Растворенный уголь – сырье для углеродных материалов
Международная группа исследователей предложила технологию переработки угля в полиароматические углеводороды и смолы. Технология позволяет преобразовывать до 97,5% угля в ценное сырье с минимальным количеством отходов и гораздо меньшим содержанием канцерогенного бензопирена. Технология открывает новые перспективы для угольной отрасли, предлагая экологически более приемлемую альтернативу традиционному сжиганию. Полученные материалы могут использоваться для производства углеродного волокна, электродного кокса и других высокотехнологичных продуктов. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials.
В последние годы мировая нефтяная промышленность сталкивается с ростом доли тяжелой, высокосернистой нефти, перерабатывать и очищать которую дорого. При этом объемы производства каменноугольной смолы сокращаются из-за падения спроса на металлургический кокс, а ее экологическая безопасность вызывает вопросы из-за высокого содержания экологически опасных канцерогенных соединений, таких как бензопирен. На этом фоне возрастает потребность в новых источниках сырья для производства современных углеродных материалов. Одним из перспективных решений выступает химическая переработка угля, который может стать основой для производства современных углеродных материалов.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН с коллегами из России, Монголии и Китая представили эффективный способ переработки обычного каменного угля в сырье для химической промышленности. Технология позволяет превращать его в ценные жидкие продукты и смолы и может стать шагом к более эффективному использованию угольных ресурсов.
Процесс переработки угля включает его растворение в специальных жидкостях, полученных из угля или нефти. В рамках исследования специалисты опробовали в качестве растворителей каменноугольную смолу, нефтяной газойль и их смесь. При нагревании до температуры около 380°C и под действием растворителей уголь подвергается деструкции. Полученный продукт с выходом до 97,5% представляет собой концентрат полиароматических углеводородов.
Ученые отметили, что растворитель влияет на свойства полученного продукта. Главное различие — степень ароматичности. Это химический термин, который описывает структуру молекул. Чем выше ароматичность, тем выше термостойкость и химическая устойчивость полученных материалов, что важно для производства углеродных композитов. Материал, полученный с использованием каменноугольной смолы, оказался наиболее ароматичным. Такие вещества особенно ценны для химической промышленности.
Одним из главных преимуществ технологии стало снижение содержания опасных соединений в полученных веществах. В частности, концентрация бензопирена — одного из самых опасных канцерогенов — оказалась значительно ниже, чем в традиционном каменноугольном пеке. Также было установлено, что увеличение времени растворения угля позволяет еще больше снизить содержание канцерогенов. Это делает новую технологию не только эффективной, но и более безопасной с экологической точки зрения.
Разработка позволяет эффективнее использовать уголь, предлагая альтернативу его сжиганию. Уголь превращается в ценные соединения с минимальным количеством отходов — не более 8% независимо от выбранного растворителя. Такой подход позволяет значительно сократить объем неиспользуемых остатков и снизить уровень вредных выбросов в окружающую среду.
Подобные разработки могут стать основой для планируемого в регионе научно-производственного кампуса. Интеграция фундаментальных исследований с промышленными предприятиями позволит ускорить внедрение технологий переработки угля.
«Вещества, полученные при низкотемпературной переработке угля, могут стать основой для создания современных высокотехнологичных углеродных материалов с пониженной канцерогенностью. Они содержат меньше опасных веществ и имеют структуру, подходящую для разных промышленных применений. В зависимости от растворителя можно управлять свойствами полученного сырья. Например, продукт с растворителем смолой коксования хорошо подходит для производства игольчатого кокса — важного материала для мощных угольных электродов, аккумуляторов и ядерной энергетики. А продукт с нефтяным растворителем может использоваться для получения углеродного волокна. 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», — отметил один из авторов работы Петр Кузнецов, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Исследование поддержано проектом Российского научного фонда (грант 24-43-03001) и Фонда науки и технологий Монголии. Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Информация и фото предоставлены службой научных коммуникаций КНЦ СО РАН
Разместила: Ирина Усик