Обгрунтування методики оцінки надмолекулярної організації вугілля з використанням рентгеноструктурного аналізу

Д.І. Дедовец, В.Н. Шевкопляс, Л.Ф. Бутузова, Донецький національний технічний університет

З метою раціонального використання вугілля необхідно визначити їх структуру, так як саме вона визначає їх властивості і напрям найбільш ефективної переробки. Одним з найбільш ефективних методом дослідження надмолекулярної організації вугілля є рентгеноструктурний аналіз. Хоча рентгеноструктурний аналіз є одним з найбільш старих і добре зарекомендували себе методів вивчення будови вугілля досі не вироблено стандартної методики його використання. Метою даної роботи є вивчення всіх складових існуючих методик використання РСА та розробка ні їх основі нової з обгрунтуванням вибору тих чи інших структурних її елементів, а також подальша відпрацювання отриманої методикою при аналізі вугілля різного ступеня метаморфізму.

В основі методу рентгеноструктурного аналізу лежить зняття з проби вугілля діфрактограмми і подальша її обробка з метою з'ясування внутрішньої структури досліджуваного зразка. Суть обробки полягає в описі отриманої експериментальної функції сумою аналітично виражених функцій. При цьому думки про те, якого вигляду функції повинні бути використані в розкладанні експериментальної, у різних дослідників розходяться. Так при класичному розкладанні використовують тригонометричні функції, а окремі дослідники пропонують використовувати суму, що складається з гауссіанов. Причому в дослідженнях не наводяться обгрунтування виду функції і довжини часткового функціонального ряду, використовуються в розкладі.

Таким чином, видно, що для виділення з діфрактограмми профілів рентгеноструктурних фаз необхідно вирішити два завдання:

вибір виду функції для опису кожної з рентгеноструктурних фаз;

визначити і обгрунтувати кількість членів часткового функціонального ряду для опису експериментальної функції.

Оскільки упорядковану кристалічну решітку можна розглядати як набір вузьких щілин, то для опису даної структури як функції найкраще підходить функція, яка описує дифракцію променя на вузької щілини. Дифракцію на частково впорядкованих аліфатичних фрагментах повинен вдало описувати нормальний закон розподілу, графіком якого є гауссіан.

Обгрунтування кількості членів часткового функціонального ряду, сумою членів якого буде описуватися експериментальна крива, повинно бути комплексним. По-перше, кількість членів такого ряду не може бути меншою від кількості фаз, які напевно міститися в досліджуваному зразку вугілля, оскільки в іншому разі розраховані параметри структури не будуть відповідати певним рентгеноструктурних фаз вугілля. По-друге, довжина ряду може бути на один або кілька членів більше кількості фаз, з яких складається досліджуваний зразок, для того, щоб врахувати таким чином вплив окремих молекул, які не входять в упорядковану структури, а лише вносять певний рівень шуму в результуючий сигнал. По-третє, довжина ряду повинна бути такою, щоб сума його членів описувала експериментальну криву із заданою точністю. Нарешті, довжина функціонального ряду повинна бути якомога меншою для полегшення підбору коефіцієнтів окремих його членів.

Таким чином, постає питання про те, яка функція буде точніше описувати експериментальну криву при певній кількості членів часткового ряду.

Для вибору такої функції було проведено наступне дослідження. В якості функціонального ряду для опису експериментальної кривої були вибрані наступні:

ряд, члени якого описуються законом нормального розподілу;

ряд, члени якого, описуються синусоїдальним законом дифракції на вузької щілини;

змішаний ряд.

Довжина часткового ряду варіювалася від одного до трьох членів, і в кожному випадку проводився підбір параметрів членів всіх вищеназваних рядів. Далі розраховувалася сума квадратів відхилень кривої, яка описувалася кожним з лав від експериментальної кривої. Очевидно, що та функція, для якої ця сума буде меншою, і швидше буде змінюватися при збільшенні кількості членів ряду, буде точніше описувати експериментальну криву.

Для дослідження були взяті проби вугілля марок: БО (Польща), Гl1, ОСl6, Тh8, і Аh8. Результати зведені в таблицю 1.

Таблиця 1 - Результати розрахунку суми квадратів відхилень експериментальної кривої від розрахункової для різних марок вугілля        

Вид профілю         

Сума квадратів відхилень для вугілля марок:             

БО (Польща)         

Гl1         

ОСl6         

Тh8         

Аh8             

Sin         

27464         

49146         

28607         

20894         

31732             

2Sin         

15326         

37294         

12308         

9120         

20090             

3Sin         

5052         

13392         

6779         

6899         

13225             

НР         

10439         

15507         

17711         

20939         

29009             

2НР         

6549         

13392         

4147         

4628         

6516             

3НР         

565         

8225         

1878         

1051         

4902             

1Sin 1 НР         

8171         

11619         

4675         

4868         

8342             

1Sin 2 НР         

1009         

5306         

3011         

3558         

5178     

Проаналізувавши отримані результати можна побачити, що зі зростанням довжини часткового ряду точність опису експериментальної кривої за допомогою гауссіанов зростає значно швидше, ніж у випадку інших рядів. На підставі цього можна зробити висновок про те, що саме цей вид функціонального ряду найкращим чином підходить для апроксимації експериментально отриманих рентгеноструктурних кривих. Ще одним поясненням даного факту крім наведених вище може бути те, що кількість впорядкованих пакетів у зразку досить значно, але розташовані вони дуже неоднорідний, так, що в результаті складання сигналів від них може вийти крива, задовільно описується гауссіаном.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua