Разработка научных основ инструментальных методов исследования состава структуры и морфологии угля и продуктов углехимии. 2024 - 2025 гг.

В настоящее время в Кузбассе интенсивно ведутся научно-исследовательские работы в области глубокой экологически чистой, безотходной переработки углей и других твердых горючих ископаемых, как для энергетики, так и для получения ценных химических продуктов. При этом огромное внимание уделяется проблемам экологии, связанным с добычей угля и его переработкой. Ископаемый уголь представляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав и определяют пути рационального использования углей. Минеральная часть ископаемых углей влияет практически на все показатели, характеризующие уголь как энергетическое топливо. Очевидно влияние минеральной части на шлакование при нагреве, эрозионный износ, на состав и теплоту сгорания массы угля, выход и состав летучих веществ. Научная разработка и создание комплексных «чистых» технологий глубокой переработки углей с получением широкого набора химической продукции с высокой добавленной стоимостью возможны только при наличии подробных сведений о химическом составе углей, структурной организации угольной макромолекулы, её отдельных фрагментов, их количественном соотношении, типе и степени конденсации, ароматичности, замещенности различными функциональными группами и алкильными цепями, природе и характере распределения гетеро-атомов. Наличие этих сведений позволит установить взаимосвязь химического состава угля с его реакционной способностью, оптимизировать процессы его переработки с достижением высокого выхода жидких продуктов заданного фракционного, химического группового и структурно-группового состава, а также разработать новые и модернизировать существующие технологии для получения целого ряда углеродных продуктов и материалов с заданными физико-химическими свойствами, таких как углеродные нановолокна, оксид графена, углеродные сорбенты и др.; позволит научно обосновать выбор угля и определить области его рационального применения. Таким образом, можно констатировать, что актуальным и крайне необходимым является использование, развитие и внедрение современных физико-химических методов для исследования химического состава, структуры, морфологии и физико-химических свойств углей и продуктов углехимии, с привлечением для решения этих задач широкого спектра современного научно-исследовательского оборудования. В Кузбассе функционирует и развивается единственный по оснащенности современным дорогостоящим оборудованием на весь регион ЦКП ФИЦ УУХ СО РАН - «Научно-аналитический центр исследования химического состава и структуры углеродистых веществ», на приборной базе которого методами ИК-, ЯМР-спектроскопии проводится изучение функционально-группового состава и структурной организации макромолекулы углей; методом рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа в комплексе с методом спектроскопии комбинационного рассеяния изучается степень упорядоченности и фазовый состав; методами аналитической сканирующей электронной микроскопии и низкотемпературной адсорбции азота изучается надмолекулярная структура углей; методом синхронного термического анализа, включающего термогравиметрию, дифференциальный термический анализ и дифференциальную сканирующую калориметрию, исследуется фазовый состав, процессы термодеструкции, окисления и восстановления при нагреве; методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и газо-жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией проводится исследование компонентного состава продуктов ожижения угля, фракций каменноугольной смолы, а также восков и гуминовых кислот, экстрагируемых из углей. Ряд показателей, таких, как степень ароматичности углей, удельная поверхность, объем пор и распределение пор по размерам определяется по уникальным аттестованным методикам, разработанным в ЦКП. Научная новизна работы заключается в следующем: Исследования углей и продуктов углехимии на системной основе с использованием широкого комплекса современных физико-химических методов в Кузбассе и в РФ ставятся впервые! 2024 год 1. Исследование методом аналитической сканирующей микроскопии состава и морфологии поверхности углеродных сорбентов, полученных путем химической активации ископаемых углей различных марок. (исп. в.н.с. Созинов С.А.) 2. Исследование методом спектроскопии ЯМР молекулярной структуры фульвокислот кислот, полученных из бурого угля. 3. Установление параметров расщепления в нулевом поле комплексов фульвокислот с ионом Fe3+ методом симуляции ЭПР-спектров и выявление структуры комплексов Fe3+–фульвокислота, Mn2+–фульвокислота (степень искажения, тип лигандов, входящих во внутреннюю и внешнюю координационную сферу) 4. Сопоставление полученных результатов по оценке структуры фульвокислот метожом ЭПР с данными, полученными методом ЯМР-спектроскопии. 5. Исследование методом рентгеновской дифракции фазового состава и структурных характеристик углеродных сорбентов, полученных из разных марок углей Кузбасса. 5. Исследование условий проведения анализа методом ОЭС ИСП с лазерным отбором пробы, разработанных на предыдущих этапах исследований для количественного определения микропримесей в соединениях кальция, натрия и калия, допированных различным количеством примесных элементов. 2025 год 1. Разработка комплексной методики для оценки методом сканирующей электронной микроскопии зольности углей, содержания в них золообразующих элементов, и степени метаморфизма. 2. Исследования методами ЯМР и ИК –спектроскопии структурного и функционального состава каменноугольных смол, полученных из них каменноугольных пеков и их отдельных компонентов, а также полукоксов. 3. Исследование методом ЭПР радикальных структур в образцах каменноугольных смол, каменноугольных пеков и их отдельных компонентов, а также полукоксов. и установление их природы, 4. Исследование методом рентгеновской дифракции влияния режимов термической обработки на фазовые и структурные изменения углеродных сорбентов, полученных из разных марок углей Кузбасса, при термическом воздействии (в процессе коксования. 5. Обобщение и анализ поученных на предыдущих этапах экспериментальных данных по исследованию методом ОЭС ИСП с лазерным пробоотбором оксидов алюминия, железа, соединений кальция, калия и натрия на содержание в них микропримесей благородных, редкоземельных и токсичных элементов Планируемый результат выполнения работы, подразделение научного учреждения РАН и руководитель работы 2024 год 1. Будут получены данные о химическом составе и структуре поверхности в зависимости от способов и условий химической активации ископаемых углей. 2. Будут определены качественные и количественные структурные параметры молекул гумусовых кислот, полученных из бурого угля. Будут определены структурные параметры молекулы, ее функционально-групповой состав. 3. Используя метод симуляции ЭПР-спектров с последующим сравнением симулированного спектра и полученного экспериментально будут установлены параметры расщепления в нулевом поле комплексов Fe3+– фульвокислота, и в комплексе с методом ЯМР спектроскопии будет выявлена структура комплексов Fe3+– фульвокислота, Mn2+–фульвокислота (степень искажения, тип лигандов, входящих во внутреннюю и внешнюю координационную сферу). Полученные данные могут быть использованы при создании высокоактивных биологических добавок, стимулирующих рост сельскохозяйственных растений. 3. Будут определены: фазовый состав углеродных сорбентов на основе ископаемых углей (содержание графитоподобной фазы, а также степень её упорядочения) и структурные параметры, а также зависимости рентгеноструктурных характеристик углеродных сорбентов в зависимости от режима их получения. 4. Методика определения микроэлементного состава карбоната кальция методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерным пробоотбором. 2025 год 1. Методика определения методом сканирующей электронной микроскопии зольности углей, содержания в них золообразующих элементов, и степени метаморфизма. 2. Будут получены данные функционального состава каменноугольных смол, полученных из них каменноугольных пеков и их отдельных компонентов, а также полукоксов в зависимости от марки пека и условий коксования. 3. Будет установлена природа радикальных структур, находящихся в различных продуктах углехимии (каменноугольные смолы, каменноугольные пеки и их фракции, полукоксы). Будет оценена их роль в пиролитических процессах. Полученные данные могут быть использованы при модернизации технологических процессов получения функциональных углеродных материалов. 4. Будут установлены зависимости рентгеноструктурных характеристик (содержание графитоподобной фазы, а также степень её упорядочения) углеродных сорбентов от режимов термической обработки. 5. Будут получены образцы сравнения заданных составов для анализа основных типов золошлаковых и других силикатных материалов и разработана методика количественного определения микропримесей в золошлаковых отходах методом ОЭС ИСП с лазерным отбором проб.