Введение к работе
Актуальность темы: Глубокая переработка всех видов природного органического сырья - одна из основных проблем, от решения которой зависит научно-технический прогресс на ближайшее будущее. При разработке новых технологий необходимо обеспечивать высокую .эффективность, низкие энергозатраты, экологическую безопасность и безотходность. В связи с этим возникает проблема наиболее полного и рационального использования органического вещества угля (ОВУ)1 и ТНО для производства химической продукции топливного и целевого назначения с высокими потребительскими свойствами. Прогресс в ее решении требует глубоких теоретических исследований состава и строения исходного сырья, установления механизмов его превращения под воздействием различных физико-химических факторов (температуры, давления, механических воздействий, катализаторов и химических реагентов). Что касается механических воздействий, то они могут использоваться в технологических процессах как метод диспергирования сырья, так и способ его активации. В связи с этим детальное исследование процессов механоактивации ОВУ и ТНО, направленное на повышение эффективности известных и создание новых технологий и материалов, является весьма актуальным. Оно соответствует перечню критических технологий РФ по созданию новых и возобновляемых источников энергии, производству топлив и энергии из органического сырья, переработке и утилизации техногенных образований и отходов и ряду других.
Отсутствие единых представлений о механизме явлений, протекающих при диспергировании ОВУ и ТНО в различных условиях, обуславливает необходимость проведения фундаментальных исследований основных закономерностей их химических превращений при механических воздействиях различных энергий и в присутствии различных реагентов. Важным фактором характера механохимических превращений преобразуемых органических материалов является среда, в которой проводится механоактивация, в том числе и воздушная.
Цель работы: Изучение механизмов и направленности механохимических превращений ОВУ и ТНО при диспергировании в различных условиях и получении гуминовых веществ, жидких продуктов экстракции, термического и суперкритического ожижения, гидрогенизации.
Здесь н далее используются следующие сокращения:
ГВ - гуминовые вещества; ТО - термическое ожижение;
ДФС - дескрипторы фрагментного состава; ТНО - тяжелые нефтяные остатки;
м/а - механоактивация; механоактивированный; ФА - физиологическая активность;
ОВУ - органическое вещество углей; ЭПР - электронный парамагнитный резонанс;
СКО - суперкритическое ожижение; ЯМР - ядерный магнитный резонанс.
Основные задачи исследования;
Оптимизация условий диспергирования углей, приводящая к наиболее эффективной активации и изменению их физико-химических свойств;
Изучение химической активности механообработанных углей в восстановительной и окислительной среде;
Установление кинетических параметров окисления углей в процессе механоакгивации в воздушной атмосфере;
Исследование влияния среды на характер механохимических превращений ОВУ, выход и состав экстрактов;
Изучение влияния окислительной механодеструкции углей на состав и физиологическую активность выделяемых гуминовых веществ;
Изучение механизмов механохимических превращений ОВУ в восстановительной среде, их влияние на качественный и количественный состав получаемых жидких продуктов экстракции, термического и СКО, гидрогенизации;
Оценка эффективности совмещения процессов механоактивации и ожижения углей при гидрогенизации, термическом и СКО, изучение роли растворителей -доноров водорода в этом процессе.
Научная новизна:
Охарактеризована эффективность механоактивации углей различной природы в широком наборе диспергирующих аппаратов путем анализа качественного и количественного состава получаемых жидких продуктов;
Получены кинетические параметры окисления углей в процессе механоакгивации в присутствии молекулярного кислорода;
Оптимизированы условия окислительной механодеструкции ОВУ, позволяющие расширить сырьевую базу и получать ГВ с максимальным выходом;
Предложен показатель для сравнительной оценки механоактивации ОВУ в различных диспергирующих аппаратах и условиях процесса;
Осуществлена механоактивация ОВУ и ТНО в восстановительной среде в условиях процессов термического ожижения и гидрогенизации;
Установлен синергизм влияния растворителей на выход экстрактов и степень конверсии при последующем ожижении механоактивированных углей.
Практическая значимость исследования: Механоактивация углей в среде растворителей позволяет получать устойчивые суспензии, транспортируемые по трубопроводам для использования в качестве топлив или сырья для последующего ожижения. Модифицируя состав и строение ОВУ и повышая его реакционную способность, механоактивация углей в восстановительных средах в присутствии донорно-водородных растворителей повышает выход растворимых продуктов при
последующей переработке. Разработаны рекомендации для механоактивации ОВУ и ТНО при повышенных температуре и давлении. Восстановительная механодеструкция ТНО предложена как способ увеличения выхода легких фракций. Безреагентная механоактивация ОВУ в окислительной среде значительно повышает содержание в них гуминовых веществ с большей физиологической активностью. Окислительная биодеструкция смесей углеводородов рекомендована для биоремедиации нефтезагрязненных субстратов (почв).
Практическая значимость работы подтверждена 1 патентом на изобретение и 4 авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся:
Основы активации ОВУ при механообработке в различных диспергирующих устройствах;
Особенности процессов окисления различных углей при механоактивации;
Закономерности вариаций глубины превращений ОВУ и состава продуктов его переработки (экстрактов, гидрогенизатов, продуктов термического и СКО) при механоактивации в восстановительной среде;
Критерии механоактивации ОВУ в окислительной и восстановительной среде;
Специфика окислительной механодеструкции угольных асфальтенов;
Оптимизация процесса восстановительной механодеструкции ТНО;
Использование окислительной биодеструкции для биоремедиации нефтезагрязненных объектов.
Личный вклад автора: Все экспериментальные результаты получены лично автором или под его руководством. Их обобщение и обсуждение, расчет кинетических параметров уравнений и т.п. также проведено лично автором.
Публикации и апробация работы: По теме диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе 1 патент на изобретение, 4 авторских свидетельства, 24 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 10 статей в сборниках, тезисы и материалы конференций различного уровня, на которых были доложены основные результаты.
Структура и объем работы: Диссертационная работа изложена на 315 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержит 45 таблиц, 36 рисунков и схем. Библиография насчитывает более 400 наименований.
