Международная команда ученых представила инновационную технологию переработки угля в полиароматические углеводороды и смолы, которая открывает новые горизонты для химической промышленности. Вместо традиционного сжигания уголь растворяется в специальных жидкостях, позволяя производить высокотехнологичные материалы с широким спектром применения.
Образцы переработанного угля
Разработкой занималась международная группа ученых из Красноярска, других городов России, Монголии и Китая. Согласно результатам исследования, опубликованным в журнале Materials, предложенным ими способом
в ценные продукты можно преобразовать почти 97,5% исходного сырья,
при этом значительно снизив содержание опасных канцерогенных соединений, таких как бензапирен.
Суть проблемы
Современная нефтяная промышленность сталкивается с растущей долей тяжелой и высокосернистой нефти, переработка которой становится все более сложной и дорогой. Одновременно объемы производства каменноугольной смолы сокращаются из-за снижения спроса на металлургический кокс, а сама смола содержит опасные для природы вещества. Эти факторы стимулируют ученых на поиски новых источников сырья для производства современных углеродных материалов.
И уголь, который долгое время использовался преимущественно как энергетическое топливо, рассматривается как их потенциальная основа.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами из России, Монголии и Китая разработали метод, позволяющий эффективно «растворять» уголь. Процесс заключается в нагревании угля до температуры около 380°C в присутствии растворителей – каменноугольной смолы, нефтяного газойля или их смеси.
Уголь подвергается деструкции, превращаясь в жидкий продукт, богатый полиароматическими углеводородами. Остаточные отходы составляют всего 8%. То есть технология почти безотходная.
Альтернатива найдена
Важным параметром получаемых продуктов является степень их ароматичности – это характеристика молекулярной структуры, влияющая на термическую и химическую стабильность материала. Исследования показали, что использование каменноугольной смолы в качестве растворителя обеспечивает максимальную ароматичность,
что особенно важно для создания материалов, устойчивых к экстремальным условиям.
Например, такие продукты могут быть использованы для производства игольчатого кокса, который применяется в мощных угольных электродах, аккумуляторах и ядерной энергетике.
Одним из ключевых преимуществ технологии является значительное снижение содержания опасных соединений, таких как бензапирен.
Этот канцероген, который часто выделяется при традиционных способах переработки угля, в новом процессе присутствует в минимальных концентрациях. Более того, увеличение времени растворения позволяет еще больше уменьшить его уровень. Это делает технологию не только эффективной, но и экологически чистой альтернативой существующим методам.
Полученные материалы имеют широкий спектр применения. Из них можно изготавливать не только игольчатый кокс, который используется в производстве мощных электродов для металлургии и аккумуляторов, но и углеродное волокно, которое активно применяется в авиакосмической, автомобильной и строительной отраслях благодаря своей прочности и легкости, а также различные композиты для высокотехнологичных изделий, когда требуется повышенная термическая и химическая устойчивость.
Новые горизонты
Технология также примечательна тем, что работает без использования катализаторов и водорода, что делает ее экономически выгодной и доступной для внедрения в промышленных масштабах.
«Наша технология работает без катализаторов и водорода, в мягких условиях, и позволяет перерабатывать уголь почти полностью. Это делает ее перспективной для замены части нефтяного сырья и развития экологически более чистого производства углеродных материалов», – отмечает один из авторов работы, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник красноярского Института химии и химической технологии СО РАН Петр Кузнецов.
Разработка может стать основой для создания в таком «угольном» регионе, как Красноярский край, научно-производственного кампуса, где фундаментальные исследования будут напрямую интегрированы с производством на промышленных предприятиях.
При этом становится доступным создание материалов с управляемыми свойствами. В зависимости от выбранного растворителя можно получить сырье, подходящее для различных промышленных задач.
Это открывает новые возможности для замены нефтяного сырья.
Добавим, что исследование было поддержано грантами Российского научного фонда и Фонда науки и технологий Монголии.
Фото: КНЦ СО РАН