ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНОЙ СТРУКТУРЫ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО СОЛЬВОЛИЗА УГЛЯ МЕТОДОМ КР-СПЕКТРОСКОПИИ
Аннотация
Данная работа посвящена исследованию методом спектроскопии комбинационного рассеяния особенностей структурной организации молекулярных фрагментов в продуктах термического сольволиза каменного угля в углеводородных растворителях. Образцы получали в процессе растворения каменного угля марки ГЖР в среде высококипящих фракций углеводородных остатков переработки угля и нефти при умеренной температуре 380 °С, без применения водорода и катализаторов. Серия растворителей включала каменноугольную смолу высокотемпературного коксования каменного угля, антраценовую фракцию смолы коксования, тяжелый газойль каталитического крекинга нефтяного сырья и смесь смолы коксования с тяжелым газойлем каталитического крекинга. Из продуктов термического растворения путем вакуумной отгонки дистиллятных фракций получали пековые образцы. Макромолекулярную углеродную структуру продуктов термического растворения и пековых образцов характеризовали методом КР-спектроскопии. Выполнен расчет и анализ основных числовых характеристик структуры полученных продуктов: степени графитизации, меры разупорядоченности образцов, размера кристаллитов в базисной плоскости атомов углерода. Установлено, что полученные образцы представляют собой сложную углеродную матрицу с входящими в ее состав графитоподобными фрагментами. Продукты, полученные в среде растворителей угольного происхождения, характеризуются повышенной долей упорядоченных графитовых структур по сравнению с продуктами, полученными в нефтяном растворителе. Для пековых продуктов наблюдалось увеличение степени графитизации по сравнению с продуктами термического растворения, при этом показатель, характеризующий меру разупорядоченности, уменьшался, что свидетельствовало о формировании более упорядоченных графитовых структур в пековых продуктах. Установлена корреляция между показателями упорядоченности углеродных фрагментов по данным КР-спектроскопии и характеристиками молекулярного строения продуктов, полученных методом ИК-спектроскопии. Продукты, характеризующиеся большей ароматичностью и меньшей степенью замещенности ароматических колец по данным ИКС, показывают более высокую степень графитизации и меньшую меру разупорядоченности по данным КР-спектроскопии.
Для цитирования:
Обухова А.В., Кузнецова Л.И., Каменский Е.С., Сафин В.А., Косицына С.С., Крылов А.С. Исследование углеродной структуры продуктов термического сольволиза угля методом КР-спектроскопии. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 11. С. 137-145. DOI: 10.6060/ivkkt.20256811.7219.
Литература
Wei X.-Y., Zong Z.-M., Fan X., Li Z.-K. Coal production and processing technology. Chap. 17: Coal-Based Products and Their Uses. Boca Raton: CRC Press. 2015. P. 383-412. DOI: 10.1201/b19352-24.
Zhang Z., Chen K., Liu D., Lou B., Li M., Guo S., Yu R., Wu B., Gong X., Li G. Comparative study of the car-bonization process and structural evolution during needle coke preparation from petroleum and coal feedstock. J. Analyt. Appl. Pyrol. 2021. V. 156. P. 105097. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105097.
Cheng J., Lu Z., Zhao X., Chen X., Zhu Y., Chu H. Electrochemical performance of porous carbons derived from needle coke with different textures for supercapacitor electrode materials. Carbon Lett. 2021. V. 31. P. 57-65. DOI: 10.1007/s42823-020-00149-7.
Wei F., He X.J., Zhang H.F., Liu Z.D., Xiao N., Qiu J.S. Crumpled carbon nanonets derived from anthracene oil for high energy density supercapacitor. J. Power Sources. 2019. V. 428. P. 8-12. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.04.096.
Chen G., Jin Y., Zhang Z., Zhao W., Su W., Qing T., Chen J., Li Y. A green phenolic resin/needle coke scrap-based carbon/carbon composite as anode material for lith-iumion batteries. Ionics (Kiel). 2021. V. 27. P. 5079-5087. DOI: 10.1007/s11581-021-04278-5.
Beilina N.Y., Dobryakova N.N., Ozerenko A.A., Antonyuk S.N., Nikishin D.V. Influence of hydrocarbon processing conditions on the structure and properties of electrode coke and graphite based on it. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 6. P. 106-116 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20256806.7191.
Trukhinov D.K., Lebedeva E.A., Ivanova E.V., Istomina T.S., Astaf’eva S.A. Efficiency of carbon fiber extraction by low-temperature solvolysis. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 4. P. 59-66 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20256804.7162.
Kozlov A.P., Subbotin S.P., Solodov V.S., Cherkasova T.G. Innovative coaltar products at PAO Koks. Coke Chem. 2020. V. 7. P. 344-350. DOI: 10.3103/S1068364X20070054.
Kuznetsov P.N., Ismagilov Z.R., Kuzmin V.I. Development of Methods for Obtaining Aromatic Feedstock for the Production of Carbon Materials for Various Purposes. Chem. Sustain. Develop. 2022. V. 3. P. 292-300. DOI: 10.15372/CSD2022385.
Sawarkar A.N., Pandit A.B., Samant S.D., Joshi J.B. Petroleum residue upgrading via delayed coking: a re-view. Canad. J. Chem. Eng. 2007. V. 85. N 1. P. 1-24. DOI: 10.1002/cjce.5450850101.
Chen P., Metz J.N., Mennito A.S., Merchant S., Smith S.E., Siskin M., Rucker S.P., Dankworth D.C., Kushnerick J.D., Yao N., Zhang Y. Petroleum pitch: exploring a 50-year structure puzzle with real-space molecular imaging. Carbon. 2020. V. 161. P. 456-465. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.01.062.
Gabdulkhakov R.R., Rudko V.A., Pyagay I.N. Methods for modifying needle coke raw materials by introducing additives of various origin (review). Fuel. 2022. V. 310. Pt. A. P. 122265. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122265.
Kuznetsov P.N, Kamenskiy E.S, Kuznetsova L.I. Comparative study of the properties of the coal extractive and commercial pitches. Energy Fuels. 2017. V. 31. P. 5402-5410. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b00158.
Kuznetsov P.N., Safin V.A., Avid B., Kuznetsova L.I., Purevsuren B., Ismagilov Z.R. Thermal dissolution of coals of the metamorphism series in the anthracene fraction of coking tar: an analysis of correlations with the chemical and technological properties of coals. Solid Fuel Chem. 2021. V. 55. P. 69-77. DOI: 10.3103/S0361521921020038.
Kuznetsov P.N., Ismagilov Z.R., Kuznetsova L.I., Avid В., Fan X., Mihkailova E.S. The composition and prop-erties of soluble products from the coal thermosolvolysis with hydrocarbon residues and blends as solvents. Eur. Chem.Technol. J. 2022. V. 24. P. 183-190. DOI: 10.18321/ectj1431.
Kuznetsov P.N., Avid B., Kuznetsova L.I., Obukhova A.V. Alternative anode binders for aluminum electrolysis. Tsvetnye Metally. 2023. V. 6. P. 39-45 (in Russian). DOI: 10.17580/tsm.2023.06.05.
Ismagilov Z.R., Nikitin A.P., Mikhaylova E.S. Molecular Structure of Needle Coke Carbon Framework: Raman Spectral Data. Coke Chem. 2021. V. 64. P. 322-326. DOI: 10.3103/S1068364X2107005X.
Ismagilov Z.R., Nikitin A.P., Gavrilyuk O.M. Structural features of the carbon framework in α-fractions of dif-ferent grades of coal-tar pitch obtained from coal tar. Chem. Sustain. Develop. 2023. V. 31. P. 267-271. DOI: 10.15372/CSD2023465.
Jun Xu, Qichen He, Zhe Xiong, Yun Yu, Shu Zhang, Xun Hu, Long Jiang, Sheng Su, Song Hu, Yi Wang, Jun Xiang. Raman Spectroscopy as a Versatile Tool for Investigating Thermochemical Processing of Coal, Biomass, and Wastes: Recent Advances and Future Perspectives. Energy Fuels. 2021. V. 35. P. 2870−2913. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.0c03298.
Kuznetsov P.N., Kamenskiy E.S., Kuznetsova L.I. Solvolysis of bituminous coal in coal- and petroleum-derived commercial solvents. ACS OMEGA. 2020. V. 5. P. 14384-14393. DOI: 10.1021/acsomega.0c00915.
Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Poschl U. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information. Carbon. 2005. V. 43. P. 1731-1742. DOI: 10.1016/j.carbon.2005.02.018.
Morga R., Jelonek I., Kruszewska K., Szulik W. Relationships between quality of coals, resulting cokes, and micro-Raman spectral characteristics of these cokes. Int. J. Coal Geol. 2015. V. 144-145. P. 130-137. DOI: 10.1016/j.coal.2015.04.006.
Manoj B. A comprehensive analysis of various structural parameters of Indian coals with the aid of advanced analytical tools. Int. J. Coal Sci. Technol. 2016. V. 3. I. 2. P. 123–132. DOI: 10.1007/s40789-016-0134-1.
Nikitin A.P., Dudnikova Y.N., Mikhaylova E.S., Ismagilov Z.R. Raman Characteristics of Kuznetsk Basin Coal and Coal-Based Sorbents. Coke Chem. 2019. V. 62. P. 379-384. DOI: 10.3103/S1068364X19090059.
Zhu Y., Zhao C., Xu Y., Hu C., Zhao X. Preparation and Characterization of Coal Pitch-Based Needle Coke (Part I): The Effects of Aromatic Index (fa) in Refined Coal Pitch. Energy Fuels. 2019. V. 33. P. 3456-3464. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b00160.
Matthews M.J., Pimenta M.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Endo M. Origin of dispersive effects of the Raman D band in carbon material. Phys. Rev. B. 1999. V. 59. N 10. P. R6585. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.R6585.
