НАНОСТРУКТУРИ В ПОВЕРХНЕВИХ ШАРАХ ВУГІЛЬНОЇ РЕЧОВИНИ
DOI:
https://doi.org/10.17721/1728-2713.95.07Ключові слова:
вугільна речовина, поверхневий шар, кристалічна підкладка, фулерени, молярний об'єм, кластер, наноструктура, молекулярна масаАнотація
За сучасними уявленнями під поверхневим шаром сполук розуміють надтонку плівку, властивості, структура та склад якої відмінні від кристалічної підкладки, з якою цей шар перебуває в термодинамічній рівновазі. Поверхневий шар складається із двох шарів – d(I) товщиною h = d, за якої відбувається фазовий перехід, і d(II) з нижньою межею h ≈10d, після якої починають проявлятися фізичні властивості кристала. Показано, що товщина поверхневого шару d(I) визначається одним фундаментальним параметром – молярним (атомним) об'ємом елемента = М/ρ, де М – молярна маса (г/моль), ρ – густина (г/см3). Середньостатистична структурна одиниця вугілля відповідає вищим фулеренам із числом атомів вуглецю в кластері >100, що є унікальною особливістю вугільної речовини, яка являє собою не кристалічну структуру, а складний полімер з надмолекулярною структурою. Товщина поверхневого шару вугільної речовини на два порядки більша товщини чистих металів і близька до товщини поверхневого шару вищих фулеренів С96 (135 нм). Збільшення пористості вугільної речовини до 90 % призводить до збільшення товщини поверхневого шару d(I) на порядок, тобто до 2 мкм. У зв'язку із цим "уявна" зміна радіуса вугільної частинки означає зміну її маси, пропорційну виділенню метану з твердого розчину. Установлено залежність часу повного розпаду вуглеметану 0 від параметра |λ|. Отримано рівняння, у яке входить відношення потоку тепла, внесеного в пласт за рахунок внутрішнього процесу тепловиділення, до потоку тепла, який виноситься з пласта за рахунок теплопровідності. У разі якщо це відношення перевищить деяку критичну величину порядку одиниці, виникає тепловий вибух, що призводить до розпаду вуглеметану. Розмірні ефекти в шарі d(I) визначаються всім колективом атомів у системі (колективні процеси). Такі "квазікласичні" розмірні ефекти спостерігаються тільки в наночастинках і наноструктурах. Шар d(I) для вугільної речовини змінюється від 151,5 нм (Антрацит) до 214,2 нм (Бурий). Розмірна температура наночастинки вугілля при початковій температурі Т0 = 300 К дорівнюватиме не менше Tm = 872 K. Це відповідає частинкам порядку пів мікрона. Вугільні частинки з радіусом близько одного мікрона (або відміченого пів мікрона) у разі розкладання вугільної речовини прогріваються до температур, за яких можливе самозаймання наночастинок. Гігроскопічна волога в генетичному ряду кам'яного вугілля має певну закономірність зміни і корелює з товщиною їх поверхневого шару.
Посилання
Arutyunov, K.Yu. (2015). Quantum size effects in metallic nanostructures. DAN VSh RAS, 3 (28), 7-16. [in Russian]
Desyatkin, A.S. (2006). The study of the petrophysical properties of coal according to geophysical well surveys (GIS). Mountain Information and Analytical Bulletin, 6, 118-132. [in Russian]
Feynman, R., Leighton, R., Sends, M. (1976). Feynman Lectures in Physics. Radiation. Waves. Quants. Vol. 3. Moscow: Mir. [in Russian]
Gafner, Yu.Ya., Gafner, S.L., Zamulin, I.S., Redel, L.V., Baidyshev, V.S. (2015). Analysis of the heat capacity of fcc metal nanoclusters using Al, Ni, Cu, Pd, Au as an example. Physics of Metals and Metallurgy, 116, 6, 602- 609. [in Russian]
Gibbs, J.V. (1950). Thermodynamic work. Moscow-Leningrad: GITTL. [in Russian].
Glezer, A.M., Kozlov, E.V., Koneva, N.A., Popova, N.A., Kurzina, I.A. (2016). Fundamentals of plastic deformation of nanostructured materials. Moscow: Publishing House Physical and mathematical literature. [in Russian]
Glushenko, I.M. (1990). The theoretical basis of the technology of fossil fuels. Moscow: Publishing House Metallurgy. [in Russian]
Golynskaya, F.A. (2011). Description of the most effective factors of coal spontaneous combustion in the seams. Mountain News Analytical Bulletin, 2, 19–23. [in Russian]
Guo, J. (2010). X-Rays in Nanoscience: Spectroscopy, Spectromicroscopy and Scattering Techniques. Wiley-Vch. Verlag.
Gusev, A.I., Rempel, A.A. (2000). Nanocrystalline materials. Moscow: Publishing House Physical and mathematical literature. [in Russian]
Gyulmaliev, A.M., Gagarin, S.G. (2010). Molecular modeling of the structure and properties of the organic mass of coal. Chemistry of Solid Fuels, 3, 16–26. [in Russian]
Iskhakov, H.A. (1990). The role of sorption moisture in coal oxidation processes. Chemistry of Solid Fuels, 2, 19–24. [in Russian]
Kalyakin, S.A. (2013). Fire and explosion hazard of coal and dust and gas mixtures in mines. News of the Donetsk Mining Institute, 1 (32), 127-144. [in Russian]
Korotcenkov, G. (2015). Porous Silicon: From Formation to Application: Formation and Properties. Vol. 1. CRC Press.
Magomedov, M.N. (2005). On interfullerene interaction and properties of fullerites. Thermophysics of high temperatures, 43, 3, 385-395. [in Russian]
Malyshev, Yu.N., Trubetskoy, K.N., Ayruni, A.T. (2000). Fundamentally applied methods for solving the problem of coalbed methane. Moscow: Publishing House of the Academy of Mining Sciences. [in Russian]
Mamonova, M.V., Prudnikov, V.V., Prudnikova, I.A. (2011). Surface physics. Theoretical models and experimental methods. Moscow: Publishing House Physical and mathematical literature. [in Russian]
Maritan, A., Langie, G. and Indekeu, J.O. (1991). Derivation of Landau theories and lattice mean-field theories for surface and wetting phenomena from semiinfinite ising models. Physica A, 170, 326-354.
Miura, S., Silveston, P.L. (1975). Change of Pore Properties During Carbonization. Port 2. 12-th Binnial Conference on Carbon. Extended Abstracts and Program, Pittsburg, Pensilvania, 275-276.
Moskalenko, T.V., Mikheev, V.A., Vorsina, E.V. (2018). Mathematical model for calculating the molecular weight of coal. Modern science-intensive technologies, 10, 82-85. [in Russian]
Olontsev, V.F., Farberova, E.A., Minkova, A.A., Generalova, K.N., Belousov, K.S. (2015). Optimization of the porous structure of activated carbons in the process of technological production. Bulletin of PNIPU, 4, 9-23. [in Russian]
Oura, K., Lifshits, V.G., Saranin, A.A., Zotov, A.V., Katayama, M. (2006). Introduction to surface physics. Moscow: Publishing House "Science".[in Russian]
Rekhviashvili, S.Sh., Kishtikova, E.V., Karmokova, R.Yu., Karmokov, A.M. (2007). To the calculation of the Tolman constant. Letters in the journal of technical physics, 33, 2, 1-7. [in Russian]
Rusanov, A.I. (1967). Phase equilibria and surface phenomena. Leningrad: Publishing House "Chemistry". [in Russian]
Shpilevsky, E. (2006). Fullerenes are new molecules for new materials. Science and Innovation, 5 (39), 32-38. [in Russian]
Stadnikov, G.L. (1956). Spontaneous igniting coals and rocks, their geological characteristics and identification methods. Moscow: Uglekhimizdat. [in Russian]
Tatkeeva, G.G., Zhautikov, B.A., Yurov, V.M. (2010). Mechano-hydrolytic model of gas evolution by a carbon-methane reservoir. Modern high technology, 9, 26-29. [in Russian]
Uvarov, N.F., Boldyrev, V.V. (2001). Size effects in the chemistry of heterogeneous systems. Advances in Chemistry, 70, 4, 307-329. [in Russian]
Vasilenko, T.A., Grinev, V.G., Molchanov, A.N., Ponomarenko, D.A. (2015). The influence of geological and structural factors on the methane content in coal seams. Scientific proceedings of UkrSGRI, 1, 46-55. [in Russian]
Yurov, V.M. (2005). Thermodynamics of luminescent systems. Bulletin of the Karaganda State University. Physics series, 3 (39), 13-15. [in Russian]
Yurov, V.M. (2020). The thickness of the surface layer of porous silicon. Bulletin of Al-Farabi Kazakh National University, 1 (72), 60-66. [in Russian]
Yurov, V.M., Guchenko, S.A., Laurinas, V.Ch. (2018). The thickness of the surface layer, surface energy and atomic volume of the element. Physicochemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials, 10, 691-699. [in Russian]
Yurov, V.M., Guchenko, S.A., Laurinas, V.Ch., Zavatskaya, O.N. (2019). Structural phase transition in a surface layer of metals. Bulletin of the Karaganda State University. Physics series, 1, 50-60.
Yurov, V.M., Laurinas, V.Ch., Guchenko, S.A. (2013). Some questions of the physics of strength of metal nanostructures. Physico-chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials, 5, 408-412. [in Russian]
Yurov, V.M., Makhanov, K.M. (2020). The thickness of the surface layer of fullerenes. Scientific horizons, 1 (29), 139-147. [in Russian]
Zakharov, E.I., Kachurin, N.M. (2013). A mathematical description of the process of coal self-heating. Bulletin of Tula State University. Earth sciences. 1, 58-70. [in Russian]
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Геологія
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Ознайомтеся з політикою за посиланням: https://geology.bulletin.knu.ua/licensing
