Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля
Экспериментально установлен физический эффект, заключающийся в том, что при прохождении слабого электрического тока и нагревании в диапазоне температур 300...320 К часть твердой фазы каменного угля превращается в газ. Анализ полученных результатов свидетельствует, что наиболее интенсивные переходы у...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48857 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля / Г. Г. Пивняк, В.В. Соболев, А.О. Филиппов // Доп. НАН України. — 2012. — № 1. — С. 89-94. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48857 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пивняк, Г.Г. Соболев, В.В. Филиппов, А.О. 2013-09-04T16:09:05Z 2013-09-04T16:09:05Z 2012 Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля / Г. Г. Пивняк, В.В. Соболев, А.О. Филиппов // Доп. НАН України. — 2012. — № 1. — С. 89-94. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48857 622.333:537.32 Экспериментально установлен физический эффект, заключающийся в том, что при прохождении слабого электрического тока и нагревании в диапазоне температур 300...320 К часть твердой фазы каменного угля превращается в газ. Анализ полученных результатов свидетельствует, что наиболее интенсивные переходы угля в газ обусловлены разрушением слабых связей углеводородных и углеродных цепочек. Експериментально встановлено фізичний ефект, який полягає у тому, що під час пропускання слабкого електричного струму і нагрівання у діапазоні температур 300...320 К частина твердої фази кам'яного вугілля перетворюється на газ. Аналіз одержаних результатів свідчить про те, що найбільш інтенсивні перетворення вугілля у газ обумовлені руйнуванням слабких зв'язків вуглеводневих та вуглецевих ланцюжків. The physical effect of the coal solid phase transformation into a gas at the passing of a weak electric current and the heating to 300...320 K is experimentally established. The analysis of the results testifies that the most intensive transitions of coal into a gas are caused by the destruction of the weak bonds of hydrocarbonic and carbon chains. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Енергетика Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля Електрохімічна активація наноструктурних компонентів кам'яного вугілля Electrochemical activation of the coal nanostructural components Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| spellingShingle |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля Пивняк, Г.Г. Соболев, В.В. Филиппов, А.О. Енергетика |
| title_short |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| title_full |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| title_fullStr |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| title_full_unstemmed |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| title_sort |
электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля |
| author |
Пивняк, Г.Г. Соболев, В.В. Филиппов, А.О. |
| author_facet |
Пивняк, Г.Г. Соболев, В.В. Филиппов, А.О. |
| topic |
Енергетика |
| topic_facet |
Енергетика |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Електрохімічна активація наноструктурних компонентів кам'яного вугілля Electrochemical activation of the coal nanostructural components |
| description |
Экспериментально установлен физический эффект, заключающийся в том, что при прохождении слабого электрического тока и нагревании в диапазоне температур 300...320 К часть твердой фазы каменного угля превращается в газ. Анализ полученных результатов свидетельствует, что наиболее интенсивные переходы угля в газ обусловлены разрушением слабых связей углеводородных и углеродных цепочек.
Експериментально встановлено фізичний ефект, який полягає у тому, що під час пропускання слабкого електричного струму і нагрівання у діапазоні температур 300...320 К частина твердої фази кам'яного вугілля перетворюється на газ. Аналіз одержаних результатів свідчить про те, що найбільш інтенсивні перетворення вугілля у газ обумовлені руйнуванням слабких зв'язків вуглеводневих та вуглецевих ланцюжків.
The physical effect of the coal solid phase transformation into a gas at the passing of a weak electric current and the heating to 300...320 K is experimentally established. The analysis of the results testifies that the most intensive transitions of coal into a gas are caused by the destruction of the weak bonds of hydrocarbonic and carbon chains.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48857 |
| citation_txt |
Электрохимическая активация наноструктурных компонентов каменного угля / Г. Г. Пивняк, В.В. Соболев, А.О. Филиппов // Доп. НАН України. — 2012. — № 1. — С. 89-94. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pivnâkgg élektrohimičeskaâaktivaciânanostrukturnyhkomponentovkamennogouglâ AT sobolevvv élektrohimičeskaâaktivaciânanostrukturnyhkomponentovkamennogouglâ AT filippovao élektrohimičeskaâaktivaciânanostrukturnyhkomponentovkamennogouglâ AT pivnâkgg elektrohímíčnaaktivacíânanostrukturnihkomponentívkamânogovugíllâ AT sobolevvv elektrohímíčnaaktivacíânanostrukturnihkomponentívkamânogovugíllâ AT filippovao elektrohímíčnaaktivacíânanostrukturnihkomponentívkamânogovugíllâ AT pivnâkgg electrochemicalactivationofthecoalnanostructuralcomponents AT sobolevvv electrochemicalactivationofthecoalnanostructuralcomponents AT filippovao electrochemicalactivationofthecoalnanostructuralcomponents |
| first_indexed |
2025-11-24T07:38:24Z |
| last_indexed |
2025-11-24T07:38:24Z |
| _version_ |
1850843685847040000 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
1 • 2012
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 622.333:537.32
© 2012
Академик НАН Украины Г. Г. Пивняк, В. В. Соболев,
А.О. Филиппов
Электрохимическая активация наноструктурных
компонентов каменного угля
Экспериментально установлен физический эффект, заключающийся в том, что при
прохождении слабого электрического тока и нагревании в диапазоне температур
300. . .320 К часть твердой фазы каменного угля превращается в газ. Анализ полученных
результатов свидетельствует, что наиболее интенсивные переходы угля в газ обуслов-
лены разрушением слабых связей углеводородных и углеродных цепочек.
В современном мире уголь используется главным образом как энергетическое топливо и тех-
нологическое сырье для производства продукции различного назначения. Специфическая
и сложная структура угля, все компоненты которой относятся к наноразмерным объектам,
представляет фундаментальный научный интерес в области исследования природы и физи-
ко-химических условий происхождения органической массы углей, параметров, в результате
воздействия которых уголь приобретал те или иные свойства, кинетики образования мине-
ральных включений, нанотрубочных каркасных структур, цепочек и других компонентов.
Развитие экономически эффективных, энергосберегающих и экологически безопасных
технологий переработки углей требует создания новых методов управляемой дестабили-
зации нанокомпонентов угля. Поведение наноструктуры угля, особенно при одновремен-
ном воздействии нескольких физических параметров (электрическое поле, магнитное по-
ле, температура, давление и т. п.) с учетом пористости и роли флюидов, мало изучено.
Но, несмотря на это, можно предположить, что каждый из перечисленных параметров на
определенном этапе углеобразовательного процесса играл ведущую роль в формировании
химических и физико-технических характеристик угля.
Результаты некоторых исследований физических свойств углей, причин возникновения
и сохранения в их структуре нестабильных состояний (например, потенциально способных
к выбросам), зависимости этих состояний от комплекса различных физических воздействий
не могут быть корректно интерпретированы в том случае, если используется устаревшая
методология, в соответствии с которой изучаются микроразмерные системы. Здесь же сле-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №1 89
дует обратить внимание и на особенности физических свойств атомарного углерода и угле-
родных фаз (графены, нанотрубки, частицы углерода, цепочки), которые чаще всего не
принимаются во внимание, но оказывают принципиальное влияние на физико-химические
характеристики угля, отражают особенности и виды энергетических воздействий.
Научный интерес представляют исследования влияния слабых электрических полей на
фазовые переходы в углях. Этот интерес вызван тем, что в природе тектоническая акти-
визация сопровождается не только сложным деформированием горных пород, но и увели-
чением значений напряженностей электрических и магнитных полей. Предполагается, что
переходы уголь → газ как при механических, так и электрофизических воздействиях, по
сути, являются идентичными и могут быть описаны механизмом, в основе которого лежат
тепловые эффекты.
Цель работы — исследование принципиальной возможности перехода угля в газ при
термическом активировании и одновременном воздействии слабого электрического поля.
Материалы и методика исследований. В экспериментах использовался каменный
уголь, имеющий следующие характеристики: содержание углерода — 86,6%, водорода —
5,7%, показатель отражения витринита — R0 > 1,03%, Y = 18 мм, W = 1,1%, V daf = 33,2%,
теплота сгорания Qdaf = 36,4 МДж/кг. Образцы готовились из угля, измельченного до
фракций 160/100 мкм. Среднее значение массы каждого образца ∼ 1,28 г. Максимальная
температура нагрева при электрофизических обработках не превышала 400 К. Экспери-
менты проводились по методике, описанной в [1]. Разность потенциалов и величина тока
задавались источником питания и составляли 1; 10; 100 В и 0,1 А, соответственно. Время
обработки каждого образца не превышало четыре часа.
Рентгеноструктурные исследования углей проводились на установке ДРОН-3, электрон-
ный парамагнитный резонанс — на спектрометре ВИГТ.421.410.001 (Россия). Комплекс-
ные исследования физико-химических характеристик осуществлялись в лабораториях ГП
НПО “Павлоградский химический завод” с использованием следующего оборудования:
прибора термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориме-
трии TGA/DSC METTLER TOLEDO (Швейцария), оптического микроскопа LEICA DM
ILM (Германия), лазерного дифракционного анализатора размеров частиц SHIMADZU
SALD-301 V (Япония) и калориметра С-2000 IKA (Германия). Инфракрасные спектры углей
были сняты на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-1201 (Россия) с пропусканием в спектраль-
ном диапазоне 400–5000 см−1.
Экспериментальные результаты. Рентгенографические исследования показывают,
что на всех дифрактограммах выделяются два сильно размытых максимума, которые со-
ответствуют углам 2Θ: 24 и 43 град (рис. 1).
Положение первого максимума меняется от образца к образцу незначительно; полуши-
рина меняется слабо. Интенсивность линий образцов обработанного угля ниже исходного,
что свидетельствует об увеличении степени его “аморфности”.
В области первого максимума расположены линии, значения которых равны (в нм):
0,455; 0,424; 0,403 — слабая линия; 0,371 и 0,338. В области второго максимума на дифра-
ктограммах всех исходных образцов фиксируются линии, которые можно отнести к кри-
сталлической фазе, имеющей межплоскостное расстояние d = 0,198–0,200 нм, близкое по
значению к линии графита d = 0,202 нм — второй по интенсивности. Анализ дифракто-
грамм свидетельствует об увеличении степени “аморфности” углей в результате прохожде-
ния электрического тока — на дифрактограмме практически отсутствует второй максимум.
В целом деструктивные процессы, протекающие в углях, сопровождаются увеличением со-
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №1
Рис. 1. Дифрактограммы угля: 1 — исходный; 2 — смесь различных проб после обработки (E =
= (100. . .110) В/см; I = 0,1 A; T ≈ 304 K)
Рис. 2. Характер распределения частиц угля по размерам: 1 — исходный образец; 2 — уголь после обработки
в электрическом поле напряженностью 107 В/см, T ≈ 304 K
держания частиц минимального размера и незначительным расширением диапазона за счет
частиц в области наибольших размеров. При этом уменьшается средний размер частиц и их
содержание (рис. 2).
Образование подвижных компонентов (радикалов, газа) обусловлено деструктивными
процессами, протекающими в твердой фазе угля. Дифрактограммы свидетельствуют об
увеличении степени “аморфности” наноструктуры, что подтверждают данные ЭПР, — уве-
личивается концентрация парамагнитных центров до 5,3 · 1019 (рис. 3).
По результатам ИКС (рис. 4), деструкция мостиковых алифатических цепочек под-
тверждается уменьшением оптической плотности полос 2920 и 2860 см−1, соответствующих
валентным и деформационным колебаниям связей C−H в структурах, содержащих СН2
и СН3-группы; уменьшением полос 3000–3100 см−1 в ароматических углеводородах. Азотсо-
держащие соединения идентифицируются по наличию интенсивного пропускания в области
валентных колебаний 2300–2400 см−1; в образцах, обработанных электрическим полем, на-
блюдается незначительный рост интенсивности линий.
Деструкция кислородметиленовых мостиков сопровождается обрывом связанных с ни-
ми СН3-метальных групп (уменьшается полоса 1370 см−1). Рост на ИК спектрах полос
1025 см−1, характерных для первичных (−CH2OH) спиртовых групп, также указывает на
деструкцию. Уменьшилась интенсивность полос поглощения СО-групп простых и сложных
эфиров (1100–1300 см−1), деформационных колебаний групп СН2 (1490 см−1) и СН-групп
ароматических колец (700–880 см−1). Кроме этого, о деструктивных процессах свидетельст-
вует уменьшение оптической плотности полосы 1600 см−1, соответствующих C=C связи
в ароматических углеводородах.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №1 91
Рис. 3. Зависимость концентрации парамагнитных центров в углях после обработки в электрическом поле
напряженностью E: образец 1 — 1,1 В/см; образец 2 — 10,4 В/см; образец 3 — 107 В/см
Рис. 4. Инфракрасные спектры угля: 1 — исходный; 2 — после обработки в электрическом поле напряжен-
ностью 107 В/см, T ≈ 304 K
Из анализа экспериментальных данных следует, что прохождение слабого электричес-
кого тока инициирует в углях химические реакции твердая фаза угля → газ, увеличивает
концентрацию ПМЦ в алифатических и ароматических структурах. С применением при-
бора термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии
(Mettler Toledo) исследовались термические характеристики углей в диапазоне темпера-
тур от комнатной до 670 К. В исходных углях первая ступень (∼ 390 К) потери массы
соответствует преимущественно выходу влаги — около 2,8%. Общая потеря массы, состав-
ляющая 0,456 мг (7,3%), обусловлена потерей не только влаги, но и летучих компонентов,
Qdaf = 36,4 МДж/кг.
В углях, обработанных электрическим полем напряженностью 107 В/см при T ≈ 304 K
в течение 4 ч, первая ступень потери массы соответствует 620 К и связана, главным образом,
с потерей летучих компонентов, концентрация которых превышает аналогичный показатель
исходных углей. Доля выделенной влаги на отметке 390 К не превышает 1,6%. Теплота
сгорания составила 36,2 МДж/кг.
Обсуждение результатов. Переход твердой фазы измельченного угля в газ, стимули-
рованный воздействием слабых электрических полей и нагреванием до 300 . . . 320 К, приво-
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №1
дит к увеличению концентрации парамагнитных центров (подвижных компонентов), умень-
шению среднего размера зерна кристаллической компоненты, а в целом — к увеличению
степени “аморфности” углей.
Можно предположить, что в природе образование и выделение газа в углях, главным
образом, обусловлено разрушением твердой фазы угля. Причинами могут быть сложные
процессы деформирования, действие проходящего электрического тока или одновременное
влияние этих двух факторов и теплового поля. При проведении экспериментов не обнару-
жено влияние температуры (300 . . . 320 К) на заметное снижение потенциального барьера
перехода твердой фазы угля в подвижные компоненты, о чем свидетельствуют данные
ИКС, ЭПР и др. Только нагрев в сочетании с током приводит к эффекту образования ра-
дикалов. Возможно, разрыв связей происходит с участием тепловых флуктуаций. Тогда
в случае реакции термического распада энергия активации в уравнении Аррениуса сов-
падает с энергией связи U0: k = k0 exp[−(U0/RT )], где k — константа скорости распада;
k0 = 1012 . . . 1013 с−1.
Такие переходы характерны и для неравновесного процесса, например, в момент со-
кращения макромолекулы следует ожидать колебательное возбуждение связей основной
цепи. Поскольку весь поток рассеиваемой в тепло электрической энергии проходит через
связи основной цепи, то в определенное время эти связи перейдут в колебательно-возбуж-
денное состояние. Можно предположить, что состояние возбуждения охватывает достато-
чный объем вещества, чтобы для оценочных расчетов использовать понятие колебательной
температуры T ∗, допуская при этом, что RT ∗
≈ ∆Uкол (∆Uкол — энергия колебательно-
го возбуждения связей). Возникновение неравновеcно-возбужденных состояний вызывают
химические превращения, в том числе разрывы связей и деструкцию макромолекул.
В углях низкой степени углефикации, содержащих большое количество алифатических
цепей, под действием электрического поля протекают деструктивные процессы так же ин-
тенсивно как, например, в результате механохимических [2, 3] и радиационно-химических [4]
превращений.
Экспериментально установлено, что увеличение времени обработки не приводит к даль-
нейшим заметным изменениям в наноструктуре углей. Для каждой марки угля, характери-
зующейся определенной степенью углефикации, время эффективной обработки физичес-
кими полями различное, т. е. в некоторый момент времени наступает “насыщение” нано-
структуры угля дополнительной внутренней энергией. Проявление этого эффекта особенно
важно, если система уголь–газ находится в условиях равнокомпонентного напряженного
состояния — в этом случае система переходит в состояние неустойчивого химического рав-
новесия, которое может сохраняться неопределенно долго.
Сложная и специфическая, обладающая уникальными свойствами наноструктура угля
формировалась в условиях влияния нескольких физических параметров одновременно, но
в любом случае какой-либо из них один выполнял функцию преимущественного: это могло
быть давление или температура, электрический ток или напряженность магнитного поля,
состав и концентрация флюидов.
1. Соболев В. В. Образование новых фаз в измельченном кальците с добавками кремния при нагревании
и пропускании электрического тока // Минералогич. журн. – 2008. – № 4. – С. 25–32.
2. Воларович М.П., Пархоменко Э.И. Воспроизведение внезапных выбросов угля при сжатии и однов-
ременном кручении тонких образцов // Тр. Геофизич. ин-та АН СССР. – 1956. – № 34. – С. 193–207.
3. Фролков Г.Д., Фролков А.Г. Механохимическая концепция выбросоопасности угольных пластов //
Уголь. – 2005. – № 2. – С. 18–22.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №1 93
4. Кузнецов П.Н., Патраков Ю.Ф. Торгашин, А. С. и др. Влияние обработки пучком ускоренных эле-
ктронов на состав и надмолекулярное строение бурых и каменных углей ряда метаморфизма //
Химия в интересах устойчивого равновесия. – 2005. – 13. – С. 71–77.
Поступило в редакцию 29.06.2011ГВУЗ “Национальный горный университет”,
Днепропетровск
Академiк НАН України Г. Г. Пiвняк, В.В. Соболєв, А. О. Фiлiппов
Електрохiмiчна активацiя наноструктурних компонентiв кам’яного
вугiлля
Експериментально встановлено фiзичний ефект, який полягає у тому, що пiд час пропус-
кання слабкого електричного струму i нагрiвання у дiапазонi температур 300 . . .320 К час-
тина твердої фази кам’яного вугiлля перетворюється на газ. Аналiз одержаних резуль-
татiв свiдчить про те, що найбiльш iнтенсивнi перетворення вугiлля у газ обумовленi
руйнуванням слабких зв’язкiв вуглеводневих та вуглецевих ланцюжкiв.
Academician of the NAS of Ukraine G.G. Pivnyak, V.V. Sobolev, A.O. Filippov
Electrochemical activation of the coal nanostructural components
The physical effect of the coal solid phase transformation into a gas at the passing of a weak electric
current and the heating to 300 . . .320 K is experimentally established. The analysis of the results
testifies that the most intensive transitions of coal into a gas are caused by the destruction of the
weak bonds of hydrocarbonic and carbon chains.
94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №1
|