Фундаментальные исследования асфальтенов углей Кузбасса с целью получения нанокластерных углеродных материалов на их основе.

Комплексом физико-химических методов исследования химического состава и молекулярной структуры, включающих ИК-спектроскопию, спектроскопию ядерного магнитного резонанса, термический анализ и хроматографию с масс-спектрометрией, проведены исследования порошков α2-фракции и β-фракции (асфальтенов), полученных методом избирательно растворимых групп из промышленного среднетемпературного каменноугольного пека. Полученные в работе данные о химическом и функционально-групповом составе молекулы асфальтенов хорошо согласуются между собой и представляют огромный интерес для моделирования структурной единицы молекулы. Установлено, что углеводородный скелет средней гипотетической макромолекулы асфальтенов может рассматриваться как совокупность конденсированных ароматических ядер периконденсированного типа в среднем из семи колец, которые имеют алкильные заместители и соединительные мостики, состоящие в среднем из двух атомов углерода, при этом, в среднем на два атома углерода приходится один атом водорода. Строение молекул асфальтенов КУП, приближенно, может быть описано моделью Спейта. Исследование распределения в структуре асфальтенов гетероатомов: S, N, O, показало, что в среднем один атом S, N или О содержится в структуре из 500, 50 или 167 атомов углерода, соответственно. Соотношение различных структурных единиц в макромолекуле асфальтенов следующее: в среднем на одну S-содержащую структуру приходится 4-5 N- и 1.3-1.7 O-содержащих структур. Атомы серы содержатся в тиофеноподобных термически стабильных фрагментах структуры и при термолизе без разложения переходят в коксовый остаток. Кислород входит в состав термически нестабильных карбоксильных и фенольных групп, разлагающихся с выделением углекислого газа, а также в составе ароматических эфиров, переходящих в коксовый остаток. Азотсодержащие структуры подвергаются термическому разложению в двух интервалах температур, для определения типа соответствующих такому поведению структур требуются дополнительные исследования. Впервые показано, что форма и дисперсность частиц асфальтенов, полученных из каменноугольного пека, зависят от условий их осаждения, подбирая которые можно получать порошки асфальтенов с очень узким распределением частиц по размерам (коэффициент вариации менее 15%). Это открывает перспективу одного из возможных направлений применения порошков асфальтенов, а именно в качестве хроматографического сорбента. Однако наблюдаемый в проведенных экспериментах низкий выход асфальтеновой фракции (около 5%) и высокое содержание канцерогенных веществ (бензапирена) в летучих продуктах, образующихся при термолизе требует дополнительных исследований с целью повышения выхода этой фракции и снижению канцерогенной опасности в процессах термической обработки. Результаты исследования состава, структуры частиц α2-фракции и полученных из них частиц кокса, показали, что α2-фракция характеризуется более высоким содержанием углерода в сравнении с β-фракцией, при этом сера также содержится в основном в виде термоустойчивых тиофеновых соединений и накапливается в коксовых остатках. Установлено, что α2-фракция каменноугольного пека отличается от асфальтенов более низким содержанием ПАУ в летучих продуктах и более высоким выходом коксового остатка в процессе термолиза, при этом у коксовых частиц формируется слоистая с выраженной анизотропией структура, приближающейся по структурным характеристикам La и LC к игольчатым коксам «премиум класса». По нашему мнению, α2-фракция каменноугольного пека может являться перспективным сырьем для получения графитовых материалов различного назначения. В целом углубленное исследование состава, структуры и свойств отдельных компонентов каменноугольного пека является необходимым и представляет интерес с точки зрения поиска перспективных источников для создания функциональных углеродных материалов.