Orientador: Carlos Alberto Luengo

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Carvões minerais originários do Sul do Brasil, apresentando altos teores de minério, foram estudados por meio de espectroscopia infravermelha, medidas de refletividade, espalhamento Raman e fotoluminescência.
Para estabelecer referências, as mesmas medições foram realizadas em carvões...

Resumo: Carvões minerais originários do Sul do Brasil, apresentando altos teores de minério, foram estudados por meio de espectroscopia infravermelha, medidas de refletividade, espalhamento Raman e fotoluminescência.
Para estabelecer referências, as mesmas medições foram realizadas em carvões dos EUA contendo baixos teores de minério e em vários tipos de grafites (que podem ser considerados do ponto de vista estrutural como os carvões minerais mais evoluídos). No caso dos carvões minerais, as experiências incluíram amostras em estado natural e tratadas termicamente a várias temperaturas até 2000ºC. Visando uma adequada interpretação dos resultados, em todo momento foi considerada com atenção a influência dos materiais minerais.
A espectroscopia infravermelha foi aplicada para a obtenção de informações sobre a estrutura molecular e a composição dos diferentes carvões. Os espectros dos diferentes carvões brasileiros mostraram uma intensa estrutura de bandas de absorção entre os 600 cm-1 e os 1300 cm-1 originada nos materiais minerais. Estas bandas permitiram a identificação dos componentes maioritários do minério, assim como sua análise quantitativa "in situ". As mudanças das bandas de absorção com a temperatura do tratamento térmico foram relacionadas com os processos de pirólise e grafitização da parte orgânica, e também com transições de fase dos componentes do minério.
Desenvolveu-se uma metodologia teórico-experimental para a determinação do índice de refração e do coeficiente de extinção, adequada inclusive para materiais altamente absorventes. O método é baseado em: i) medidas no ângulo para o qual a intensidade do feixe refletido com polarização paralela ao plano de incidência é mínima, e, ii) a função que relaciona este ângulo com N = n + ik. Este método foi aplicado aos carvões naturais e tratados termicamente e também a diversos grafites. Os resultados para os carvões naturais foram relacionados com o conteúdo de carbono das amostras e com o seu grau de aromaticidade. Os resultados para as amostras tratadas termicamente foram relacionados com o crescimento de estruturas grafíticas.
A análise dos espectros de espalhamento Raman de 1a e 2a ordem dos diversos grafites, mostrou algumas características não detectadas anteriormente. Vários picos dos grafites policristalinos foram atribuídos à relaxação de regras de seleção como conseqüência da perda de simetria ocasionada pelo tamanho finito dos micro-cristais.
O grafite policristalino mostrou uma banda larga de luminescência com pico em ~ 2.3 eV, o monocristal não apresentou este efeito. O grafite policristalino e os carvões minerais mostraram luminescência anti-Stokes.
Todos os carvões minerais estudados apresentaram praticamente idênticos espectros de espalhamento Raman e de luminescência, apesar de origens e composições bastante diferentes, o que indica que esses efeitos são originados na matriz carbonosa formada por sistemas aromáticos, que é o elemento comum a todos os carvões.
Da comparação entre os espectros Raman e de luminescência dos carvões minerais e dos grafites policristalinos, pode-se afirmar que a matriz carbonosa dos carvões minerais tem um comportamento semelhante àquele exibido pelas estruturas grafíticas dos policristais.
Em todos os casos, os resultados das experiências com amostras de carvões tratados termicamente mostraram o desenvolvimento de estruturas grafíticas ao aumentar a temperatura do tratamento térmico, e que este processo é inibido pelo minério antes dos 1500ºC nos carvões brasileiros

Abstract: Coals from southern Brazil with high mineral matter content were studied with infrared absorption spectroscopy and reflectivity measurements. The results of Raman and photoluminescence experiments are also reported.
Reference measurements were performed on coals with low mineral...

Abstract: Coals from southern Brazil with high mineral matter content were studied with infrared absorption spectroscopy and reflectivity measurements. The results of Raman and photoluminescence experiments are also reported.
Reference measurements were performed on coals with low mineral content and graphite¿s (which are structurally similar to the coals with the highest degree of coalification). Coal samples were also heat treated to several temperatures up to 2000 ºC. Special attention was given to the influence of mineral matter in the interpretation of experimental results.
Infrared spectroscopy was applied to determinations of molecular structure and composition of different coal samples. Between 600cm-1 and 1300cm-1 an intense band absorption structure was visible for the high mineral matter samples. These bands were used for 'in situ¿ identification and quantitative analysis of mineral components. Heat treatment induced drastic changes in the absorption bands which were related to pyrolysis and graphitzation processes of organic phases as well as with phase transitions of some of the minerals.
It was developed a theoretical and experimental framework which allowed the determination of the index of refraction and the extinction coefficient, it is applicable to coals and also to highly absorbent materials. The method is based upon: i) measurements at the angle for wich the intensity of the inplane polarized reflected beam is minimum, and, ii) the function relating this angle with N = n + ik. This methodology was applied to natural and heat treated coals and also to several kinds of graphite¿s. The results for natural coals were related to the samples carbon content and to their degree of aromaticity. Results for the heat treated samples were related to the growth of graphitic structures.
The analysis of 1st and 2nd order Raman scattering spectra of graphite¿s showed features detected for the first time. Several peaks of polycrystalline graphite were attributed to the relaxation of selection rules provocated by loss of symmetry induced by the finite size of graphitic micro-crystals.
The polycrystalline graphite showed a wide luminescence band peaked at 2.3 eV, the effect being absent in the single crystals. Mineral coal and polycrystalline graphite showed anti-Stokes luminescence. Raman and luminescence spectra were almost identical for all coal samples in spite of different compositions and origins, which may indicate that these phenomena are originated in the aromatic matrix, which is the structural feature common to all coals. From the comparison of Raman and luminescence spectra of coals and polycrystalline graphite it may be concluded that the carbonaceous matrix originating these optical properties behaves in this respect similarly to polycrystalline graphite.
The optical properties reported here for the heat treated samples were sensitive to the development of graphitic structures, which is inhibited before 1500 ºC in the Brazilian coals due to the high mineral matter content