Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/ Збірка доповідей VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2009. - 225 с.
Кам’яновугільний пік – найбільший за виходом продукт переробки кам’яновугільної смоли. Його вихід перевищує 55 % від маси смоли, що переробляється. Кам’яновугільним піком є залишок, отриманий при ректифікації смоли. Він представляє собою продукт чорного кольору, однорідний за зовнішнім виглядом і складається, в основному, з висококиплячих багатокільчастих ароматичних та гетероциклічних сполук.
Останнім часом спостерігаються нерегульовані коливання складу та властивостей кам’яновугільних піків, в основному, через зміни властивостей кам’яновугільних смол. Останнє пов’язане зі зміною марочного складу вугільної шихти та інтенсифікацією процесу коксування. Ця обставина суттєво вплинула на попит кам’яновугільного піку для виготовлення електродів та електродної продукції в бік його зниження. Внаслідок цього актуальним стає пошук нових шляхів використання кам’яновугільного піку, для чого необхідним є проведення досліджень з направленої зміни його властивостей.
Через складність хімічного складу пік прийнято характеризувати груповим складом, який визначається методом послідовної екстракції розчинниками (бензин, толуол, хінолін), за допомогою яких виділяють наступні фракції: α1 – нерозчинну в хіноліні, α2 – нерозчинну в толуолі та розчинну в хіноліні, β – розчинну в толуолі та нерозчинну в бензині і γ – розчинну в бензині.
γ-фракція характеризує умови рідкорухливості всієї системи та може визначати просочувальні властивості піку; β-фракція як полімер визначає зв’язувальні властивості піку; α2-фракція визначає графітизуючі властивості завдяки наявності твердих та рідких кристалів як центрів зародження сферолітів; α1-фракція не реакційноздатна і вміщує сажеві утворення та домішки пилу, вугілля й коксу.
Виходячи з вищевказаного кам’яновугільний пік можна розглядати як дисперсну гетерогенну систему, в якій роль автопластифікатору виконує γ-фракція, а автонаповнювача α1-фракція.
Для проведення експериментів брали кам’яновугільний пік з наступним груповим складом: α-фракція 34,9 %, β-фракція 43,3 %, γ-фракція 21,8 %.
Для направленого формування структури піку використовували різні хімічно активні добавки – модифікатори. Для дослідження впливу на груповий склад піку хімічних добавок використовували полімери вінілхлориду – полівінілхлорид (ПВХ), перхлорвінілові смоли (ПХВ), дібутилфталат (ДБФ), антраценову фракцію, а також їх комбінації у різних пропорціях.
Методика обробки кам’яновугільного піку була наступна: до тонкоподрібненого в ступці піку додавали задану хімічну добавку в необхідній кількості, суміш ретельно перемішували та переносили до електрообігрівального реактора з механічною мішалкою, після розплавлення піку вмикали мішалку та витримували розплавлену масу в реакторі на протязі 1 години за температури 120 0С.
Результати досліджень наведені в таблиці.
Таблиця – Вплив різних хімічних добавок на груповий склад кам’яновугільного піку.
| № досл. | Хімічні добавки, % | Зміна групового складу, % | Втрата маси у вигляді летучих речовин, % | ||||
| Δα | Δβ | Δγ | Δ(α+β) | ||||
| 0 | - | - | -2,1 | -7,3 | -1,2 | -9,4 | 10,6 |
| 1 | - | Антр, 5 | -1,4 | 1,0 | -7,4 | -0,4 | 7,8 |
| 2 | - | Антр, 10 | 0 | 4,1 | -12,9 | 4,1 | 8,7 |
| 3 | ПВХ, 1 | Антр, 10 | 0,55 | 5,4 | -12,9 | 5,95 | 7,0 |
| 4 | ПВХ, 2 | Антр, 10 | 0,6 | 6,0 | -14,1 | 6,6 | 7,5 |
| 5 | ПВХ, 10 | Антр, 10 | 0,3 | 10,7 | -16,3 | 11,0 | 5,3 |
| 6 | ПВХ, 10 | ДБФ, 10 | -3,0 | -13,0 | 8,0 | -16,0 | 8,2 |
| 7 | ПВХ, 10 | - | 5,45 | -7,8 | -3,8 | -2,35 | 6,2 |
| 8 | ПХВ, 10 | - | 11,45 | -15 | 1,3 | -3,55 | 2,0 |
| 9 | ПХВ, 10 | ДБФ, 10 | 8,75 | -15,1 | 1,7 | -6,35 | 4,7 |
Аналіз отриманих даних показав, що при нагріванні кам’яновугільного піку на протязі 1 години при температурі 120 0С без хімічних добавок (досл.0) відбувається розкладення всіх фракцій, причому в більшому ступені розкладається β-фракція, яка характеризує полімерні властивості піку. Високий також показник втрати маси, який складає 10,6 %.
При додаванні 5 % антраценової фракції (досл.1) деструкція α-фракції уповільнюється, зростає вміст β-фракції і різко посилюється розкладення γ-фракції, втрата маси у вигляді летучих знижується. Така ж тенденція проглядається і при додаванні 10 % антраценової фракції (досл.2), причому спостерігається більш істотне накопичення β-фракції.
У присутності ПВХ при вмісті в суміші 10 % антраценової фракції інтенсифікуються реакції поліконденсації, зростає вміст β-фракції у результаті інтенсивного розкладення γ-фракції (досл.3-5). З підвищенням вмісту ПВХ до 10 % у суміші кам’яновугільного піку та 10 % антраценової фракції у 2,7 разів збільшується кількість додатково утворюваних α- і β-фракцій та в 1,6 разів зменшується виділення летучих речовин. Заміна 10 % антраценового масла 10 відсотками дібутилфталату навпаки руйнує компоненти α- і β-фракцій і накопичує γ-фракцію (досл.6). При цьому зменшується втрата маси в порівнянні із сумішшю з антраценовою фракцією (досл.5).
ПХВ є більш активною хімічною добавкою в порівнянні з ПВХ. ПХВ посилює процеси поліконденсації, які приводять до збільшення в 2,1 рази вмісту α-фракції за рахунок інтенсифікації в 1,9 разів процесу розкладення β-фракції і знижує в 3 рази кількість летучих речовин, що виділяються (досл.8). На відміну від дослідів з ПВХ і антраценовою фракцією при введенні ПХВ не відбувається розкладення γ-фракції и спостерігається її незначне зростання. Такі закономірності зберігаються також у присутності ДБФ 10 % (досл.9).
Таким чином, перхлорвініл інтенсифікує процеси розкладення β-фракції і сприяє високому приросту α-фракції. Дібутилфталат оказує високу пластифікуючу дію на кам’яновугільний пік, викликаючи інтенсивне зростання γ-фракції за рахунок α- і β-фракцій, які розкладаються. При використанні ПВХ-модифікатору в комбінації з антраценовою фракцією можна отримати кам’яновугільний пік із заданими полімерними властивостями, про що свідчить інтенсивне зростання β-фракції за рахунок високого ступеня розкладення γ-фракції.