自然界中的碳.doc

锦生炭素济源市锦生炭素有限公司Lyenetcnje2012-11-6百度搜搜 锦生炭素 一、自然界中的碳从地球化学的观点来考察碳元素，碳以单质或化合物的种种形式分布在自然界中。大气和海水中储蓄着充足的CO2。大气和海水之间通过海面进行着CQ:的交换，一年之间的交换t可达大气和浅海含碳且的J/10或1/5,排水里的Cq:进行水合后成为H2C)3，并解离成明O,只雌、劫”为T. 9x 8.2的海水里，大部分以Hco.的形式存在。太气里的Pot通过植物，而海水里的COQ,:碳醉趁和重碳徽盐李矜通过浅海有光层里的植物、浮游生物，各自迁移到生物圈里、奔年汪移的碳皿也可达大气和浅海里存在碳最jj 1/:I O i6 1/%而同等的碳纽由生物的呼吸和遗胶的分解而回到大气和梅洋里。与这种大气圈、水圈和生物圈之间的循环速度相比，通过地下地质过程的译移速度是非常慢的。经过数亿年的漫长岁月，地下也积蓄了作为堆积物存在的大量的碳元素。由此可知，碳的资源以两种类型存在。一种是循环型的资源、由植物和动物所代表的生物与CO2气体。另一种是循环逮度很深，但救且极大的堆积物。金刚石存在于由地壳下地枝上部的岩浆，在火山爆发时遗留下来的金伯利岩火山筒中。由大陆盾状地带发现的这种超盐基性矿物形成的火山筒，垂直穿过在水平方A妻堆a起来的地壳砂层，其断面的形状和大小不。一，大的直径可达了公里。石且存在于变质岩和变质的石苏岩层中因折皱而被压入地壳深处的有机质堆积物，在高压下，因受岩浆及其伴随的气体和热水等高温作用偶而变为石墨。石墨几乎都同粘土或其他矿物一起被开采出来。其形状为块状、鳞片状、粉状等。在自然界中，除金刚石、石m近乎纯碳之外，还有块碳。它是由具有sp杂化轨道的所谓二方碳构成的碳的另一种同素异构体。它常以银灰色或白色的针状晶休与陨石中似乎是熔融形态的石墨共存。其次，据说在2700-3000K和减压下，在碳升华时的最高温度下，也有块碳被发现。自然界中，无烟煤也是近乎纯碳的物质，其含碳量为90-95%.在人类生活进程中，还逐渐生产和利用了木炭、炭黑及焦炭。总之，在自然界巾，碳氢化合物置于高温高压条件下，经反应的生成物可能是炔碳、石墨和金刚石。但由于金刚石的生成条件相当苛刻，天然金刚石的获得极为稀罕。从碳氢化合物到纯碳的转移过程中，以向石墨结构物转化为更容易。二、炭的生成自然界中取得的纯碳(例如炔碳、石墨)是历经N长的转化过程的生成物.作为这些近乎纯碳的原始物，可以是煤、石油、植物等。它们是H, 0、N,S等有机物的混合体。煤含碳为60-90%，木材含碳为50%左右，石油含碳为80-90%,天然石墨含碳近100%。自然界中其它碳来源当然还有，如天然气、二氧化碳。因此，炭素原料的来源是非常广泛的。不过，从自然界中直接获取炭素原料决非轻而易举。要取得现代工业所需求的炭素原料，仅仅依赖从自然界的Co2的生成循环取得碳氢化合物是不可想象的。这就是需要掌撮开发以碳元素为基础7新型工业循环的科学技术的原由。由碳氢化合物热解能生成许多产物，尤其是其最终产物是炭。此类热解技术的发展，为现代炭素工业开拓了新领城，给炭素工业带来了巨大活力。从炭素观点来看，碳氢化合物转化为炭的过程称为炭化。其反应机理，将在下一节中作简单说明。本节我们注意的问题是碳氢化合物能够生成炭。石油、煤等一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受地球热和地层高压等条件下作用转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但巳经有所炭化。而无烟煤可以着作是近平炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为已完全炭化，并且达到了石墨化，但是，由于各种状态的差异，也就难以成为所有的天然墨具有同一形式。目然界的碳，不管是哪种形式，均可理解它是有机物经热裂反应的生成物。自然界的有机物或者合成树脂等本造有机物。不管是气体、液体还是固体，只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物生成炭。这就是工业上利用受热反应进行有机物的炭化的启示。炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。特别重要的是残留下来的碳原子重折组合，形成碳的六角网面结构。列出了各种有机物炭化生成的炭。各种生成炭都是炭素工业的原料。一般而言，往往称液相炭化生成物为焦，固相炭化为炭。前者是软质炭，后者是硬炭.当然，有时也有例外。对于炭化生成炭，主要是靠有机物受热脱氢反应。同样，采用非加热的方法，如用化学方法脱氢，也是可能的，有机物在浓硫鲜氢氟咚作用下，.可以进行一定程度的炭化。 另外，通过射线辐照使有机物“架桥”或分解脱氢，也可炭化，但是，要完全炭化都离不开热的作用。与脱氢生成炭相反，将石墨酸花园也可生成炭。我们知道，碳在高温下与金属反应，可找成碳化物，在熔愚金属中可溶解一定量的碳。同样，I炭化硅等化合物，在熔融温度发生分解会游离出石墨，溶解有碳的铁随转温度变化碳的溶解度反而减少，也可游离析出石墨，它们往往是结晶程度很高的石墨。 总之，不同有机物在不同反应条件下，可以取得不同结构、不同结晶程度以及不同组合形式的炭。一、烃类炭化 大多数烃类物质，当在一定温度下单独存在时，随着时间的推移，不可避免地终将导致一系列的多阶段反应。这些反应，可以被概括为二大类，前期的热分解反应和后期的热聚合反应.但是，由于工业原料的组成的复杂性，以及反应路径的多方向性，这二类反应经常重叠或交差地进行，以致出现多种多样的产物。这一类过程在有机化学、石油化李和固体燃料化学中通常称为热解。但在炭素化学学科中则都被称作炭化。因为后者以固体炭为其目的产物。 热解的概念系泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合衡生成最终产物的过程。此反应过程以在抵达100多的液相中进行，如烷基丙二酸的分解。也可在600一1000的高温下实现此过程，如丁烷在600的石英管中生成低分子烯和烷烃，或在寞涅耳金管中生成磷和氢。由此可见.热解这一名词不仅指一个大分子经热夯解而生成小分子这种一次反应，而且也包括一次分解产物的进一步缩合或聚合成大分子的二次反应。可见，由于反应物质的分子煲大小和温度等条件的差别，热解反应可以独立进行于气、液、固不同的相或混合相的条件下。显然，由于内外条件(内在条件如反应分子结构，外部条件如温度、压力、状态等)的不同。反应体系将经历各自的路径而得到不同结构和性能的产物。 上述分类所涉及的范围仅限于中温液相热解和中温液相炭化。这二个过程在石油工业中乃是相互连接的。显然，研究400-600中温炭化阶段和研究固体炭在高温(30001C)下的结构转化机理，是炭素工艺必须研究的内容。二、中沮液相热解过程的特殊性中温(450C左右)液相炭化和高温(750-1000)，气格炭化的特点分述如下。在400-450C液相炭化过程的主要恃征之一为进入中间相小球体中的单元分子为平面伏芳香稠环大分子。这就决定了下一步:液晶小球体的出现、长大和融并等一系列转化过程。而这种大平面状稠环芳香分子正处于缓慢的反应条件下，(即相当低的反应温度)。中温液相炭化温度刚好离反应分子的开始分解温度很近，进入反应的分子首先在最弱键处断键。虽然在凝聚相中分子的浓度比在气相中大，但液相中分子的可动度低(一般分子尺寸狡大，.在液相中的扩散系数低)，致使分子间的碰掩几率大大降低，结果只能取得相当缓慢的反应速率，而且这是“单一方向”反应的育利条件。在此温度下，整个分子上的及应位只有一处或二处，这就导致产物种类的单纯化。烃类高温气相热解所要求的反应条件是十分苛刻的。为了有石油轻馏份通过高温烈解制留烯烃所采用的反应时尚以百分之一秒计。可见，在此温凌下，分子中的多数祀学键都句能进入激化状态。在麟间内出现大最的低分子自由基，自由it的聚合和三维交联导致粘稠的各向同性液滴，这就是将来炭黑质点籁以成长的核。此浪滴几乎在瞬间内就固化成具有表面的固休贺点，通过气固相表面沉积炭而长大。可以想mri反应初期分子盼金位置发生在多不地方，继续的繁告造成了一系列中向产物，其种类之多实为现有热解友应之首。在真中单元分子的结构中，存在二联苯型的核和大量五元环，它是导致交联结构的根源。 烃类液相炭化和气相炭化导致了炭素材料犬家庭中二种典型的、极喘类型的炭即易石墨化炭t难石墨化炭。高度各向异性结构的石油焦和各向同性的炭黑质点的结构不同盆性能m异，如果说有某种外表上的相似之点的话，那也是整个结构转化过程中极为次要的方面.当代炭素理论的任务之一，在于揭杀田存在于不同结构(或不同类室的炭素乏间的特征性差别，从而闸叨它们的各自形成过程的独特个性。 中通液相炭化理论 近二十年来，石油和煤衍生的重质油与沥青的液相炭化机理研究，取得了巨大的进展。紧接着研究了炭化早期的沥青中存在着中间相液品态。又确立了各种外貌形态形态的中间类型及其结构特性与转化特点。在此基础上还研究了原料的组成结构对生成中间相组织形态的关系。研究过的原料的种类有:不同来源的石油渣油及其分离馏份，各种模型烃类包括杂原子类，各种工业沥青。从而对上列各未知原料的组成结构作出平均分子结构模型的推导。与此同时，研究了不同组织形态的中间相石墨化性能石墨化处理产物的晶态结构。和上述研究相伴随，着力探索中间相浪晶的微观层次的结构本性和小球体的各种特性，直到目前，在球体结构摸型方面已发现:Brooks-Taylor模型(I)，Kovao-Lowis-Imamura模型(I型)。此外，还有所谓第N型和花瓣(Potaloid)型和菊型等。如此众多的偏离B-T模型的结构类型的出现，是由于在液相中存在着不同于一般分子间作用力的特殊力场灼作用所致，在渗晶球体中单元分子的结构方面，近年米有所谓蜘蛛网模型(Spider wedge Model)。在中fa7相的各种性质的研究巾，值得注意的是球体的光学性191特别是多色现象流变性质和分离中间相的表面性质等。尤其是流变力学性能的基本研究，对于中间相沥肯的可纺性具有重要的指导意义。有关的基础研究，为工艺上开发新型炭素材料针伏焦、新型块状石墨、沥青炭纤维和沥青基炭炭复合材料等，奠定了理论墓础。主中温液相炭化的埋论开发方面采用各种摸型芳烃和杂原子化合物作为对象，闸明炭化过程的荃本规律，目前，还处于开创时期。但是，至今听积累的资料和获得的理性知识已可证明，这个方法已经给出了丰硕的成果.在这个方向内，多数比较精确的理性规律，都是在模型化合物的基础上获得的。所谓模型化合物的炭化研究，大约有以下六个方面。1) 定量地跟踪化学反应的历程，侧定中间产物的消长动态， 2)反应物分子结构和一系殉中间大分子产物的分