케로겐

Kerogen

케로겐퇴적암에 있는 고체, 불용성 유기물이다.16 10톤의 탄소로 구성되어 있으며, 지구상에서 가장 풍부한 유기화합물 공급원으로, 생물 총량의 10,000배를 [citation needed]초과합니다.일반 유기 용제에는 용해되지 않으며 특정 화학식을 가지고 있지 않습니다.가열 시 케로젠은 부분적으로 액체 및 기체 탄화수소로 전환됩니다.석유와 천연가스[1]케로겐에서 생성된다.케로겐은 그 기원에 따라 분류될 수 있다: 라쿠스트린(예: 조류), 해양(예: 플랑크톤), 육상(예: 꽃가루포자)케로겐이라는 이름은 1906년 [2][3][4][5]스코틀랜드의 유기 화학자 알렉산더 크럼 브라운에 의해 소개되었으며 그리스어로 왁스 탄생을 의미한다.

셰일로부터의 탄화수소 생산 증가는 케로겐의 구성, 구조 및 특성에 대한 연구의 부활을 가져왔다.많은 연구에서 석유 및 가스 산업과 관련된 열 성숙도 범위에 걸쳐 케로겐 성분에서 극적으로 체계적인 변화가 입증되었습니다.케로겐 분석은 일반적으로 임계점 건조와 함께 산성 탈염으로 제조된 시료에 대해 수행되며, 케로겐은 화학 성분이나 미세 [6]구조를 변경하지 않고 암석 매트릭스에서 분리된다.

형성

케로겐은 생물의 분해로 인한 퇴적성 확장 과정에서 형성된다.원래의 유기물은 라쿠스트린과 해조류, 플랑크톤과 육생 고등식물로 구성될 수 있다.디아제네시스 동안, 예를 들어 원래 유기물 속의 단백질, 지질탄수화물로부터의 큰 생체 고분자는 부분적으로 또는 완전히 분해된다.이 분해 과정은 광합성[7]역순으로 볼 수 있다.이 결과물들은 고분자를 형성하기 위해 고분자를 응축할 수 있다.이러한 방식으로 지질 고분자의 형성은 케로겐과 관련된 큰 분자량과 다양한 화학 조성을 설명한다.가장 작은 단위는 풀브산, 중간 단위는 후민, 가장 큰 단위는 후민입니다.이러한 중합은 보통 하나 이상의 광물 성분의 형성 및/또는 침전과 함께 일어나 오일 셰일과 같은 퇴적암을 생성한다.

케로겐이 지질 물질과 동시에 퇴적되면 지각의 암석 및 지열 구배 때문에 후속 침전점진적 매몰 또는 오버부하가 높은 압력과 온도를 제공한다.매몰 온도와 압력의 변화는 수소, 산소, 질소, 황 및 그 관련 기능군손실을 포함한 케로겐 조성에 추가적인 변화를 가져오고, 그에 따른 이성화 및 방향족화 이러한 변화는 케로겐의 열 성숙 상태를 나타낸다.방향족화는 시트에 분자를 쌓을 수 있게 하고, 이는 분자 밀도, 유리반사율 및 포자 색소(깊이/열 성숙도가 증가함에 따라 노란색에서 주황색에서 검은색)와 같은 케로겐의 물리적 특성에 변화를 일으킨다.

열숙성 과정에서 케로겐은 고온 열분해 반응으로 분해되어 역청, 오일, 가스 등의 저분자 생성물을 형성한다.열적 성숙도는 제품의 성질을 제어하며, 열적 성숙도가 낮으면 역청/기름, 열적 성숙도가 높으면 가스가 생성됩니다.생성된 종들은 케로겐이 풍부한 원천암에서 부분적으로 배출되며, 경우에 따라서는 저장암으로 유입될 수 있다.케로젠은 특히 셰일 같은 비상식적인 자원들에 더욱 중요한 역할을 한다.이러한 형태에서 석유와 가스는 케로겐이 풍부한 소스 암석(즉, 소스 암석도 저장소 암석)에서 직접 생산됩니다.이러한 셰일즈의 다공성 대부분은 기존의 저장 [8][9]암석에서 발생하는 광물 알갱이 간보다는 케로겐 내에서 숙주하는 것으로 밝혀졌다.따라서 케로젠은 셰일 [8]내 석유와 가스의 저장과 수송의 대부분을 통제한다.

구성.

알프레드 E가 석유에서 추출한 바나듐 포르피린 화합물(왼쪽). 트레이브스는 유기 지구 화학의 아버지야이 분자와 엽록소 a(오른쪽)의 밀접한 구조적 유사성은 석유가 [10]식물에서 파생되었음을 입증하는 데 도움이 되었다.

케로겐은 퇴적암에서 [11]유기물의 가장 풍부한 부분을 구성하는 유기 화합물의 복합 혼합물이다.케로겐은 유기물의 혼합물이기 때문에 하나의 화학식으로 정의되지 않는다.화학조성은 퇴적층 사이 또는 퇴적층 내에서도 크게 다릅니다.를 들어 북미 서부그린강 형성 오일 셰일 퇴적물의 케로겐에는 탄소 215 : 수소 330 : 산소 12 : 질소 5 : [12]1의 비율이 포함되어 있다.

케로겐은 성분 화합물의 분자량이 높기 때문에 일반 유기 용제에 부분적으로 용해되지 않습니다.수용성 부분은 역청으로 알려져 있다.지표면에서 적절한 온도(오일 창 c. 50–150°C, 가스 창 c. 150–200°C, 소스 암석의 가열 속도에 따라 다름)로 가열될 때 일부 유형의 케로겐은 총칭하여 탄화수소(화석 연료)로 알려진 원유 또는 천연 가스를 방출합니다.유기물이 풍부한 머드록 셰일과 같은 암석에 고농도로 이러한 각질이 존재할 때, 그것들은 가능한 원천 암석을 형성한다.케로겐이 풍부하지만 탄화수소를 생성하기 위해 필요한 온도로 가열되지 않은 셰일은 오일 셰일 퇴적물을 형성할 수 있습니다.

케로겐의 화학조성은 여러 가지 형태의 고체분광법에 의해 분석되었다.이러한 실험은 일반적으로 케로겐에 있는 다양한 유형의 원자의 사양(결합 환경)을 측정한다.한 가지 기술은 탄소 분화를 측정하는 C NMR 분광법이다.NMR 실험에서 케로겐의 탄소는 거의 전적으로 지방족(sp3 하이브리드)에서 거의 전적으로 방향족(sp2 하이브리드)까지 다양하며, 열 성숙도가 높은 케로겐은 일반적으로 방향족 [13]탄소가 더 많이 함유되어 있는 것으로 밝혀졌다.또 다른 기술은 라만 분광법이다.라만 산란은 분자 결합의 특정한 진동 모드와 대칭을 식별하기 위해 특징적이며 사용될 수 있다.케로겐의 1차 라만 스펙트럼은 두 가지 주요 [14]피크로 구성된다. 즉, 잘 정렬2 sp 카본의 면내 진동 모드에 기인하는 이른바 G 밴드("그래픽")와 격자 결함과 불연속성과 관련된 sp2 카본의 대칭 진동 모드에 기인하는 소위 D 밴드("무질서")이러한 탄소종의 상대적 스펙트럼 위치(라만 이동)와 강도는 열 [15][16][17][18][19][20]성숙도와 관련이 있으며, 열 성숙도가 높을수록 흑연화/순서 방향족 탄소가 더 많다.적외선(IR) 분광법을 통해 보완적이고 일관된 결과를 얻었는데, 이는 케로겐이 높은 열 [21][22]성숙도에서 방향족 탄소의 비율이 높고 지방족 사슬의 길이가 짧다는 것을 보여준다.이러한 결과는 열분해 중 분해 반응으로 지방족 탄소를 우선적으로 제거하는 것으로 설명될 수 있으며, 열분해 반응에서는 일반적으로 방향족 고리에 대한 약한 C-C 결합 베타에서 균열이 발생하고 긴 지방족 사슬이 메틸기로 대체된다.성숙도가 높을 때, 모든 유연한 지방족 탄소가 이미 제거되었을 때(즉, 케로겐이 남아 있는 오일 생성 잠재력이 없을 때) 지방족 결합(지질환 등)이 방향족 결합으로 전환됨으로써 방향족도가 더욱 증가할 수 있다.

IR 분광법은 퀴논, 케톤, 에스테르와 같은 탄소-산소 결합에 민감하기 때문에 산소 분해를 조사하는데도 사용될 수 있다.열 성숙 시(소자 분석에서도 관찰된 바와 같이) 케로겐의 산소 함량은 감소하며 산소 [23]사양에 있어 관측 가능한 변화는 거의 없는 것으로 밝혀졌다.마찬가지로 황화물, 티오펜, 황산화물이 함유된 관능기에 민감한 X-선 흡수 근연구조(XANES) 분광법으로도 황 분화를 조사할 수 있다.케로겐의 유황 함유량은 일반적으로 열 성숙에 따라 감소하며, 유황 시방법은 열 성숙도가 낮은 황화물과 티오펜의 혼합을 포함하고,[24][25] 성숙도가 높은 티오펜으로 더욱 농축된다.

전반적으로 헤테로 원자 화학에 관한 케로겐 조성의 변화는 주로 낮은 열 성숙도(역청 및 오일 창)에서 발생하는 반면 탄소 화학에 관한 변화는 주로 높은 열 성숙도(기름 및 가스 창)에서 발생한다.

미세 구조

열적으로 성숙한 케로겐의 [8][26]격자 내에 풍부한 내부 공극 네트워크의 존재를 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에서 추론된 바와 같이 케로겐의 미세 구조는 열 성숙 기간 동안 진화한다.가스 흡착 분석 결과, 열 성숙 [27][28]시 케로겐 내부 비 표면적이 크기(~40~4002 m/g)만큼 증가하는 것으로 나타났다.X선과 중성자 회절 연구는 열 성숙 동안 공유 결합 탄소(주로 지방족에서 주로 방향족 결합으로 전환과 관련됨)의 탄소-탄소 거리가 짧아지는 것을 밝혀내면서 케로겐의 탄소-탄소 간 거리를 조사했다.er 결합 분리(케로겐 호스트 [29]다공성 형성과 관련).이러한 진화는 열적 성숙 과정에서 케로겐 분자의 세그먼트가 분해되면서 케로겐 호스트 모공이 형성되기 때문이다.

물리 속성

이러한 구성 및 미세 구조의 변화는 케로겐의 성질을 변화시킨다.예를 들어 케로겐의 골격밀도는 저열 성숙시 약 1.1g/ml에서 고열 [30][31][32]성숙시 약 1.7g/ml로 증가한다.이러한 진화는 열 성숙도가 높아짐에 따라 지방족(왁스와 유사, 밀도 < 1g/ml)에서 방향족(흑연과 유사, 밀도 > 2g/ml)으로 탄소 분화가 변화하는 것과 일치한다.

공간 이질성

추가적인 연구는 작은 길이의 척도로 케로겐의 공간적 이질성을 탐구했다.서로 다른 입력에서 발생하는 케로겐의 개별 입자를 식별하여 서로 다른 매커널로 할당한다.시작 물질의 이러한 변화는 서로 다른 케로겐 입자 간 조성의 변화를 초래할 수 있으며, 마이크로 길이 척도에서 케로겐 조성의 공간적 이질성을 초래할 수 있다.케로겐 입자 간의 이질성은 또한 다른 입자를 둘러싼 광물의 성질 때문에 열분해 반응의 촉매 작용의 국소적 변화로부터 발생할 수 있다.적외선 분광법(AFM-IR)과 결합해 이루어지는 원자력 현미경을 이용한 측정과 유기석유학과의 상관관계를 통해 나노크기의 [33]열 성숙에 따른 케로겐의 개별 마카톤의 화학적 조성 및 기계적 성질을 분석하였다.이러한 결과는 모든 마카텔이 열 성숙 중에 산소 함량이 감소하고 방향족도(지방의 감소)가 증가함을 나타내지만, 일부 마카텔은 큰 변화를 겪는 반면 다른 마카텔은 상대적으로 작은 변화를 겪는다는 것을 나타냅니다.또한 방향족 탄소가 풍부한 마카멘탈은 지방족 탄소가 풍부한 마카멘탈보다 기계적으로 더 강합니다. 예상대로 방향족 탄소의 높은 형태(예: 흑연)가 지방족 탄소의 높은 형태보다 더 강하기 때문입니다.

종류들

유연한 케로젠은 분해되어 주로 액체 탄화수소(즉, 오일)를 생성하고, 내화 케로젠은 분해되어 주로 기체 탄화수소를 생성하며, 불활성 케로젠은 탄화수소를 생성하지 않고 흑연을 형성합니다.

유기석유학에서는 현미경 검사로 케로겐의 다른 성분을 식별할 수 있으며 마카멘탈로 분류된다.이 분류는 원래 석탄(지상 유기물이 풍부한 퇴적암)을 위해 개발되었지만, 현재는 다른 케로겐이 풍부한 퇴적물 연구에 적용된다.

Van Krevelen 다이어그램은 '유형'별로 케로겐을 분류하는 한 가지 방법으로, 각 케로겐은 수소 대 탄소 및 산소의 비율을 비교할 [34]때 서로 다른 그룹을 형성한다.

타입 I: Algal/Sapropelic

I형 케로겐은 초기 수소 대 탄소(H/C) 비율이 높고 초기 산소 대 탄소(O/C) 비율이 낮은 것이 특징이다.이 케로겐은 지질 유래 물질이 풍부하며, 라쿠스트린(민물) 환경의 조류 유기물로부터 유래하는 것이 일반적이지만 항상 그런 것은 아닙니다.질량 기준으로 볼 때 타입 I 케로겐을 함유한 암석은 열분해 시 가장 많은 양의 탄화수소를 산출한다.따라서 이론상으로는 I형 케로겐을 함유하는 셰일즈가 기존 오일 [35]레토르트의 관점에서 가장 유망한 퇴적물이다.

타입 II: 플랑크톤

Type II 각성제는 중간 초기 H/C 비율과 중간 초기 O/C 비율로 특징지어진다.타입 II 케로겐은 주로 퇴적 환경을 감소시키는 해양 유기 물질에서 추출됩니다.II형 케로겐의 황 함량은 일반적으로 다른 케로겐 유형보다 높으며 관련 역청에서 상당한 양의 황이 발견됩니다.II형 케로겐의 열분해는 I형보다 적은 기름을 산출하지만, 산출된 양은 II형 함유 퇴적물이 석유원암일 수 있는 충분한 양이다.

  • 수소: 탄소 원자비 < 1.25
  • 산소: 탄소 원자비 0.03 - 0.18
  • 주로 해양 플랑크톤과 조류에서 유래함
  • 가열 중인 혼합 오일과 가스를 생성합니다.

타입 II-S: 유황

타입 II와 비슷하지만 유황 함량이 높습니다.

타입 III: 휴믹

III형 각질균은 초기 H/C 비율이 낮고 초기 O/C 비율이 높은 것이 특징이다.Type III 각성제는 육상 식물 물질, 특히 셀룰로오스, 리그닌(셀룰로오스의 끈을 결합하는 페닐프로판 단위에서 형성된 비탄수화물 폴리머), 테르펜페놀포함한 전구 화합물에서 유래한다.석탄은 유기물이 풍부한 퇴적암으로 주로 이런 종류의 케로겐으로 구성되어 있다.질량 기준으로는 타입 III의 케로젠이 주요 케로젠 유형 중 가장 낮은 오일 수율을 생성한다.

  • 수소: 탄소 원자비 < 1
  • 산소: 탄소 원자비 0.03 - 0.3
  • 방향족 탄소구조가 풍부하여 수소함유량이 낮다.
  • 육지(육지) 식물에서 유래함
  • 가열 상태에서 가스를 생성하는 경향이 있습니다(최근 연구에 따르면 III형 각질유전자는 극한 조건에서 [36][citation needed]실제로 오일을 생성할 수 있습니다).

유형 IV: 비활성/잔류

타입 IV 케로겐은 대부분 다환 방향족 탄화수소의 형태로 불활성 유기물로 구성됩니다.그들은 [37]탄화수소를 생산할 잠재력이 없다.

  • 수소: 탄소 원자비 < 0.5

케로겐 사이클

케로겐 사이클 [38]

오른쪽 다이어그램은 케로겐(검은색 실선)의 흐름과 생물권 탄소(녹색 실선)의 흐름을 포함한 유기 탄소 순환을 나타내며, 육상과 해양의 1차 생산성에 의한 대기2 CO의 고정을 나타냅니다.재작업된 케로겐과 생물권 탄소의 결합된 플럭스는 내인성 케로겐 [38][39]풀로 들어가는 총 유기 탄소 매몰을 구성합니다.

외계인

탄소질 콘드라이트 운석은 케로겐 형태의 [40]성분을 함유하고 있다.그러한 물질은 지구형 행성을 형성한 것으로 생각된다.케로겐 물질은 성간 구름[41]주위의 먼지에서도 발견되었습니다.

큐리오시티 탐사선은 수정된 시추 기술을 사용하여 화성 게일 크레이터진흙암 샘플에서 케로겐과 유사한 유기 침전물을 검출했습니다.벤젠과 프로판존재는 또한 탄화수소가 [42][43][44][45][46][47][48][49][50]파생되는 케로겐 유사 물질의 존재 가능성을 나타냅니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 아스팔텐 – 원유에서 발견되는 무거운 유기 분자 물질
  • 오일 셰일 지질 – 지질학 분과
  • 석유 지질 – 탄화수소 연료의 기원, 발생, 이동, 축적 및 탐사에 대한 연구
  • 톨린 – 유기화합물의 자외선 조사에 의해 형성된 분자의 종류

레퍼런스

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