Исследование влияния группового состава и молекулярного строения фракций, выделенных из продуктов термосольволиза угля, на морфологическую структуру коксов

В процессе термического растворения каменного угля Чаданского месторождения (Тува, Россия) в смоле коксования и бинарной смеси смолы коксования и тяжелого газойля каталитического крекинга получены продукты сольволиза, из которых методом сольвентного фракционирования с применением ряда растворителей выделены растворимые фракции. Установлено, что по растворяющей способности ряд растворителей можно расположить следующим образом: толуол<тетрагидрофуран<пиридин в соответствии с параметрами растворимости (дипольный момент). Групповой состав растворимых фракций представлен гексан-растворимыми и гексан-нерастворимыми веществами. В тетрагидрофуран-растворимых и пиридин-растворимых фракциях содержатся вещества, нерастворимые в толуоле, но растворимые в хинолине, наибольшее их содержание установлено для пиридин-растворимых фракций. По данным элементного анализа в растворимых фракциях отмечено антибатное изменение концентрации углерода и водорода по сравнению с исходными веществами. Методом инфракрасной спектроскопии определено, что продукты термосольволиза и выделенные из них фракции имеют достаточно высокую ароматичность по углероду и водороду, для выделенных фракций наблюдается заметное увеличение доли концевых СН₃ групп и орто-замещенных ароматических колец. Выполнена карбонизация фракций при температуре 1100 °С. Исследование морфологической структуры карбонизатов посредством оптического микроскопа показало, что из толуол-растворимых и тетрагидрофуран-растворимых фракций формируется кокс с крупноигольчатой микротекстурой с некоторым включением крупноволокнистой, пиридин-растворимые фракции образуют коксы с мелковолокнистой микротекстурой и присутствием фрагментов мозаики.

1. Rahman M., Pudasainee D., Gupta R. Review on chemical upgrading of coal: Production processes, potential applications and recent developments // Fuel Processing Technology. 2017. Vol. 158. Р. 35–56. DOI: 10.1016/j.fuproc.2016.12.010. EDN: YXPVZV.

2. Kuznetsov P.N., Kuznetsova L.I., Buryukin F.A., Marakushina E.N., Frizorger V.K. Methods for the preparation of coal-tar pitch // Solid Fuel Chemistry. 2015. Vol. 49 no. 4. P. 213–225. DOI: 10.3103/S0361521915040059. EDN: UFIUHT.

3. Wei X.-Y., Zong Z.-M., Fan X., Li Z.-K. Coal-based products and their uses // Coal production and processing technology. Chapter 17 / ed. M.R. Riazi, R. Gupta. Boca Raton: CRC Press, 2015. P. 383–412. DOI:10.1201/b19352-24.

4. Zhang Z., Chen K., Liu D., Lou B., Li M., Guo S., Yu R., Wu B., Gong X., Li G. Comparative study of the carbonization process and structural evolution during needle coke preparation from petroleum and coal feedstock // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021. Vol. 156. P. 105097. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105097. EDN: NOGTIO.

5. 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 Letters. 2021. Vol. 31. no. 1. P. 57–65. DOI: 10.1007/s42823-020-00149-7. EDN: EOIGVI.

6. Wei F., He X., Zhang H., Liu Z., Xiao N., Qiu J. Crumpled carbon nanonets derived from anthracene oil for high energy density supercapacitor // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 428. P. 8–12. DOI:10.1016/j.jpowsour.2019.04.096.

7. 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 lithium-ion batteries // Ionics. 2021. Vol. 27. no. 12. P. 5079–5087. DOI:10.1007/s11581-021-04278-5. EDN: FBUGQD.

8. Kozlov A.P., Subbotin S.P., Solodov V.S., Cherkasova T.G., Frolov S.V. Innovative coal-tar products at PAO Koks // Coke and Chemistry. 2020. Vol. 63. no. 7. P. 344–350. DOI: 10.3103/S1068364X20070054. EDN: RCEJRX.

9. Бейлина Н.Ю., Добрякова Н.Н., Озеренко А.А., Антонюк С.Н., Никишин Д.В. Влияние условий переработки углеводородного сырья на структуру и свойства электродного кокса и графита на его основе // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2025. Т. 68. N. 6. С. 106–116. DOI: 10.6060/ivkkt.20256806.7191. EDN: OCPKJN.

10. Okuyama N., Komatsu N., Shigehisa T., Kaneko T., Tsuruya S. Hyper-coal process to produce the ash-free coal // Fuel Processing Technology. 2004. Vol. 85. no. 8. Р. 947–967. DOI:10.1016/j.fuproc.2003.10.019.

11. Hamaguchi M., Okuyama N., Shishido T., Sakai K., Komatsu N., Kikuchi N., Inoue T., Koide J., Kasahara H. Prebaked anode from coal extract (3) – Carbonization properties of hypercoal and its blends with binder pitch // Light Metals 2012 / ed. C.E. Suarez. Springer Cham, 2016. P. 1219–1221. DOI:10.1007/978-3-319-48179-1_210.

12. Shimanoe H., Mashio T., Nakabayashi K., Inoue T., Hamaguchi M., Miyawaki J., Mochida I., Yoon S.-H. Manufacturing spinnable mesophase pitch using direct coal extracted fraction and its derived mesophase pitch based carbon fiber // Carbon. 2020. Vol. 158. P. 922–929. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.11.082. EDN: RBOZIQ.

13. Yang J., Nakabayashi K., Miyawaki J., Yoon S.-H. Preparation of pitch based carbon fibers using Hyper-coal as a raw material // Carbon. 2016. Vol. 106. P. 28–36. DOI:10.1016/j.carbon.2016.05.019.

14. Andrews R.J., Rantell T., Jacques D., Hower J.C., Gardner J.S., Amick M. Mild coal extraction for the production of anode coke from Blue Gem coal // Fuel. 2010. Vol. 89. no. 9. P. 2640–2647. DOI: 10.1016/j.fuel.2010.04.027. EDN: MZJZIF.

15. Craddock J.D., Rantell T.D., Hower J.C., Whitlow T., Wiseman J., Weisenberger M.C. Anode coke from coal? A low cost approach // Fuel. 2017. Vol. 187. P. 229–241. DOI:10.1016/j.fuel.2016.09.045.

16. Zhang Y., Liu X., Tian M., Zhu Y., Hu C., Zhao X. Generation and characterization of coal-based needle coke produced by the co-carbonization of coal liquefaction pitch and anthracene oil // RSC Advances. 2022. Vol. 12. no. 40. P. 25860–25871. DOI: 10.1039/d2ra03602a. EDN: JSHFMF.

17. Kuznetsov P. N., Kamenskiy E. S., Kuznetsova L. I. Solvolysis of bituminous coal in coal- and petroleum-derived commercial solvents // ACS Omega. 2020. Vol. 5. no. 24. P. 14384–14393. DOI: 10.1021/acsomega.0c00915. EDN: UHSCTB.

18. Kuznetsov P.N, Kamenskiy E.S, Kuznetsova L.I. Comparative study of the properties of the coal extractive and commercial pitches // Energy and Fuels. 2017. Vol. 31. no. 5. P. 5402–5410. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b00158. EDN: PRIWAH.

19. 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 Chemistry. 2021. Vol. 55. no. 2. P. 69–77. DOI: 10.3103/S0361521921020038. EDN: NYYGJO.

20. Kuznetsov P.N., Ismagilov Z.R., Kuznetsova L.I., Avid В., Fan X., Mihkailova E.S. The composition and properties of soluble products from the coal thermosolvolysis with hydrocarbon residues and blends as solvents // Eurasian Chemico-Technological Journal. 2022. Vol. 24. no. 3. P. 183–190. DOI: 10.18321/ectj1431. EDN: APOBPP.

21. Kuznetsov P.N., Avid B., Kuznetsova L.I., Fan X., Xu J.-F., Kamenskiy E., Lyrschikov S. Comprehensive characterization of the molecular structure and properties of pitch-like products from coal dissolution at mild temperature using heavy solvents of coal and petroleum origin // Materials. 2025. Vol. 18. no. 7. P. 1660. DOI: 10.3390/ma18071660. EDN: DJRHAR.

22. Guillén M.D., Blanco J., Canga J.S., Blanco C.G. Study of the effectiveness of 27 organic solvents in the extraction of coal tar pitches // Energy and Fuels. 1991. Vol. 5. no. 1. P. 188–192. DOI: 10.1021/ef00025a032.

23. Abboud J.-L.M., Notari R. Critical compilation of scales of solvent parameters. Part I. Pure, non-hydrogen bond donor solvents // Pure and Applied Chemistry. 1999. Vol. 71. no. 4. P. 645–718. DOI:10.1351/pac199971040645.

24. Peng P., Morales-Izquierdo A., Hogg А., Strausz O.P. Molecular structure of athabasca asphaltene: sulfide, ether, and ester linkages // Energy and Fuels. 1997. Vol. 11. no. 6. P. 1171–1187. DOI: 10.1021/ef970027c.

25. Sergun V.P., Cheshkova T.V., Sagachenko T.A., Min R.S. Structural units with sulfur and ether/ester bonds in molecules of high- and low-molecular-weight asphaltenes of USA heavy oil // Petroleum Chemistry. 2016. Vol. 56. I. 1. P. 10–15. DOI: 10.1134/S0965544115060109. EDN: WPOYIB.