Научные основы реакционной способности твердых горючих ископаемых и разработка методов получения, и физико-химические исследования широкого класса новых функционализированных сорбентов из ископаемых углей для очистки воды, охраны окружающей среды и технологических процессов в разных отраслях промышленности.

Цели проекта: – разработка научных основ и методов получения новых классов углеродных материалов, в том числе сорбентов, с определенными целевыми характеристиками для очистки шахтовых вод, сточных вод горнорудной промышленности, сточных вод от пестицидов и гербицидов, от тяжелых металлов, от нефтепродуктов, а также для извлечения цветных и благородных металлов, редкоземельных элементов; – создание научных основ технологии получения функционализированных сорбентов (сильнокислотных катионитов) из некоксующегося каменного угля: исследование реакций сульфирования в каменном угле; изучение кинетики ионообменных процессов, определение емкости, селективности и устойчивости катионитов из функционализированных каменных углей ранней стадии метаморфизма; – выявление закономерностей изменения состава органических продуктов термогидролиза буроугольного гумусового, сапропелитового и горючесланцевого сырья, в зависимости от вещественно-петрографического состава и степени литогенетической зрелости органической массы; – развитие новых направлений глубокой переработки низкосортных углей с получением жидких топливных фракций и углеводородного сырья для химической промышленности. Актуальность проблемы, предлагаемой к решению Российская Федерация занимает шестое место в мире по масштабам добычи угля, 2/3 которого применяют для получения энергии и тепла, 1/3 – в химической промышленности, малую часть транспортируют в Японию и Южную Корею. По данным Росстата добыча угля в Российской Федерации в 2019 году составила 439,2 млн тонн. Ископаемые угли являются одним из основных сырьевых источников получения молекулярных адсорбентов, например, активированных углей. Потребность в активированных углях связана с их применением в процессах подготовки питьевой воды, в очистке воздуха, газов, очистке шахтных и промышленных сточных вод от фенолов, пиридиновых оснований, нефтепродуктов, соединений тяжелых металлов, сорбционной емкостью по соединениям золота. Активированные угли также применяются в виноделии, медицинской и химической промышленности. В 2019 году в России было произведено 10 713,5 тонн активированных углей, объем спроса в активированном угле превышает объем предложения на российском рынке [1]. Основными потребителями функционализированных сорбентов, полученных из углей ранней стадии метаморфизма, в частности сульфоуглей (сульфокатионитов на основе сульфированного угля), являются РАО ЕЭС России, Минсельхоз, Минхим, Мин¬нефтехим, коммунально-бытовые пред¬приятия. Ежегодное потребление суль¬фоуглей в России составляет 15 тыс. т. Сульфоугли являются ценным продуктом, имеют более низкую цену в сравнении с синтетическими катионитами, широко применяются в энергетике для водоочистки, для получения деминерализованной воды. В России единственным крупным производителем сульфоуглей был завод в Воскресенске, закончивший производство в 2011 году. В настоящее время функционализированные сорбенты в РФ производятся предприятиями ЗАО "Экспериментальный Химический Завод" (Великий Новгород), Научно - Производственное Предприятие ″Экофрешкарбон" (Зеленодольск, Респ. Татарстан). Цена сульфоугля марки СК, соответствующего ГОСТ 5696-74, производитель – РФ, составляет от 37 до 48 рублей за 1 кг (без НДС), 69,7 рублей (с НДС). Производитель Китай – $1,65. Цена активированных углей: АКВА-Сорб-60 рублей, АГ-3-80 рублей, БАУ-А-85 рублей (без НДС). Технологический процесс получения сульфоуглей очень сложен и требует специального оборудования и организации. Сульфоугли получаются при сульфировании каменных углей [2,3]. Ионогенные сульфогруппы могут быть введены только в ароматические кольца, содержащиеся в угле. Анализ работ [4-8] по получению сульфокатионитов сульфированием каменных углей свидетельствует о том, что реакция сульфирования осуществляется в присутствии концентрированной серной кислоты или 20-25% олеума, требует жестких условий проведения процессов. Полученные таким образом сульфокатиониты имеют примеси сульфоновых мостиков, низкую ионообменную емкость и селективность по катионам металлов. Плохая химическая и механическая устойчивость сульфоуглей приводит к загрязнению фильтрата и они не применяются для получения высокодеминерализованной воды (апирогенной воды в медицине, воды для котлов высокого давления в энергетике). Глубокая термохимическая, в том числе термогидролитическая, переработка гумусового, сапропелитового угля и горючих сланцев позволяет получать продукты основного органического синтеза. В настоящей работе будут выполнены экспериментальные исследования процесса термогидролиза образцов углей [9] следующих месторождений: итатского, (Кемеровская область); мунайского (Алтайский край); багануурского (Монголия); архаро-богучанского (Амурская область); кангаласского (Республика Саха (Якутия)), а также пиролиза барзасского угля (Кемеровская область). Научная значимость и новизна исследования состоит в том, что проект направлен на решение актуальной научной задачи по изучению термодинамики, кинетики химических превращений в бурых и каменных углях, на изучение взаимосвязи окислительно-гидролитических превращений буроугольного органического вещества и его петрографического состава, степени литогенетической зрелости. В результате выполнения проекта будут разработаны физико-химические основы технологии глубокой химической переработки угля. Будут определены режимы получения углеродных сорбентов и сильнокислотных катионитов из витринитов каменных углей ранней стадии метаморфизма. 1. Рынок активированного угля в России. Текущая ситуация и прогноз 2020-2024 гг. https://alto-group.ru/otchot/rossija/326-rynok-aktivirovannogo-uglya-tekushhaya-situaciya-i-prognoz-2014-2018-gg.html. 2. Бондаренко М.В. Попов А.Е. Способ получения сульфоугля. Патент РФ 2010000. 30.03.1994. 3. Степанов С.Г., Морозов А.Б., Иванов И.П., Судакова И.Г. Способ получения сульфоугля. Патент РФ 2 213 693. 22.11.2002. 4. Yu H., Niu S., Lu C., Li J., Yang Y. Sulfonated coal-based solid acid synthesis// Fuel. 2017. V. 208. P. 101-110. 5. Hara M., Yoshida T., Takagaki A., Takata T., Kondo J.N., Hayashi S., et al. A carbon material as a strong protonic acid // Angew Chem Int Ed. 2004. V. 43. P. 2955-2958. 6. Mo X., Lopez D.E., Suwannakarn K., Liu Y., Lotero E., Goodwin J.G., et al. Activation and deactivation characteristics of sulfonated carbon catalysts // J Catal. 2008. V. 254. P. 332-338. 7. Geng L., Yu G., Wang Y., Zhu Y. Ph-SO3H-modified mesoporous carbon as an efficient catalyst for the esterification of oleic acid //Appl Catal A Gen. 2012. V. 427–428. P. 137–144. 8. Fu Z., Wan H., Hu X., Cui Q., Guan G. Preparation and catalytic performance of a carbon-based solid acid catalyst with high specific surface area// Reac Kinet Mech Catal. 2012. V. 107. P. 203-213. 9. Федорова Н.И., Хицова Л.М., Исмагилов З.Р. Термоустойчивость бурых углей различных месторождений России и Монголии // Химия в интересах устойчивого развития. 2019. Т. 27. С. 667-674.