Международная группа исследователей разработала методику переработки угля в полиароматические углеводороды и смолы. Данная технология обеспечивает преобразование до 97,5% угля в востребованное сырье, характеризующееся незначительным количеством отходов и сниженным содержанием канцерогенного бензопирена. Это открывает новые возможности для угольной промышленности, предлагая более экологичную альтернативу традиционному способу сжигания. Полученные материалы применимы для производства углеродного волокна, электродного кокса и других продуктов с высокой степенью технологичности. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials.
В последние годы мировая нефтяная промышленность испытывает увеличение доли тяжелой нефти с высоким содержанием серы, что делает ее переработку и очистку дорогостоящими процессами. В то же время, производство каменноугольной смолы уменьшается вследствие снижения спроса на металлургический кокс, а вопросы ее экологической безопасности связаны с высоким содержанием опасных канцерогенных соединений, например бензопирена. В связи с этим возникает повышенная потребность в альтернативных источниках сырья для изготовления современных углеродных материалов. Химическая переработка угля представляется одним из многообещающих подходов, способных обеспечить основу для производства таких материалов.
Сотрудники Красноярского научного центра СО РАН совместно с исследователями из России, Монголии и Китая разработали действенный метод переработки каменного угля в материалы, необходимые для химической промышленности. Данная технология позволяет получать из угля ценные жидкие продукты и смолы, что может способствовать более рациональному использованию угольных запасов.
Переработка угля предполагает его растворение в специализированных жидкостях, которые производятся из угля или нефти. В ходе исследования растворителями выступали каменноугольная смола, нефтяной газойль и их комбинация. При нагревании до приблизительно 380°C и под воздействием растворителей уголь разлагается. Полученный продукт, с выходом до 97,5%, является концентратом полиароматических углеводородов.
Растворитель оказывает влияние на характеристики конечного продукта, согласно выводам ученых. Ключевое отличие заключается в степени ароматичности – химическом термине, определяющем строение молекул. Повышенная ароматичность обуславливает более высокую термостойкость и химическую устойчивость материалов, что критически важно для изготовления углеродных композитов. Наибольшей ароматичностью характеризовался материал, полученный с использованием каменноугольной смолы. Данные соединения представляют особую ценность для химической промышленности.
Благодаря данной технологии удалось существенно уменьшить количество вредных веществ в конечном продукте. В частности, содержание бензопирена, являющегося одним из наиболее опасных канцерогенов, оказалось значительно меньше, чем при использовании традиционного каменноугольного пека. Кроме того, было выяснено, что увеличение времени растворения угля позволяет добиться еще большего снижения концентрации канцерогенов. Таким образом, новая технология отличается не только высокой эффективностью, но и повышенной экологической безопасностью.
Данная технология способствует более рациональному использованию угля, предоставляя альтернативу его прямому сжиганию. В процессе переработки уголь превращается в полезные соединения, образуя незначительное количество отходов – не более 8%, вне зависимости от используемого растворителя. Это позволяет существенно уменьшить количество неиспользуемых остатков и минимизировать выбросы вредных веществ в атмосферу.
Подобные разработки способны послужить фундаментом для планируемого в регионе научно-производственного кампуса. Совместное развитие фундаментальных исследований и сотрудничество с промышленными предприятиями будет способствовать более быстрому внедрению технологий переработки угля.
«Низкотемпературная переработка угля позволяет получать вещества, которые могут послужить основой для производства современных высокотехнологичных углеродных материалов с уменьшенной канцерогенностью. В них содержится незначительное количество вредных веществ, а их структура универсальна и подходит для широкого спектра промышленных целей. Свойства полученного материала можно регулировать, выбирая подходящий растворитель. Продукты на основе смол коксования идеально подходят для изготовления игольчатого кокса, который является ключевым материалом для мощных угольных электродов, аккумуляторов и ядерной энергетики. В свою очередь, продукты с нефтяным растворителем можно применять для производства углеродного волокна. Технология, которую мы разработали, не требует использования катализаторов и водорода, функционирует в щадящих условиях и обеспечивает практически полную переработку угля. Это делает ее потенциально полезной для замещения части нефтяного сырья и создания углеродных материалов с улучшенными экологическими характеристиками», — отметил один из авторов работы Петр Кузнецов, ведущий научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН, доктор химических наук.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 24-43-03001) и Фонда науки и технологий Монголии. Подготовка материала осуществлена при содействии гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Фотографии и информация предоставлены службой научных коммуникаций КНЦ СО РАН