różnorodność ta wynika ze zróżnicowanych warunków powstawania obu macerałów i determinuje ich zachowanie w procesach przetwórstwa chemicznego. Dla wszystkich badanych składników petrograficznych najwyższe współczynniki zmienności dotyczą ilorazu C = O/C = Car, a najniższe - ilorazu C = O/CH2 + CH3. Stwierdzono, że cechy chemiczne semifuzynitu i fuzynitu, w badanej populacji, nie zależą od stopnia uwęglenia węgla wyjściowego. Różnica stopnia aromatyzacji, jak również stopnia kondensacji układów aromatycznych obu składników nie zmienia się ze wzrostem stopnia uwęglenia. Stwierdzono istnienie silnej korelacji pomiędzy wartościami ilorazu C = O/C = Car obliczonymi dla semifuzynitu i fuzynitu. Podobne zależności występują też dla ilorazów CHar/CH2 + CH3 i CHar/C = Car, a dla ilorazu C = O/CH2 + CH3 zależność ta jest słabsza. Występowanie analogicznych korelacji stwierdzono także między poszczególnymi typami semifuzynitu. W przypadku obu macerałów wartość ilorazu CHar/C = Car skorelowana jest z refleksyjnością (Rr). Rezultaty badań wskazują na to, że fuzynit i semifuzynit z SW części GZW utworzyły pod wpływem tego samego czynnika (pożary paleotorfowisk), lecz w różnej temperaturze. Semifuzynit powstał, przeciętnie, w ok. 350-450 C, przy czym typ I w temperaturze wyższej, a typ II - w niższej. Fuzynit związany jest genetycznie z temperaturą przekraczającą 500 C. Z analizy mikro-FTIR wynika, że semifuzynit z pokładów 403, 405, 404/9 i 505 powstał, na ogół, w wyższej temperaturze niźli semifuzynit z pokładów 358, 364/2, 502, 510, 703 i 707/1-2. Ta sama zależność istnieje dla fuzynitu. Powyższa konkluzja generalnie pokrywa się z wnioskiem, jaki można w tej kwestii wyciągnąć na podstawie pomiarów refleksyjności średniej (Rr). Wykazano, że na podstawie ilorazów absorbancji możliwe jest, pod względem wartości średnich, odróżnienie semifuzynitu i fuzynitu pochodzącego z różnych próbek węgla. Dla badanej populacji taka linia rozdziału przebiega od wartości ilorazu CHar/C = Car = 1.75 przy CHar/CH2 + CH3 = 0.90 do wartości ilorazu CHar/C = Car = 0.75 przy CHar/CH2 + CH3 = 1.35.

Słowa kluczowe

EN

Upper Silesian Coal Basin; bituminous coal; semifusinite; fusinite; micro-FTIR

PL

GZW; węgiel kamienny; semifuzynit; fuzynit; mikro-FTIR

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, no 4
• Strony: 805--825
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Morga R.

• Silesian University of Technology, Institute of Applied Geology, Gliwice, Poland

Bibliografia

• Bustin R.M., Guo Y., 1999. Abrupt changes (jumps) in reflectance values and chemical compositions of artificial charcoals and inertinite in coals. International Journal of Coal Geology 38, 237-260.
• Guo Y., Renton J.J., Penn J.H., 1996. FTIR microspectroscopy of particular liptinite- (lopinite-) rich, Late Permian coals from Southern China. International Journal of Coal Geology 29, 187-197.
• Guo Y., Bustin R.M., 1998a. Micro-FTIR spectroscopy of liptinite macerals in coal. International Journal of Coal Geology 36, 259-275.
• Guo Y., Bustin R.M., 1998b. FTIR spectroscopy and reflectance of modern charcoals and fungal decayed woods: implications for studies of inertinite in coals. International Journal of Coal Geology 37, 29-53.
• Jones T.P., Scott A.C., Cope M.J., 1991. Reflectance measurments against temperature of formation for modern chaircoals and their implications for the study of fusain. Bulletin de la Société Géologique de France 162, 193-200.
• Komorek J., Morga R., 2007. Evolution of optical properties of vitrinite, sporinite and semifusinite in response to heating under inert conditions. International Journal of Coal Geology 71, 389-404.
• Lyons P.C., Mastalerz M., 2001. Secretinite-reflectance and chemical data from two high volatile bituminous coals (Upper Carboniferous) of North America. International Journal of Coal Geology 45, 281-287.
• Machnikowska H., Krztoń A., Machnikowski J., 2002. The characterization of coal macerals by diffuse reflectance infrared spectroscopy. Fuel 81, 245-252.
• Mastalerz M., Bustin R.M., Lamberson M.N., 1993. Variation in chemistry of vitrinite and semifusinite as a function of associated inertinite content. International Journal of Coal Geology 22, 149-162.
• Mastalerz M., Bustin R.M., 1993a. Variation in elemental composition of macerals; an example of the application of electron microprobe to coal studies. International Journal of Coal Geology 22, 83-99.
• Mastalerz M., Bustin R.M., 1993b. Electron microprobe and micro-FTIR analyses applied to maceral chemistry. International Journal of Coal Geology 24, 333-345.
• Mastalerz M., Bustin R.M., 1995. Application of reflectance micro-Fourier transform infrared spectrometry in studying coal macerals: comparison with other Fourier transform infrared techniques. Fuel 74, 536-542.
• Mastalerz M., Bustin R.M., 1996. Application of reflectance micro-Fourier Transform infrared analysis to the study of coal macerals: an example from the Late Jurassic to Early Cretaceous coals of the Mist Mountain Formation, British Columbia, Canada. International Journal of Coal Geology 32, 55-67.
• Mastalerz M., Bustin R.M., 1997. Variation in the chemistry of macerals in coals of the Mist Mountain Formation, Elk Valley coalfield, British Columbia, Canada. International Journal of Coal Geology 33, 43-59.
• Matuszewska A., Wrzalik R., Hacura A., 2000. The use of reflectance technique of micro-FTIR spectroscopy to the analysis of coal macerals. Polish Journal of Applied Chemistry 44, 47-54.
• Morga R., Komorek J., 2008: Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w mikroobszarze (mikro-FTIR) do badań struktury wewnętrznej macerałów węgla kamiennego. Materiały Pierwszego Polskiego Kongresu Geologicznego, Kraków, 80.
• Morga R., 2009. Zastosowanie spektroskopii FTIR i Ramana w mikroobszarze do badań struktury wewnętrznej semifuzynitu i fuzynitu. Przegląd Górniczy 66, 111-115.
• Morga R., 2010. Chemical structure of semifusinite and fusinite of steam and coking coal from the Upper Silesian Coal Basin (Poland) and its changes during heating as inferred from micro-FTIR analysis. International Journal Coal Geology 84, 1-15.
• Morga R., 2011. Micro-Raman spectroscopy of carbonized semifusinite and fusinite. International Journal of Coal Geology vol.87, 253-267.
• Morga R. Reactivity of semifusinite and fusinite in the view of micro-Raman spectroscopy examination. International Journal of Coal Geology, in press.
• Niekerk D.V., Pugmire R.J., Solum M.S., Painter P.C., Mathews J.P., 2008. Structural characterization of vitrinite-rich and inertinite-rich Permian-aged South African bituminous coals. International Journal of Coal Geology 76, 290-300.
• Ruau O., Landais P., Gardette J.L., 1997. Quantitative analysis of powdered organic matter by transmission infrared microspectrometry using a diamond-window compression cell. Fuel 76, 645-653.
• Scott A.C., Glasspool I.J., 2007. Observations and experiments on the origin and formation of inertinite group macerals. International Journal of Coal Geology 70, 53-66.
• Scott A.C., Jones T.P., 1994. The nature and influence of fire in Carboniferous ecosystems. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 106, 91-112.
• Taylor G.H., Teichmüller M., Davis A., Diessel C.F.K., Littke R., Robert S., 1998. Organic Petrology. Gebruder Borntraeger, Berlin - Stuttgart.
• Walker R., Mastalerz M., 2004. Functional group and individual maceral chemistry of high volatile bituminous coals from southern Indiana: controls on coking. International Journal of Coal Geology 58, 181-191.
• Xuguang S., 2005. The investigation of chemical structure of coal macerals via transmitted-light FT-IR microspectroscopy. Spectrochimica Acta Part A 62, 557-564.