ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ
УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ КАРБОНИЗАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ
ПОЛИМЕРОВ,ПЕКОВ И ПОЛИМЕРПЕКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ, А ТАКЖЕ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ В ПЕРЕРАБОТКЕ УГЛЯ И УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Координаторы: член-корр. РАН Лихолобов В. А., член-корр. РАН Грицко Г. И.

Исполнители: ИК, ОФИК, ИХТТМ, ИУУ, ИХХТ, КТИТУ, ИрИХ, ИГНГ, НПЦ ГПУ СО РАН

Получены новые данные о структуре, поверхностном составе и свойствам монокомпонентных пористых углеродных материалов (ПУМ) (макромикропористые активные угли растительного происхождения, ультрамикропористые углеродные волокна из пеков, каталитический волокнистый углерод (КВУ) различных типов, включая нанотрубки, мезопористые углерод-углеродные композиты из технического и пиролитического углерода, и др.), а также ПУМ со специально введенными гетероатомами (при карбонизации целлюлозы и пековых композиций с закрепленными соединениями Cu, Mo, Cr и др. металлами, при карбонизации Si–C и Ge–C полимеров, а также при получении N-КВУ). Созданы модели структурно-химической трансформации углеродного каркаса и формирования микро- и наноструктур в процессе карбонизации растительных полимеров, аренов каменноугольного происхождения и газообразных углеводородов; предложены методы синтеза и созданы новые углеродные материалы с улучшенными свойствами. (На рис. 1 представлены некоторые из наиболее интересных и необычных структур, полученных при выполнении данной работы.)

Рис. 1. Некоторые примеры синтезированных углеродных структур (данные электронной микроскопии).
а - КВУ в виде однородных нанотрубок; б - чешуйчатая (шишкообразная) структура N-содержащего КВУ; в - углеродное волокно из изотропного каменоугольного пека; г - розоподобные структуры, сформированные при карбонизации Si-C полимеров.

Fig. 1. Examples of the synthesized carbon structures (electron microscopy data).
a - CFC as well-defined nanotubes; б - a cone-type structure of N-containing CFC; в- carbon filament from an isotropic cole pitch; г- rose-type structure formed upon termolysis of Si-C polymers.

Разработана технология получения ультрамикропористых сорбентов из доступного в сибирском регионе сырья (кедровая скорлупа, лигнин), близких по эффективности разделения газовых смесей (N2–O2, H2–CH4) к импортным сорбентам из кокосовой скорлупы (рис. 2). Выпущена опытная партия Mo-содержащего активированного волокна для сорбционной очистки воды и воздуха от широкой гаммы примесей — как органических соединений, так и тяжелых металлов.

Рис. 2. Кинетика адсорбции кислорода (8) и азота (7) на импортном сорбенте из кокосовой скорлупы (справа) и сорбенте, полученном из древесины кедра (слева). 303 K, 18,0 кПа.

Fig. 2. Kinetics of adsorption of O2 (8) and N2 (7) on a western sorbent from coconut (right) and on the sorbent derived from Siberian pine (left). 303 K, 18.0 KРа.

Разработаны новые типы cибунита (мезопористого углеродного материала) с удельной поверхностью до 500—600 м2/г при сохранении таких достоинств cибунита, как малая зольность, отсутствие микропор, механическая и химическая стойкость. Преодолен основной недостаток cибунита, заключавшийся в относительно невысокой его удельной поверхности (ранее — 300—400 м2/г) и, отсюда, невысокой каталитической активности в процессах хлорирования и окисления. При использовании новых типов сибунита в качестве носителя их более развитая поверхность позволяет реализовать высокую дисперсность нанесенного компонента даже при большом содержании последнего (пример для палладиевого катализатора на рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид гранул мезопористого углеродного материала сибунит с повышенной удельной поверхностью (слева, данные СЭМ) и электронная микрография Pd катализатора, приготовленного на его основе (5 мас.% Pd, справа, данные ПЭМ).

Fig. 3. Outer view of globes of mesoporous carbon material Sibunit with enhanced specific surface (SEM data, left) and micrograph of Sibunit-based Pd-catalyst (5 % weight of Pd, TEM data, right).

Показано, что к перспективным месторождениям сапропелевых углей отнoсятся Барзасское (Кузнецкий угольный бассейн), Будаговское (Иркутский угольный бассейн); Таймылырское месторождение богхедов в Ленском угольном бассейне. Общая геологическая оценка запасов этих углей более 1 млрд т.

С целью отработки методики автоклавных экспериментов проведено терморастворение сапропелитового угля Барзасского месторождения, богхеда Таймылырского месторождения и, для сопоставления, бурого угля Бородинского месторождения в толуоле. Показано, что степень конверсии сапропелитовых углей в газообразные, дистиллятные и растворимые в бензоле продукты достигает 85 мас.% и более, что почти в 2 раза выше чем для бурого угля.

При этом выход дистиллятной фракции из сапропелитовых углей в 4—5 раз выше, чем из бурых (см. таблицу).

Выход продуктов терморастворения углей в толуоле при 380 °C

Уголь

Степень конверсии, мас.%

Выход продуктов терморастворения, мас.% в расчете на ОМУ

Газ

Дистиллятная фракция

Мальтены

Асфальтены

Богхед

92

7,6

21,3

34,8

28,3

Сапропелит

85

10,2

16,1

48,4

20,3

Бурый

47

8,7

4,2

30,8

3,3


Список основных публикаций

  1. Плаксин Г. В. Пористые углеродные материалы типа сибунит// Химия в интересах устойчивого развития. 2001. т. 9. с. 609—620.

  2. Кузнецов Б. Н., Чесноков Н. В., Микова Н. М., Наймушина Л. В., Павленко Н. И., Селютин Г. Е. Приготовление модифицированных медью пористых углеродных материалов из растительных полимеров// Там же. 2002. т. 10. с. 421—430.

  3. Кузнецов Б. Н. Некоторые актуальные направления исследований в области химической переработки древесной биомассы и бурых углей// Там же. 2001. т. 9. с. 443—459.

  4. Simonov P. A., Likholobov V. A. Physicochemical aspects of preparation of carbon supported noble metal catalysts// Catalysis at Nanoparticle Surfaces (A. Wieckowski, E. R. Savinova, C. G. Vayenas, eds.). New York, Marcel Dekker, 2002. p. 379—407.

  5. Хохлова Г. П., Кряжев Ю. Г. Влияние соединений некоторых переходных металлов на процесс активации и свойства полученного на основе гидратцеллюлозы углеродно-волокнистого материала// ХТТ. 2001. № 4. с. 54—59.

  6. Бакланова Н. И., Кулюкин В. Н., Ворсина И. А., Ляхов Н. З., Жилицкая Л. В., Ярош Н. О., Воронков М. Г. Термические превращения ненасыщенных поликремнеуглеводородов// Высокомолекулярные соединения. 2001. т. 43, № 4. с. 722—731.

  7. Baklanova O. N., Plaksin G. V., Drozdov V. A., Duplyakin V. K. Рreparation of microporous sorbents from cedar nut-shell and hydrolytic lignin//
    Carbon. 2003 (in press).

  8. Avdeeva L. B., Reshetenko T. V., Ismagilov Z. R., Likholobov V. A. Iron containing catalysts of methane decomposition: accumulation of filamentous carbon// Appl. Catal. (2003), in press.

  9. Kuznetsov B. Application of thin-layer chromatography with fluorescence scanning densitometry for analyzing saturates in heavy liquids derived from copyrolysis of biomass and plastics// Chromatographia. 2002. V. 55, N 1—2. p. 87—93.

  В оглавление Далее