ИК – СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ НА СОСТАВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ
Скопин К.Ю., Тамко В.А., Саранчук В.И.
В силу ограниченного количества коксующихся углей на коксохимических заводах Украины в настоящее время существует тенденция к увеличению в шихте для коксования доли слабоспекающихся и неспекающихся марок углей. Это в свою очередь оказывает влияние на качество кокса, а также состав газообразных и жидких продуктов коксования. Таким образом, появляется необходимость изучения влияния состава шиты состав каменноугольных смол с целью оценить экологический эффект использования более доступного сырья.
Основная задача исследования - изучить влияние состава шихты на состав образующейся каменноугольной смолы.
Для решения этой задачи были использованы смолы, полученные на коксохимических заводах Украины. В табл. 1 приведен состав шихт, из которых получены исследуемые смолы.
Таблица 1-Марочный состав угольных шихт, используемых для коксования на рассмотренных предприятиях.
| Коксохимический завод, цех, батареи, использующие данную шихту |
Марочный состав шихты, % | Г | ГЖ | Ж | К | КС+СС | СС | ОС |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| АКХЗ (1)улавливание №2; к.ц. 3, 4; батареи 7, 8, 9 | 16 | 21 | 22 | 25 | 6 | 6 | 4 |
| АКХЗ (2)улавливание №1, к.ц. 2; батареи 5,6 | 5 | 25 | 25 | 35 | - | 10 | - |
| ЯКХЗ бат. №5 | 32 | - | 28 | 40 | - | - | - |
| МКХЗ | 42 | - | 28 | 40 | - | - | - |
| ДКХЗ | 34 | - | 34 | 32 | - | - | - |
Как видно из табл. 1, наибольшее количество слабоспекающихся углей содержалось в шихте МКХЗ и АКХЗ (1) (улавливание №2).
В результате проведенных исследование был изучен фракционный и качественный состав каменноугольных смол. Фракционный состав смол изучали по следующей методике. Сначала из смолы удаляли основную массу воды, для этого смолу сушили при 75°С в течение 8-12 ч. После сушки в смоле оставалось 3-5% воды. Подсушенную смолу помещали в колбу для разгонки, а затем нагревали ее на глицериновой бане до температуры 200 °С. При этом из смолы отгонялась вода, легкая и фенольная фракции. Отделение легкой и фенольной фракции от воды производили путем отстаивания смеси в делительной воронке. Из остатка смолы с tкип200 °С отгоняли фракции выкипающие в температурном интервале 200-235; 235-300, 300-360 °С.
В табл. 2 приведен количественный выход фракций, отгоняемых из исследуемых смол в определенном температурном интервале.
Таблица.2 - Фракционный состав исследуемых смол
| Смола коксования, завод | Выход фракций, % | 90-200 °С | 200-235 °С | 235-300 °С | 300-360 °С | >360 °С |
|---|---|---|---|---|---|
| Смола Авдеевского КХЗ (1), улавливание №2 | 2.7 | 9.7 | 12.5 | 16.5 | 58.6 |
| Смола Авдеевского КХЗ (2), улавливание №1 | 2.4 | 7.0 | 13.0 | 17.0 | 60.6 |
| Смола Ясиновского КХЗ | 2.2 | 7.6 | 14.0 | 17.5 | 58.7 |
| Смола Донецкого КХЗ | 2.3 | 8.7 | 13.5 | 17.4 | 58.1 |
| Смола Макеевского КХЗ | 2.9 | 11.0 | 11.5 | 16.5 | 58.1 |
Выход легкой и фенольной фракции (90-200 °С) больше для смол, полученных из шихт которые содержат повышенное количество углей марок Г и ГЖ. Существенное отличие в выходе фракций из исследуемых смол наблюдается для нафталиновой фракции (200-235 °С). Наибольшее её количество отгоняется из смолы Макеевского КХЗ, полученной из шихты, содержащей наибольшее количество угля марки Г и наименьшее количество угля марки К. Однако из этой смолы отгоняется наименьшее количество поглотительной фракции (235-300 °С). Выход антраценовой фракции (300-360 °С) практически одинаков из всех исследуемых смол.
Качественный состав исследуемых смол (с tкип 200 °С) и полученных из их фракций изучали с помощью ИК - спектроскопии. ИК - спектры смол снимали на спектрометре Specord 751 в виде тонких капиллярных пленок, полученных раздавливанием исследуемой жидкости между двумя пластинами KBr.
Рис. 1 – ИК - спектры исследуемых смол 1.АКХЗ(2). 2. ДКХЗ. 3. ЯКХЗ. 4. МКХЗ. 5. АКХЗ(1)
На рис.1 приведены типичные ИК - спектры исследуемых смол, из которых отогнаны вода, легкая и фенольная фракции. Интерпретация ИК - спектров проведена с использованием корреляционных таблиц, составленных при изучении индивидуальных химических соединений. Для всех исследуемых смол характерна значительная ароматичность, которой соответствуют интенсивные полосы поглощения при 3040 см-1 (валентные колебания ароматической СН - связи), в области 1600 см-1 (валентные плоскостные колебания двойной связи С=С), а также при 1500 см-1 (характеристическая полоса бензольного кольца).
В спектрах исследуемых смол интенсивность полосы при 1500 см-1 ниже, чем интенсивность полосы поглощения при 1600 см-1. Это обусловлено увеличением доли сопряжения двойных С=С связей а также высокой степенью конденсированности ароматических систем.
Основное отличие между ИК - спектрами смол наблюдается в различной интенсивности полос поглощения. Это дает основания сравнивать спектры исследуемых смол по отношению оптической плотности полос поглощения при разных значениях длины волны. Для характеристики степени ароматичности исследуемых смол использован спектральный параметр
h, который определяется отношением оптических плотностей полос поглощения в области валентных колебаний связи С-Н: 3040 см-1 - для ароматического и 2920 см-1 – для алифатического водорода. Расчетные значения h приведены ниже
Приведенные данные показывают, что смолы, полученные из шихт с повышенным содержанием углей марок Г и ГЖ, имеют меньший показатель ароматичности. Повышенная интенсивность поглощения при 2939см-1 в спектрах этих смол указывает на присутствие в них большего количества алифатических или ациклических структур. Таким образом, можно сделать вывод, что использование слабоспекающихся марок углей приведёт к снижению загрязнения окружающей среды засчет уменьшения содержания ароматических соединений в каменноугольной смоле.