Вуглехімія

Вуглехімія, хімія вугілля — галузь науки, яка вивчає загальну систематику твердих горючих копалин (ТГК) та їхні визначальні ознаки, стадії розвитку, структуру і надмолекулярну організацію та їхнє перетворення при метаморфізмі, теоретичні основи процесів термічної та термохімічної деструкції ТГК, газифікації і деструктивної гідрогенізації палив; розробляє та здійснює процеси і методи термічної, хімічної переробки вугілля; є теоретичною основою коксохімії, процесів хіміко-технологічної переробки торфу і горючих сланців, газифікації та гідрогенізації вугілля.

Історична довідка

Становлення вуглехімії у світі

Початок вивчення хімії вугілля сягає 17 ст. Близько 1684 географ та натураліст Дж. Клейтон (Велика Британія) вперше при нагріванні виділив з нього легкозаймистий горючий газ. Це відкриття зафіксоване у письмових записах (архів Лондонського королівського товариства) та опубліковане 1739 у науковому журналі «Філософські угоди» (англ. Philosophical Transactions).

У 18 ст. англійськими броварами було винайдено кам’яновугільний кокс; вони використовувати його замість деревного вугілля для сушки солоду. Тоді ж металург і промисловець А. Дербі (1678–1717, Велика Британія) розробив процес коксування вугілля в коксовій печі, який було покращено 1756 з винаходом закритих печей.

1757 М. Ломоносов сформулював гіпотезу про рослинне походження ТГК і висловив твердження, що кам’яне вугілля походить з торфу.

Перша робота з мікроскопічного дослідження вугілля виконана 1842 гірничим інженером О. Б. Іваницьким (1811–1872, Російська імперія), який визначив основні положення вугільного метаморфізму як «поступовість переходу від торфу і бурого вугілля до найбільш кристалічних видів кам’яного вугілля й антрациту».

Наприкінці 19 ст. виконано перші системні мікроскопічні дослідження ТГК (М. Д. Залеський, 1877–1946; Ф. Н. Чернишов, 1856–1914; Л. І. Лутугін, 1864–1915; А. П. Карпінський, 1847–1936 усі — Російська імперія), в яких ідентифіковано трансформовані рослинні тканини, оболонки спор та інші фрагменти рослин.

1910 Г. Потоньє (1857–1913, Німеччина) запропонував мінералогічну класифікацію, у якій ТГК (каустобіоліти) розділені на три генетичні групи (гуміти, сапропеліти, ліптобіоліти).

1919 палеоботанік М. Стопс (1880–1958, Велика Британія) запропонувала петрографічну класифікацію, що розрізняла у вугіллі чотири основні інгредієнти (вітрен, фюзен, кларен, дюрен) і яка стала початком сучасної петрографії вугілля.

У 1920–1930-х у Німеччині, Великій Британії, Франції, США, СРСР були створені спеціальні лабораторії петрографії.

У 1920-х дослідники Ф. Фішер і Г. Тропш (Німеччина) винайшли процес синтезу для виробництва рідкого палива з вугілля, названий за їхніми іменами «синтезом Фішера — Тропша». Його використовували у Японії й Німеччині під час Другої світової війни для виробництва альтернативного палива. Компанія Сесол (Sasol, Південно-Африканська Республіка) й дотепер працює з установками для газифікації вугілля та синтезу Фішера–Тропша.

У СРСР підйом вуглехімії почався на початку 1930-х з ініціативи академіка І. Губкіна; 1934 організована перша профільна наукова установа — Інститут горючих копалин АН СРСР (м. Москва).

Розвиток вуглехімії в Україні

Історія вуглехімії в Україні започаткована 1880 роботами з розробки методів аналізу і класифікації вугілля професора Харківського університету (тепер Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна) А. Д. Чирикова. (1849—1912). Подальший прогрес пов’язаний з діяльністю великих наукових шкіл, що працюють у напрямках вивчення складу і технічних характеристик ТГК (С. Г. Аронов, Л. Л. Нестеренко), розробки методів конверсії вугілля у кокс (М. Г. Скляр), сульфоване вугілля (Ю. Б. Тютюнников), гумінові кислоти (Л. А. Христєва), вуглецеві адсорбенти (К. В. Махорін, В. В. Стрєлко, М. Т. Картель), дослідження структури і надмолекулярної організації ТГК (С. Г. Баранов, В. І. Саранчук, Р. О. Кочканян). Розвинено теорію радикально-ланцюгового окиснювання ТГК (Р. В. Кучер, Л. Ф. Бутузова, Т. Г. Шендрік). Вивчено кінетику і каталіз оксидеструктивних реакцій ТГК (Є. С. Рудаков, В. О. Кучеренко, М. В. Савоськін) і процесів гідрогенізації вугілля (О. М. Осипов). Провідною установою в галузі вуглехімії в Україні є Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України.

Предмет вуглехімії

Предмет вуглехімії складають три розділи.


До першого розділу належать:

а) кількісне визначення елементного складу різних видів ТГК, фізичних властивостей і технічних характеристик ТГК;

б) ідентифікація і визначення індивідуальних хімічних сполук, що містяться у вугільному каркасі (СН4, ефіри жирних кислот);

в) ідентифікація окремих фаз мінералів (піриту, кварцу, каолініту і ін.).

Фундаментальна задача опису фізичних характеристик ТГК (міцність, щільність та густина, теплоємність, електропровідність, магнітна сприйнятливість та ін.) ініціювала адаптацію відомих методів їх вимірювання у вуглехімії і привела до виявлення основних залежностей фізичних властивостей від генезису і ступеня метаморфізму. У вуглехімії використовують вузькоспеціальні технічні характеристики, властиві тільки ТГК (вихід летких речовин, спікливість, товщина пластичного шару, вихід гумінових кислот тощо), необхідні для конкретних технологічних процесів переробки вугілля (насамперед — спалювання і коксування) і які є параметрами існуючих промислових класифікацій ТГК. Основні методи: спектроскопія у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній областях, ядерний та електронний магнітний резонанси, фотоелектронна спектроскопія, дифракція рентгенівських променів.


Другий розділ вуглехімії — дослідження молекулярної структури і надмолекулярної організації ТГК.

Молекулярна структура — хімічна будова середньостатистичної структурної одиниці (англ. structural unit) вугільної органічної речовини, типи ковалентних та йонних зв'язків між одиницями (у тому числі за участю йонів металів), типи і число функціональних груп — аналогів груп індивідуальних О-, N-, S-вмісних органічних сполук.

Надмолекулярна організація ТГК — принципи впорядкування структурних одиниць у макромолекулярні просторові ансамблі (агрегати, кластери, кристаліти), зв'язані міжмолекулярними нековалентними зв'язками (йонними, водневими, електроно-донорно-акцепторними, ван-дер-ваальсовими й ін.) в єдиний тривимірний вугільний каркас. Вивчення структури ТГК передбачає руйнування у процесі хімічних реакцій тривимірного вугільного каркаса (за найбільш м'яких умов) до більш низькомолекулярних продуктів.

Реакції, що застосовуються у вуглехімії, мають впливати на:

а) міжкластерні і міжмолекулярні водневі зв'язки — шляхом обробки органічними основами (піридин, аміни), газами (СО2, СН4) під тиском (до 10 МПа), екстракцією полярними розчинниками при кімнатній температурі;

б) йонні зв'язки — обробкою ТГК кислотами і основами Бренстеда;

в) електроно-донорно-акцепторні зв'язки — впливом донорів електронів (К у тетрагідрофурані, Na у рідкому аміаку) або електроноакцепторів (J2, Br2, FeCl3, MoCl5, тетраціанетилен, тетрахлорхінон та ін.);

г) певні типи ковалентних зв'язків і функціональних груп: ефірні (гетероліз у лужних середовищах), кислотні (йонний обмін, ацетилування), карбонільні (утворення гідразонів, відновлення B2H6, NaBH4 або LiAl4).


Третій розділ вуглехімії — теорія реакцій, які лежать в основі процесів переробки ТГК, що включають окиснювання, термоліз, гідрогенізацію й ін. Найбільш вивчена взаємодія ТГК з киснем. Реалізоване при високих температурах (800–1500 °С) окиснювання — основа процесу спалювання вугілля з метою одержання енергії. Середньотемпературне окиснювання (200–800 °С) вивчається в зв’язку з газифікацією, окиснювальною модифікацією і стабільністю вуглецевих матеріалів при нагріванні. Низькотемпературне окиснювання (≤ 200 °С) — у зв’язку з проблемами самозаймання вугілля в копальнях і місцях збереження. Особливу увагу надають каталізові горіння і інгібуванню самозаймання. Окрему група оксидеструктивних реакцій (обробка HNO3, HNO3-H2SO4, O2-NaOH під тиском) досліджують з метою конверсії ТГК в суміші бензолполікарбонових або аліфатичних кислот з наступним виділенням індивідуальних сполук.

Перспективи розвитку

Вуглехімія є самостійним розділом хімії, який стабільно розвивається. Вона лежить в основі: оцінки ТГК як хіміко-технологічної сировини; удосконалення існуючих і розробки нових процесів конверсії ТГК; створення структурних і кінетичних моделей, що описують поведінку вугілля в різних реакціях; визначення екологічного впливу процесів і продуктів переробки ТГК.

Пріоритет розвитку вуглехімії 21 ст. — комплексне екологічно збалансоване використання вуглеводневої сировини.

Основні напрямки досліджень:

  • Хімія ТГК та теоретичні основи процесу термічної деструкції ТГК (закономірності піролізу, ТГК в ізотермічних та неізотермічних умовах, основні етапи термічної деструкції, основи масо- та теплопередачі, механізм і кінетика процесу термічної деструкції, методи дослідження процесу).
  • Теоретичні основи процесу газифікації палив і конверсії вуглеводневих газів (механізм і кінетика реакцій вуглецю з газами, хімічна адсорбція, дифузійно-кінетичні теорії процесів горіння та газифікації твердих палив).
  • Технологія термохімічної деструкції ТГК без доступу повітря (особливості технологій переробки різних ТГК, енерготехнологічні методи використання палив, непаливне використання ТГК, закономірності основних процесів піролізу, хімічні продукти напівкоксування і коксування вугілля, їх уловлювання та переробка).
  • Деструктивна гідрогенізація палив і синтез вуглеводнів з водню та оксиду вуглецю (хімічні основи процесу й оцінка придатності ТГК для гідрогенізації, каталізатори і технологічні параметри, вихід і характеристика продуктів гідрогенізації, фізико-хімічні основи процесу синтезу з CO і H2).
  • Інші методи переробки ТГК (екстракція органічними розчинниками, окиснювання).
  • Технологія вуглеграфітових матеріалів (властивості матеріалів на основі вуглецю, сировина та технологічні основи технології вуглеграфітових матеріалів).
  • Охорона навколишнього середовища в процесах переробки ТГК (основні джерела забруднення атмосфери, ґрунту і води, перехід до безвідходних технологій).

Додатково

Перший висновок про хімічну будову вугілля зробив Д. Менделєєв (1870): «…вугілля повинне бути Сn, де n — велике».

Література

  1. Аронов С. Г., Скляр М. Г., Тютюнников Ю. Б. Комплексная химико-технологическая переработка углей. Київ, 1968.
  2. Кучер Р. В., Компанец В. А., Бутузова Л. Ф. Структура ископаемых углей и их способность к окислению. Київ, 1980.
  3. Coal Science. Martin L. Gorbaty, John W. Larsen, Irving Wender, Robert M. Davidson. Academic Press, Volume 1-3. 1982-1984. DOI URL: https://doi.org/10.1016/C2013-0-10452-7
  4. Саранчук В. И., Айруни А. Т., Ковалев К. Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства углей. Київ, 1988.
  5. Саранчук В. И., Бутузова Л. Ф., Минкова В. Н. Термохимическая деструкция углей. Киев : Наукова думка, 1993. 222 с.
  6. Coal Science and Technology (series). Coal Science, Volume 24. / Authors: J.A. Pajares Juan Tascón. Imprint: Elsevier Science. Published Date: 29th August 1995. Page Count: 816.
  7. Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В., Білецький В. С. Основи хімії і фізики горючих копалин. Донецьк : Східний видавничий дім, 2008. 640 с.

Автор ВУЕ

В. С. Білецький


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Білецький В. С. Вуглехімія // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Вуглехімія (дата звернення: 2.07.2020).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
22.06.2020

Покликання на статтю

Опитування читачів ВУЕОпитування читачів ВУЕ