光谱学应用於评估煤生油潜能之初步研究.ppt

* 13 光譜學應用於評估煤生油潛能之初步研究 莫慧偵 黃武良 國立台灣大學地質科學系 摘要 煤的組成份依照其不同之來源環境以及化學組成可分成三大煤素質群 （maceral groups）：膜煤素（exinite）、鏡煤素（vitrinite）和惰煤素（fusinite）， 分別有著不同之產油潛能。本研究使用之光譜分析儀器--紅外光譜（FTIR）、固 態核磁共振（solid-state C NMR）、螢光（DAC- fluorescence）、X 光繞射（XRD） 對於十八個來自波蘭石碳紀時代煤所分離出之煤素質樣品進行分析，由光譜所呈 現的化學分子結構探討個別煤素質的生油潛能，並與鑽石砧熱裂解觀察到的生油 結果作對比。結果部分：FTIR 對比鑽石砧熱裂實驗之結果證實芳香烃/飽和烃比 例以產油量大的膜煤素最低、產油量略低的鏡煤素次之、不產油的惰煤素最高， 且同一群煤素質隨著成熟度增加，樣品中芳香烃比例也隨之提高。NMR 也顯示 受測樣品的芳香環化指數（fa）是以惰煤素最高、膜煤素最低。對於分子結構變 化程度較廣的鏡煤素群而言，芳香環比例在 FTIR 和 NMR 量測中亦表現出有產 油樣品較低與沒有產油樣品較高之差異；此外，此兩種分析方法的高度線性關係 表現，也顯示了對於煤樣生油潛能評估上，FTIR 與 NMR 有著相同之可信度， 皆可被廣泛應用於有機物的分子結構定量之研究探討。從 XRD 光譜圖的定性分 析部分可看出三種煤素質群樣品其飽和烃和芳香烃含量有著很大的不同，與 NMR 及 FTIR 測定所得出之結論相似。從樣品在產油過程中之螢光強度表現， 膜煤素最大、鏡煤素次之、惰煤素幾乎微乎其微，這與前人研究認定螢光強度和 養品產油量成正比的論點相符。因此，本研究顯示光譜分析與鑽石砧熱裂解觀察 結果相當一致，證實了含飽和烃多的煤樣有著較強之生油能力。 。 研究動機 目前評估煤的生油潛能可從多項分析技術進行測量，如元素分析、Rock-Eval 熱裂解、煤素質的區分、光譜分析等等，多數前人研究採用煤樣進行分析，為了 探討煤中各煤素質之產油潛能，本研究使用分離後的三大煤素質群樣品，經由光 譜學之定性或定量分析，以個別煤素質的化學結構型態來探討該樣品之生油潛 能，並使用鑽石砧熱裂解直接觀測之產油結果來加以驗證。 樣品及實驗方法 實驗樣品為石炭紀的煤經由離心浮選分離出的 18 個煤素質，包括 4 個膜煤 素 、 8 個 鏡 煤 素 、 6 個 惰 煤 素 樣 品 ， 絕 大 部 分 來 自 upper Silesian Basin (Machnikowska et al., 2002)。本實驗使用之光譜分析儀器，有傅利葉轉換紅外線 光譜儀（FTIR）、碳 13 固態核磁共振儀（solid-state 13C CP/MAS NMR）、鑽石砧 螢光分析（DAC-fluorescence）和粉末式 X 光繞射儀（XRD），由光譜圖所呈現 之飽和烃和芳香烃官能基比例來評估生油潛能，並與可直接觀察的鑽石砧熱裂解 （DAC pyrolysis）結果作對比。其中 FTIR 採用的吸收峰範圍為 3010-3050、 725-875 ㎝-1 的芳香環類 C-H 以及 2850-2960、1375、1430-1470 ㎝-1 的直鏈類 C-H； NMR 光譜的飽和烃 C 區間為 24-45 ppm、芳香烃 C 的區間為 90-165 ppm；XRD 光譜中波形可分離成 2sinθ/λ=0.2 和 0.3 的兩個小波，分別代表 γ-band 和（002） -band，亦可表示直鏈 C 以及芳香烃 C 的比例（Lu et al., 2001）。DAC- fluorescence 實驗所使用的激光為波長 405 nm、光束直徑 600μm 的藍光，熱裂解的條件為每 分鐘 99.9℃加熱到 300℃，維持 3 分鐘，再以每分鐘 25℃的升溫速率加熱至 550 ℃。 結果 三大煤素質群之樣品藉由鑽石砧熱裂解技術可發現其生油潛能各有不同，而 個別樣品之化學結構分析亦透露出這些端倪。 利用 FTIR 所測得之直鏈狀與芳香環碳氫鍵之結果與 DAC 觀察煤素質之生 油型態一致，芳香環/直鏈狀 C-H 比例以產油量大的膜煤素最低、產油量略低的 鏡煤素次之、不產油的惰煤素最高（圖一），表示含直鏈類高之煤素質樣品產油 能力強，而隨著成熟度增加煤素質中芳香環類的比例也增高，此等都應證了一般 的理論認知。 NMR 目前只挑選各煤素質群中的特徵樣品進行測量，包含 exinite 的 E33 與 E34、vitrinite 中有產油的 V35.1 及沒有產油的 V41、和 fusinite 中的 F42（圖二） 實驗結果相似於 FTIR，顯示受測樣品的芳香