Главная – Журналы – Химия в интересах устойчивого развития 2020 номер 6

Исследовано лазерное зажигание (1064 нм, 120 мкс) мелкодисперсных частиц углей марок Б, Д, ДГ, Г, Ж, К, ОС, СС, Т, А. Для углей всех марок обнаружены три последовательные стадии зажигания с характерными пороговыми плотностями энергии излучения ( H _cr) для каждой стадии. С увеличением степени углефикации значения первого порога зажигания H _cr⁽¹⁾ практически не меняются, второго порога зажигания H _cr⁽²⁾ снижаются, а третьего порога зажигания H _cr⁽³⁾ возрастают. Приведены результаты исследования кинетических зависимостей свечения пламен на различных стадиях зажигания, возникающих при воздействии лазерных импульсов на частицы угля. Длительность свечения на первой стадии зажигания незначительно превышает длительность лазерного импульса и достигает 150 мкс для всех марок углей. На второй стадии зажигания при плотности энергии лазерного излучения ( H ), равной H _cr⁽²⁾, длительность свечения находится в миллисекундном временном интервале, а с ростом H она уменьшается до субмиллисекундного диапазона в результате увеличения скорости термохимических реакций. На третьей стадии зажигания при H = H _cr⁽³⁾ длительность свечения составляет порядка 10-100 мс для различных марок углей. Установлено, что для исследованных марок углей интенсивность свечения нарастает с момента воздействия лазерного импульса. В субмиллисекундном диапазоне наблюдается спад интенсивности свечения. Амплитуда свечения углей линейно возрастает с увеличением параметра H .

Получены образцы нативных и модифицированных н -бутанолом гуминовых кислот, выделенных из бурых углей Канско-Ачинского и Южно-Уральского бассейнов. С применением методов элементного, спектрального, технического анализа и фитотестирования охарактеризованы их состав и свойства. С использованием ¹³С ЯМР (CPMAS), ИК- и КР-спектроскопии показано изменение структурно-групповых параметров модифицированных гуминовых кислот. Методом фитотестирования на примере семян сортовой пшеницы “Ирень” проведена оценка биологической активности нативных и модифицированных гуминовых кислот. Показано, что модифицированные гуминовые кислоты обладают повышенной биологической активностью. Это связано с увеличением относительного содержания ароматических элементов структуры, которое сопровождается возрастанием значений параметров f _a (степень ароматичности) и f _ar/al (ароматичность/алифатичность) гуминовых кислот.

Исследован процесс адсорбции фенола из водных растворов на углеродных сорбентах, полученных из каменных углей Кузбасса марок Б, Д, СС и Т методом химической активации с использованием гидроксида калия. Смешение угля и гидроксида калия осуществляли способом пропитки (массовое соотношение уголь/щелочь = 1 : 1) с последующей карбонизацией смеси при 800 °С и изотермической выдержкой 1 ч. Показано, что процесс адсорбции фенола сорбентами описывается уравнением Ленгмюра ( R ² ≈ 0.999). Параметры сорбции указывают на высокую эффективность адсорбции фенола на углеродных сорбентах, в особенности на сорбенте, полученном из угля марки Д. Установлено, что процесс извлечения фенола из водного раствора сорбентами описывается моделью кинетики адсорбции псевдовторого порядка, а лимитирующей стадией является диффузия молекул фенола в микропористом пространстве сорбента.

Изучен термический сольволиз эпоксидной диановой смолы (ЭД-20) и армированных стекловолокном и углеродным волокном полимерных композиционных материалов (ПКМ) в среде каменноугольного и нефтяных пеков. Определены состав дистиллятных продуктов сольволиза с использованием газового хромато-масс-спектрометра и характеристики остатков сольволиза. Предложен механизм термического сольволиза эпоксидной смолы в каменноугольном и нефтяных пеках. Показана возможность выделения углеродных и стеклянных волокон в результате термического сольволиза ПКМ в каменноугольном и нефтяных пеках. Проведено сравнение каменноугольного пека и нефтяных пеков при использовании их в качестве растворителей в процессе термического сольволиза.

Исследованы структурно-морфологические и электрохимические свойства нанокомпозитных материалов, полученных методом термического разложения гидроксидов кобальта и смешанных гидроксидов кобальта-цинка на поверхности углеродной матрицы, представляющей собой многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). Установлено, что при обработке растворов сульфатов кобальта и цинка гидроксидом натрия образуется твердая фаза, включающая в себя гидроксид кобальта и оксид цинка. При последующей термообработке на воздухе формируется преимущественно кобальтат цинка Zn _x Co_{(1- x )}O _y , в котором относительное содержание кобальта и цинка может меняться в широком интервале значений. Изучение электрохимических свойств синтезированных нанокомпозитных материалов методом циклической вольтамперометрии показало, что при внедрении оксида кобальта в углеродную матрицу наблюдается рост электрической емкости во всем диапазоне скоростей сканирования потенциала (10-80 мВ/с). Использование электродных материалов на основе композита состава МУНТ/кобальтат цинка позволяет увеличить удельную емкость суперконденсаторов в 1.5 раза и добиться экономии дефицитного кобальта при их изготовлении.

Представлены результаты исследования методом инфракрасной (ИК) спектроскопии бурых углей различных месторождений России и Монголии. Полученные данные свидетельствуют о наличии в бурых углях сложных структур, содержащих алифатические и ароматические углеводородные фрагменты, а также кислородсодержащие функциональные группы (карбонильные, гидроксильные, эфирные). Установлено, что рассчитанный по результатам ИК-спектроскопии показатель ароматичности f _a имеет линейную корреляционную связь с показателями качества бурых углей - выходом летучих веществ (V^daf), связанным углеродом (C_fix) и атомным отношением Н/С.

С целью разработки новых катализаторов для окислительных превращений соединений серы на основе углеродных нанотрубок (Таунит) с нанесенными биметаллическими оксидными наночастицами была приготовлена серия образцов состава M₁M₂O _x /Таунит (M₁M₂ = CeMo, CuMo, CeCu) методом пропитки по влагоемкости. Свойства полученных катализаторов исследованы методом ИК-Фурье спектроскопии и термического анализа в сочетании с масс-спектрометрией. Изучено влияние природы прекурсора металла и окислительной обработки носителя на функциональный состав поверхности носителя и его термическую стабильность. Установлено, что разложение носителя с нанесенными биметаллами начиналось при температурах на 210-285 °C ниже, чем для немодифицированного носителя. Стабильность носителя (Таунит) к термическому разложению увеличивается в следующем ряду катионов металлов: CuMo < CeMo < CeCu < без М₁М₂. Выбраны оптимальные прекурсоры биметаллов для синтеза перспективного наноразмерного катализатора M₁M₂O _x /Таунит.

Рассмотрены вопросы утилизации золошлаковых отходов угольных тепловых электростанций (ТЭС) для обеспечения их экологической безопасности. Предложена комплексная технология, позволяющая утилизировать отходы процесса сжигания твердого топлива на ТЭС и региональные промышленные отходы совместно с производимыми на ТЭС выбросами углекислого газа, что актуально в рамках подписанного Россией Парижского соглашения по климату. Совмещение процессов получения свободных оксидов кальция и магния в минеральной части сжигаемого в паровом котле топлива, сухого золошлакоудаления из котла и электрофильтров и химического насыщения их углекислым газом из продуктов сгорания угля с получением термодинамически устойчивых карбонатов позволяет организовать малоотходный процесс производства электрической и тепловой энергии и заменителей природных материалов разного назначения. Комплексный процесс карбонизации основных компонентов зол ТЭС в процессе минерализации выбросов СО₂ повышает потребительские свойства золошлаков при снижении эмиссии СО₂ на 3-5 %, что эквивалентно повышению коэффициента полезного действия ТЭС на 1.5-2 %. Вовлечение в процесс химического рециклинга региональных ресурсов (золошлаки ТЭС и иных производств, строительные отходы программ реновации жилья и др.) может поднять степень безотходности ТЭС до 70-90 % без обращения к дорогостоящим технологиям улавливания и хранения углерода (Carbon Capture and Storage, CCS). Возможность решения в рамках одного технологического процесса многофакторной задачи утилизации твердых и газообразных продуктов различного типа обеспечивает коммерческую привлекательность настоящего предложения.

Изучен состав продуктов механообработки (МО) смеси бурого угля и воды (1 : 1) при температурах МО 80, 120, 160, 200 °С. Механообработку водоугольной композиции осуществляли с помощью установки АГО-2 в среде аргона. Проведение МО при повышенных температурах способствует деструкции органической составляющей бурого угля. Показано, что при увеличении температуры МО снижается выход метана и увеличивается выход битумоида. Установлено, что содержание смол и асфальтенов в битумоидах возрастает с повышением температуры МО. Изучены характеристики воспламенения и горения продуктов МО смеси “уголь - вода”.

Исследован петрографический состав сапропелитовых углей различных месторождений России. Выявлено, что в исследуемых образцах содержится более 75 % мацералов группы липтинита, 8-24 % мацералов группы витринита и минорные количества группы инертинитов (преимущественно фюзинит) - не более 1-2 %. Для определения генетической зрелости сапропелитовых углей использовали отражательную способность витринита. Установлено, что показатель отражения витринита в образцах варьируется в относительно узком диапазоне - от 0.27 % (образец Чарчикского месторождения) до 0.41 % (образец Таймылырского месторождения).

Проведена статистическая обработка материала по составу золообразующих элементов углей Каа-Хемского месторождения ( n = 43), в том числе ранее полученных другими исследователями. Образцы исследуемых углей в среднем низкозольные (зольность A^d 11.8 %), с относительно высоким содержанием CaO (17.4 мас. %) и Fe₂O₃ (16.6 мас. %). Регрессионный анализ данных по методу наименьших квадратов позволил выявить наличие корреляционных связей между показателями зольности и содержанием элементов. Построены графики зависимостей содержания элементов в угле [Э _i ] и золе угля [Э _i ]^А от зольности для широкого диапазона значений A^d (3-51 %). Типы построенных для Si, Al, Ti, K, Na диаграмм отличаются от таковых для Fe, Ca, Mg, S. Показано, что в исследуемых углях главными носителями Si, Al, Ti, K, Na являются минеральные включения аллотигенного происхождения. В аутигенных образованиях углей находятся в основном зола-носители Fe, Ca, Mg, S.