Le charbon est une macromolécule organique complexe composée de plusieurs groupes fonctionnels et de plusieurs liaisons chimiques. Du point de vue de la structure chimique, le charbon est une matière organique solide amorphe ordonnée à courte portée et désordonnée à longue portée, qui obtient la structure de son noyau cristallin aromatique. Les paramètres sont un contenu important. Et le meilleur instrument de détection de noyau aromatique est le spectromètre Raman.
Qu'est-ce que la spectroscopie Raman ?
La spectroscopie Raman est un type de spectroscopie de diffusion et fait partie intégrante des techniques d'analyse spectrale. La spectroscopie Raman est une méthode d'analyse basée sur l'effet de diffusion Raman, qui analyse le spectre de diffusion avec différentes fréquences de la lumière incidente pour obtenir des informations sur la vibration et la rotation moléculaires. Elle est appliquée à l'étude de la structure moléculaire.
La spectroscopie Raman trouve des applications dans les domaines des matériaux, des produits chimiques, du pétrole, des polymères, de la biologie, de la protection de l'environnement, de la géologie et dans d'autres domaines. Avec le développement continu de la technologie Raman, son champ d'application devient de plus en plus étendu.
La spectroscopie Raman est très sensible à l'état d'ordre structurel des matériaux carbonés et peut fournir des informations fiables sur le degré d'ordre structurel. C'est l'une des techniques les plus couramment utilisées, non destructives, rapides et à haute résolution pour caractériser les matériaux carbonés. Par conséquent, la spectroscopie Raman est souvent utilisée pour décrire les caractéristiques structurelles des matériaux carbonés tels que le graphite.
Le charbon a les caractéristiques d'un matériau à haute teneur en carbone et sa structure est similaire à celle du graphite polycristallin. Voici le spectre Raman du graphène et du charbon testé avec notre spectromètre Raman portable Opto-Tiancheng ATR3110-532. On peut voir sur le graphique que les pics caractéristiques Raman des deux sont proches.
Les résultats du spectre Raman de ce test présentent des signaux caractéristiques distinctifs évidents autour de 1343 cm-1 et 1601 cm-1.
Si l'échantillon est remplacé par du charbon, le temps d'intégration est de 10000 50 ms et la puissance d'excitation est de XNUMX mW, les données suivantes seront obtenues :
Les résultats du spectre Raman de ce test présentent des signaux caractéristiques distinctifs évidents autour de 1337 cm-1 et 1602 cm-1.
La spectroscopie Raman de la matière organique naturelle dans les composés carbonés tels que le charbon montre que les bandes Raman sont corrélées à la composition structurelle du carbone amorphe.
La différence la plus significative entre le charbon et les composés organiques macromoléculaires généraux est qu'il présente une complexité, une diversité et une hétérogénéité uniques, et qu'aucune structure chimique uniforme n'existe dans aucune partie du même morceau de charbon. Selon le spectre Raman de la matière organique naturelle du charbon, sa bande Raman est liée à la composition structurelle du carbone amorphe.
Su Xianbo et al. ont effectué des tests de spectroscopie Raman sur des charbons présentant différents degrés de métamorphisme et de déformation. Ils ont découvert une relation étroite entre la structure microcristalline du charbon, son évolution et les caractéristiques spectrales Raman. Cela se traduit par une forte augmentation de la différence de hauteur de pic (G-D1) et une forte diminution du rapport demi-largeur (G/D1).
Comme le montrent le tableau 1 et la figure 1, les différences de paramètres Raman et les courbes Raman de trois types de charbons différents sont comparées. On peut voir que la bande Raman est liée à la composition structurelle du charbon. Avec l'augmentation du degré de houillification, la performance spécifique est la suivante :
(1) La position du pic D1 se déplace vers la région du faible nombre d'ondes et la position du pic G se déplace vers la région du nombre d'ondes élevé, donc la distance du pic entre le pic D1 et le pic G : lignite < charbon bitumineux < anthracite.
(2) Plus le pic D1 et le pic G sont prononcés, plus la valeur du rapport hauteur/largeur du pic (G/D1) est faible, donc le rapport hauteur/largeur du pic (G/D1) : lignite > charbon bitumineux > anthracite. La différence est évidente.
(3) L'anthracite présente une faible diffusion Raman à 2500-3250 cm-1, et le mode du second ordre est plus évident. Le mode du second ordre du lignite et du charbon bitumineux se superpose pour former un pic de pain cuit à la vapeur évident et doux.
Nous pouvons rapidement identifier le type de charbon en fonction de la courbe du spectre Raman ci-dessus.
Les principales raisons de la différence des paramètres Raman des charbons ci-dessus:
①Le degré de carbonisation du lignite est le plus faible, la teneur en carbone est la plus faible et la teneur en matières volatiles est la plus élevée. Le charbon bitumineux est une sorte de charbon transformé à partir du lignite par métamorphisme, et sa teneur en matières volatiles est de 10 à 40 %.
En général, la teneur en charbon diminue à mesure que le degré de houillification augmente. Le degré de houillification est supérieur à celui du lignite et inférieur à celui de l'anthracite. L'anthracite est le charbon ayant le degré de houillification le plus élevé dans la science et la technologie portuaires chinoises.
② Le pic D1 est principalement le pic de vibration de liaison CC entre le cycle aromatique et le composé aromatique ; le pic G est la vibration de respiration du cycle aromatique, la vibration de liaison C=C et le pic caractéristique du graphite. Avec le changement de la teneur en matières volatiles, la différence d'aromatisation et de condensation du cycle aromatique est provoquée, ce qui conduit à un changement correspondant dans la relation entre le pic D1 et le pic G.
Plus le degré de houillification est élevé, plus les chaînes latérales alkyles, les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène et les petits composés moléculaires du charbon diminuent progressivement pour disparaître et sont remplacés par la superposition et l'accumulation de carbone aromatique plus ordonné et de couches aromatiques, et la proportion de matière volatile contenue dans le charbon est faible. Plus la valeur est petite, plus la forme du pic de la bande de pic est nette.
③ Le mode secondaire est affecté par le pic D1 et le pic G et constitue son pic de fréquence, qui change également avec le changement de la montée D1 et du pic G. Plus le degré de charbonnage est élevé, plus le pic large et doucement cuit à la vapeur du pain se divise progressivement en trois pics distincts (bande de pic 2D1, bande de pic D1+G et bande de pic 2G).
Épilogue
La spectroscopie Raman permet une analyse qualitative et quantitative rapide, simple, répétable et non destructive et est largement utilisée dans le domaine de l'industrie chimique du charbon. Elle constitue une méthode de détection essentielle pour empêcher l'importation de charbon de mauvaise qualité.
