У.Ж. Джусипбеков, Г.О. Нургалиева, Н.Ж. Гизатулина
Институт химических наук им. А.Б.Бектурова
Комитета науки
Министерства образования и науки Республики Казахстан
Физико-химические
закономерности процессов получения полифункциональных гуматсодержащих материалов из бурых углей Казахстана
Казахстан располагает
многочисленными месторождениями минерального и углеводородного сырья, процесс
их переработки требует создания инновационных технологий с производством
наукоемкой продукции. В связи с этим в Институте химических наук им.А.Б.Бектурова исследованы научные основы процесса
получения гуматсодержащих материалов, которые широко
используются в химической промышленности, нефтяной и аккумуляторной отраслях,
сельском хозяйстве и др. Следует отметить, что при этом в процесс вовлекаются
бурые угли, не имеющие широкого энергетического применения. Причем,
преобладание запасов угля над остальными видами органического сырья позволяет
считать его перспективным источником для производства разнообразных химических
веществ и материалов. В качестве исходных компонентов при проведении работ
использовался бурый уголь Таушыкского месторождения (Мангыстауская
обл.) следующего состава, мас.%: влажность – 15,05;
зольность – 13,12; выход гуминовых кислот – 24,51 и растворы гидрокарбоната и оксалата натрия. Выявлено влияние
природы и концентраций неорганических реагентов, соотношений исходных
компонентов, времени и температуры на процесс получения гуматсодержащих
материалов из исследуемых углей.
Установлено, что
повышение концентрации от 1 до 10% приводит к увеличению выхода гуматсодержащих материалов от 30,5
до 49,8%. При концентрациях экстрагента более 8%
не наблюдается значительного возрастания их выхода. Это связано с полным замещением функциональных групп
(-ОН, -СООН, -СОН и др.) на ионы натрия, а
избыточное количество реагента может адсорбироваться на поверхности молекул гуматсодержащих материалов, что сказывается на их качестве и приводит к
повышению вязкости суспензии. При изменении соотношения исходных компонентов (Т:Ж) от 1:3 до 1:12 выход гуматсодержащих материалов увеличивается от
35,05% до 55,11%. Однако, разбавление суспензии большее, чем Т:Ж=1:9
нежелательно, что связано с затруднениями технологического характера при
отделении раствора гуматсодержащих материалов от твердой
фазы. На основании
полученных экспериментальных данных определено, что увеличение
продолжительности процесса от 5 до 60 мин способствует повышению выхода гуматсодержащих материалов. Процесс практически заканчивается в течение
30 мин, так как при этом устанавливается динамическое равновесие скорости
образования свободных радикалов. Повышение
температуры от 200С
до 800С способствует увеличению выхода гуматсодержащих материалов до 48,5%.
Уменьшение содержания углерода в полученных образцах
и увеличение атомного отношение О/С от
0,47 до 0,53% показывает усиление процессов окисления и деструкции под
действием гидрокарбоната натрия. Изменение атомного отношения Н/С от
0,34 до 0,79 свидетельствует о
преобладании ароматических структур над алифатическими фрагментами. По
содержанию кислых функциональных групп образцы, полученные при обработке угля NaНCO3 (5,84 мг-экв/г)
отличаются от образца, экстрагированного с Na2C2O4
(5,57 мг-экв/г), что указывает на различное влияние
этих реагентов на выход и состав гуматсодержащих
материалов.
Данные
ИКС (таблица) подтверждают изменения структуры гуматсодержащих материалов под действием гидрокарбоната
и оксалата натрия. Так, интенсивности валентных колебаний метильных
и метиленовых групп в области 2920 и 2860 см-1, а также деформационных
С-СН3-групп при 1410 и 1390 см-1 уменьшаются. Видимо, это
связано с протеканием деструктивных процессов, приводящих к сокращению длины
алифатической цепи и возрастанию количества кольцевых СН3-групп. При
этом интенсивности полос поглощения валентных колебаний С=С-связей
ароматических структур при 1600 и 1510 см-1 увеличиваются. Кроме
того, при окислении гуматсодержащие материалы
обогащаются кислородсодержащими группами, о чем свидетельствует значительное
возрастание поглощения в области 1060-1080 см-1 валентных колебаний
С-О-групп спиртов. Наиболее сильно эта полоса
выражена для образца, выделенного при обработке угля гидрокарбонатом натрия.
Таблица – Характеристика ИК-спектров полученных образцов
Вид реагента |
Частота, см–1 |
||||
ν
(ОН) |
ν
(СН3, СН2, СН) |
ν
(С=С) |
ν
(С-СН3) |
ν
(С=О) |
|
NaНCO3 Na2C2O4 |
3550-3490 3600-3400 |
2920-2860 2900-2875 |
1600-1580 1570-1510 |
1400 1410-1390 |
1080-1060 1070 |
Анализ спектров ЭПР показал, что линия суммарного
сигнала парамагнитных центров (ПМЦ) имеет слабо выраженную асимметричную форму
и ее полуширина составляет 4-5·10-4 Тл. Сигнал ПМЦ полученных
образцов изменяется слабо и смещается в
сильное поле.
Таким образом, на
основании проведенных исследований выявлены физико-химические закономерности
процессов, протекающих при получении гуматсодержащих
материалов из забалансовых бурых углей. Методами
химического и физико-химического анализа установлено, что при взаимодействии
бурого угля с гидрокарбонатом и оксалатом натрия происходит
окислительно-гидролитическая деструкция угля с отщеплением разных структурных
фрагментов. При этом содержание алифатических фрагментов по сравнению с
ароматическими уменьшается.