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.