ما هو تأثير البنية المجهرية لفحم الكوك البترولي (على شكل إبرة، إسفنجية، وحبيبية) على معدل انكماش التكليس والكثافة الحقيقية؟

1. فحم الكوك الإبري: مثال نموذجي على الانكماش المنخفض والكثافة الحقيقية العالية

• الخصائص البنيوية: يتميز فحم الكوك الإبري ببنية ليفية أو مستطيلة ذات مسامات بيضاوية مستطيلة مرتبة بشكل منتظم. وتُظهر هذه البنية قدرة ممتازة على التكثيف أثناء التكليس.
• انكماش التكلس:
  • يتميز فحم الكوك الإبري بمعدل انكماش منخفض نسبياً، يتراوح عادةً بين 10% و20%. ويتحقق الانكماش من خلال بنيته الليفية عبر إعادة ترتيب الجزيئات وإغلاق المسام تحت درجات حرارة عالية، بينما يقلل الترتيب المنتظم للمسام من مساحة الانكماش غير المنتظم، مما يؤدي إلى خفض معدل الانكماش الإجمالي.
  • على سبيل المثال، عند التكليس عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية، قد يكون الانكماش الحجمي لفحم الكوك الإبري نصف انكماش فحم الكوك الإسفنجي فقط، وذلك بسبب قدرته على توزيع الإجهاد الحراري بشكل موحد.
• الكثافة الحقيقية:
  • يتميز فحم الكوك الإبري بكثافة حقيقية عالية، تصل عمومًا إلى 2.10-2.15 جم/سم³. ويعكس هذا درجة عالية من التبلور وبنية بلورية كثيفة، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالترتيب المنتظم لطبقات الكربون في بنيته الليفية.
  • تشير الدراسات إلى أن الكثافة الحقيقية لفحم الكوك الإبري أعلى بنسبة 5٪ - 10٪ تقريبًا من كثافة فحم الكوك الإسفنجي، وذلك بسبب قلة العيوب الهيكلية وتراص طبقات الكربون بشكل أكثر إحكامًا.

2. كوكاكولا الإسفنجية: مثال نموذجي على الانكماش العالي والكثافة الحقيقية المنخفضة

• الخصائص الهيكلية: يتميز فحم الكوك الإسفنجي ببنية مسامية تشبه الإسفنج مع مسام غير منتظمة الحجم والتوزيع، وجدران رقيقة (جدران الفحم)، وهشاشة.
• انكماش التكلس:
  • يُظهر فحم الكوك الإسفنجي معدل انكماش مرتفع، يتراوح عادةً بين 30% و50%. وبنيته المسامية غير المنتظمة عرضة لانهيار المسام أثناء التكليس بسبب إطلاق المواد المتطايرة وتركيز الإجهاد الحراري، مما يؤدي إلى انكماش كبير.
  • فعلى سبيل المثال، عند التكليس عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، قد يتجاوز الانكماش الحجمي لفحم الكوك الإسفنجي 40٪، وهو أعلى بكثير من انكماش فحم الكوك الإبري.
• الكثافة الحقيقية:
  • يتميز فحم الكوك الإسفنجي بكثافة حقيقية منخفضة نسبياً، تتراوح عموماً بين 1.90 و 2.05 غ/سم³. ويعزى ذلك إلى العدد الكبير من المسام المتبقية والترتيب غير المنتظم لطبقات الكربون في بنيته، مما ينتج عنه العديد من العيوب البلورية.
  • بالمقارنة مع فحم الكوك الإبري، قد تكون الكثافة الحقيقية لفحم الكوك الإسفنجي أقل بنسبة 10٪ - 15٪، وذلك بسبب عدم كفاية التكثيف.

3. مشروب الكولا المركز: حالة وسيطة ذات انكماش معتدل وكثافة حقيقية

• الخصائص الهيكلية: يظهر فحم الكوك الكروي أو الشبيه بالكريات، بسطح صلب ومسام قليلة، ويمثل وسيطًا هيكليًا بين فحم الكوك الإبري وفحم الكوك الإسفنجي.
• انكماش التكلس:
  • تتراوح نسبة انكماش فحم الكوك عادةً بين 20% و 30%. ويتعرض هيكله الكروي للانكماش بسبب التوتر السطحي أثناء التكليس، ولكن المسامية الداخلية المحدودة تحد من سعة الانكماش.
  • على سبيل المثال، عند التكليس عند درجة حرارة 1250 درجة مئوية، قد يكون الانكماش الحجمي لفحم الكوك 25٪، وهو يقع بين انكماش فحم الكوك الإبري وفحم الكوك الإسفنجي.
• الكثافة الحقيقية:
  • تتراوح الكثافة الحقيقية لفحم الكوك المصبوب عمومًا بين 2.00 و 2.10 غ/سم³. وتكون كثافته الهيكلية أفضل من فحم الكوك الإسفنجي ولكنها أقل من فحم الكوك الإبري، مما ينتج عنه كثافة حقيقية متوسطة.
  • تشير الأبحاث إلى أن الكثافة الحقيقية لفحم الكوك المصبوب أعلى بنسبة 5% تقريبًا من كثافة فحم الكوك الإسفنجي، ولكنها أقل بنسبة 3% إلى 5% من كثافة فحم الكوك الإبري.

تحليل شامل للعلاقات بين التركيب والخواص

• آلية الانكماش:
  • يقلل الهيكل الليفي المنتظم لفحم الكوك الإبري من مسارات الانكماش غير المنتظمة، مما يقلل من معدل انكماشه؛ ويؤدي الهيكل المسامي غير المنتظم لفحم الكوك الإسفنجي إلى انكماش كبير بسبب انهيار المسام؛ ويحقق الهيكل الكروي لفحم الكوك الكروي انكماشًا معتدلًا من خلال التوتر السطحي.
• آلية الكثافة الحقيقية:
  • ترتبط الكثافة الحقيقية ارتباطًا مباشرًا بتكثيف البنية البلورية. يؤدي الترتيب المنتظم لطبقات الكربون وانخفاض كثافة العيوب في فحم الكوك الإبري إلى كثافة حقيقية عالية؛ بينما تقلل البنية غير المنتظمة والمسام المتبقية في فحم الكوك الإسفنجي من الكثافة الحقيقية؛ أما فحم الكوك المحبب فيُظهر خصائص متوسطة.
• توصيات لتحسين العمليات:
  • بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب انكماشًا منخفضًا وكثافة حقيقية عالية (مثل أقطاب الجرافيت عالية الطاقة)، ​​يُفضل استخدام فحم الكوك الإبري؛
  • بالنسبة للتطبيقات الحساسة للتكلفة ذات متطلبات الأداء المنخفضة (مثل الوقود)، قد يكون فحم الكوك الإسفنجي أو فحم الكوك المتفجر أكثر ملاءمة؛
  • يمكن أن يؤدي ضبط درجة حرارة التكليس (على سبيل المثال، أعلى من 1300 درجة مئوية) ومعدل التسخين (على سبيل المثال، أقل من 50 درجة مئوية/دقيقة) إلى تحسين الكثافة الحقيقية وانكماش فحم الكوك الإبري بشكل أكبر.