RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES
As a result of studying the rheological properties of coal suspensions with a water-glycerol dispersion media, it was established that with an increase of the stage of coal metamorphism, that is, from the transition from lignite coal to anthracite, the suspensions are characterized by lower values ...
Saved in:
| Date: | 2019 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2019
|
| Online Access: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/14 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Download file: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871465455703556096 |
|---|---|
| author | Makarov, Anatolii Semenovych Sadovskyi, Dmytro Yuriiovych Makarova, Kateryna Viktorivna Ehurnov, Oleksandr Ivanovych |
| author_facet | Makarov, Anatolii Semenovych Sadovskyi, Dmytro Yuriiovych Makarova, Kateryna Viktorivna Ehurnov, Oleksandr Ivanovych |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Anatolii Semenovych Makarov",
"institution": "AV Dumansky Institute of Colloid and Water Chemistry NAS of Ukraine"
},
{
"author": "Dmytro Yuriiovych Sadovskyi",
"institution": "AV Dumansky Institute of Colloid and Water Chemistry NAS of Ukraine"
},
{
"author": "Kateryna Viktorivna Makarova",
"institution": "AV Dumansky Institute of Colloid and Water Chemistry NAS of Ukraine"
},
{
"author": "Oleksandr Ivanovych Ehurnov",
"institution": "«ANNA-TEMS» Ltd, Dnepr"
}
] |
| author_sort | Makarov, Anatolii Semenovych |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:39Z |
| description | As a result of studying the rheological properties of coal suspensions with a water-glycerol dispersion media, it was established that with an increase of the stage of coal metamorphism, that is, from the transition from lignite coal to anthracite, the suspensions are characterized by lower values of effective viscosity with the same mass content of the dispersed phase.
Dependence of granulometric composition of coal suspensions depending on concentration of glycerol in them was determined. Coal suspensions of varying degrees of metamorphism have been obtained using as a dispersion media glycerol, pyrolysis products of  high molecular weight polymers and water in various ratios with a maximum content of coal of 60% by weight. and permissible viscosity (up to 1.5 Pa · s). It is important that water-glycerol suspensions of coal do not decompose within a week when stored in static conditions, even in the absence of stabilizing reagents. In this case, water-cooled suspensions under the same conditions are stable for no more than 24 hours. The structure of the sedimentation of coal suspensions also depends on the nature of the dispersion media. If in systems with glycerol content it is rather loose, then in the case of coal-water suspensions - a dense. In the case of hermetic storage, the viscosity of water-glycerol suspensions after stratification is easy to restore by simple mixing. Also, the advantage of preparing of coal disperse systems with the content of glycerol is much higher values of it caloric content, compared with coal-water. It iwas shown that these fuel disperse systems have high stability and caloric content, which at high solids content and pyrolysis products is close to or exceeds the output coal. The resulting suspensions have a much higher caloric content than similar coal-water, and are characterized by low emissions of harmful gases during combustion. |
| doi_str_mv | 10.33609/0041-6045.85.1.2019.38-46 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 544.7 : 662.758
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський*, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов
РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОРГАНОВОДОВУГІЛЬНИХ
ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ ПРИРОДНОГО ВУГІЛЛЯ
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України,
бульвар Академіка Вернадського, 42, Київ, 03142, Україна
* e-mail: arkraa@gmail.com
У результаті вивчення реологічних властивостей суспензій вугілля у водно-гліцеролово-
му дисперсійному середовищі встановлено, що з підвищенням стадії метаморфізму вугіл-
ля, тобто при переході від бурого вугілля до антрациту, суспензії характеризуються мен-
шими значеннями ефективної в’язкості при однаковому масовому вмісті дисперсної фази.
Визначено залежність гранулометричного складу суспензій вугілля від концентрації глі-
церолу. Отримано суспензії на основі вугілля різного ступеня метаморфізму з викорис-
танням як дисперсійного середовища гліцеролу, продуктів піролізу високомолекуляр-
них полімерів та води у різних співвідношеннях з максимальним вмістом вугілля 60 %
мас. і допустимою в’язкістю (до 1.5 Па⋅с) з високою калорійністю та седиментаційною
стійкістю (не менше 8 діб).
К л ю ч о в і с л о в а: органовугільна суспензія, реологічні характеристики, гліцерол,
продукти піролізу, утилізація відходів.
ВСТУП. У зв’язку з високими обсягами ви-
користання вугілля є актуальним питання більш
ефективного застосування цього виду палива
та зниження шкідливого впливу продуктів зго-
рання на навколишнє середовище. Одним з
перспективних напрямків є використання висо-
коконцентрованих водовугільних суспензій (ВВС).
Однак поряд з явними екологічними перева-
гами ВВС порівняно з вугіллям вони мають більш
низьку теплоту згорання через воду в їх складі
[1–4]. Зазначені недоліки можна усунути, замі-
нивши частину дисперсійного середовища (во-
ди) недорогими енергоносіями — органічними
відходами промисловості, що мають досить ви-
соку теплоту згорання і низьку температуру за-
стигання. Такий підхід до створення суспен-
зійного палива, на відміну від водовугільних
суспензій, дозволяє отримувати більш калорій-
не суспензійне паливо. Одержані паливні дис-
персні системи характеризуються наступними
перевагами порівняно з вугіллям та водовугі-
льним паливом: меншою температурою запа-
лювання; повнотою згорання; підвищеною ка-
лорійністю. Калорійність суспензійного палива
дає змогу одержувати в пічному просторі тем-
пературу до 1500 оС, що зумовлює можливість
дешевої утилізації рідких органовмісних від-
ходів. При цьому суспензії з таким складом рі-
дкої фази дозволять утилізувати відходи хімі-
чної промисловості — рідкі органічні відходи
різних промислових підприємств, зокрема на-
фтопереробних, полімерних, спиртових, коксо-
хімічних, фармацевтичних, біопаливних [5, 6].
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА. Вихід-
ним матеріалом для отримання висококон-
центрованих органоводовугільних суспензій бу-
ло вугілля різного ступеня метаморфізму — мар-
ки Б (буре), ДГ (довгополуменеве газове), Г (га-
зове), Т (пісне), А (антрацит), технічний та еле-
ментний аналіз якого наведено у табл. 1. Як ви-
дно з даних таблиці, характеристики вугілля
різних марок дуже відрізняються, що усклад-
нює процес приготування дисперсних сис-
тем на їх основі. Але, незважаючи на це, не-
обхідно досліджувати можливість отримання
паливних суспензій для вугілля різного сту-
© А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов , 2019
Фізична хімія
38 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1
mailto:arkraa@gmail.com
пеня метаморфізму, властивості яких також бу-
дуть відрізнятися [7–10].
Відомо, що вугілля є полікомпонентною гір-
ською породою, яка складається з неоднорід-
ної органічної маси, мінеральних включень рі-
зного складу та вологи. Всі компоненти, зна-
ходячись у тісній взаємодії, утворюють дис-
персну систему, яка і визначає фізико-хімічні
та технологічні властивості вугілля. Модель хі-
мічної структури органічної маси вугілля міc-
тить наступні структурні фрагменти: аромати-
чні конденсовані кільця, циклоалканові фраг-
менти, функціональні групи (–OH, –COOH, –NH2,
–SH), алкільні замісники (С1–Сn); зв’язки ти-
пу “місток”, які зв’язують різні фрагменти між
собою (–(СН2)m–, –О–, –О–СН2–, –NH–, –S–). З
підвищенням стадії метаморфізму співвідно-
шення структурних фрагментів змінюється, зо-
крема збільшується кількість конденсованих
кілець і зменшується кількість функціональих
груп, зв’язків типу “місток”, алкільних радика-
лів, циклоалканових фрагментів [11, 12]. Серед
гетероатомів (N, O, S) в органічній масі ни-
зько- і середньометаморфізованого вугілля пе-
реважає кисень. При переході від бурого вугіл-
ля до антрациту знижується вміст кисню та під-
вищується вміст вуглецю. Відповідно по мірі
зростання стадії метаморфізму відбувається під-
вищення теплотворної здатності вугілля.
Неорганічна складова вугілля представле-
на в основному глинистими мінералами (силі-
катами та алюмосилікатами), діоксидом крем-
нію, карбонатами Ca, Mg, Fe, сульфідами. Сут-
тєву роль в невалентному зв’язуванні окремих
компонентів вугілля відіграють взаємодії за
участю органомінеральних структур. На стадіїї
бурого вугілля значна частина кислотних груп
знаходиться у зв’язаному стані у вигляді кар-
боксилатних комплексів лужних та лужно-зе-
мельних металів: AR–(C=O)–O–Ca–O(C=O)–
AR; AR–(C=O)–O–Ca–O–(CH2)n–AR, а також
Al, Si, Fe, Ni, Ti. Таким чином, можна стверд-
жувати, що поверхня природного вугілля є
“мозаїчною”, тобто на ній зустрічаються і гід-
рофільні, і гідрофобні ділянки. Гідрофільність
вугілля в основному обумовлена наявністю
функціональних груп, які приймають участь у
формуванні водневих зв’язків. Гідрофільні гру-
пи зустрічаються на поверхні органічних і не-
органічних фрагментів структури вугілля [11–13].
Реологічні параметри (напругу зсуву та в’я-
зкість) суспензій визначали на приладі Rheo-
test-2 за допомогою вимірювальної системи S/
S2 (коаксіальні гладкі циліндри) в діапазоні шви-
дкостей зсуву 1.0–437.4 c–1 за стандартною ме-
тодикою, яка додається до приладу. Як ком-
понент дисперсійного середовища використо-
вували воду і гліцерол виробництва ТОВ “За-
порізький біопаливний завод” (η = 1.49 Па⋅с,
ρ = 1.263 г/см3, Q = 19.5 МДж/кг) та продукти
піролізу високомолекулярних полімерів (η =
=0.0046 Па⋅с, ρ = 0.936 г/см3, Q = 7.6 МДж/кг).
З метою зменшення впливу фактора набу-
хання вугілля реологічні параметри спирто-
вугільних суспензій визначали безпосередньо
після приготування і гомогенізації. Помел ву-
гілля, спільно з дисперсійним середовищем
(гліцерол, продукти піролізу і вода), проводи-
ли в кульовому млині об’ємом 1 л. Початко-
вий розмір часток вугілля становив ≤ 2 мм.
ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ. Оскільки ос-
новною енергетичною характеристикою пали-
ва є його теплотворна здатність, масова частка
вугілля у складі паливних дисперсних систем
має бути максимальною. Такі системи повинні
бути стабільними в часі, з певними реологіч-
ними властивостями. Залежно від способу спа-
Т а б л и ц я 1
Технічний та елементний аналіз вугілля
Марка
вугіл-
ля
Технічний
аналіз, % мас. Елементний аналіз, % на daf*
Wa Ad Vdaf C H N O S
Б 51.0 20.0 48.5 70.1 5.0 1.2 19.7 4.0
ДГ 9.3 22.3 43.8 76.2 4.9 1.1 13.7 4.1
Г 0.83 7.5 10.37 86.05 5.03 1.36 6.2 1.36
Т 5.1 25.0 14.9 88.5 3.8 0.7 5.3 1.7
А 3.2 10.5 3.8 95.7 2.3 0.4 1.1 0.5
* Паливо у сухому стані — умовний стан палива без
вмісту вологи та мінеральної маси.
Реологічні властивості органоводовугільних дисперсних систем ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1 39
лювання паливних колоїдних дисперсних си-
стем вимоги до їх реологічних властивостей
будуть відрізнятися. В’язкість таких систем, ви-
значена при швидкості зсуву, що відповідає
ламінарному потоку (Dr = 9 с–1), складає 1.5
Па⋅с. Однак повна або часткова заміна водно-
го дисперсійного середовища на органічне у
процесі приготування паливних дисперсних си-
стем на основі природного вугілля, приводить
до формування принципово відмінних між
собою дисперсних структур. Відмінності між ди-
сперсними структурами, які формуються у во-
дних та органічних середовищах, визначають
стабільність та реологічну поведінку паливних
дисперсних систем. Згідно з сучасними уявлен-
нями, реологічну поведінку дисперсних сис-
тем розглядають як результат контактних вза-
ємодій частинок дисперсної фази між собою
та дисперсійним середовищем [8–11]. Відпо-
відно відсоток наповнення паливних диспер-
сних систем вугільними частинками буде зале-
жати від фізико-хімічних властивостей вугілля
та рідких органічних середовищ, а також від
контактних взаємодій між частинками вугілля
на границі розділу фаз.
Використовуючи аналізатор лазерної ди-
фракції Mastersizer 2000 (Malvern Instruments,
Великобританія), ми визначили залежність гра-
нулометричного складу суспензій вугілля від
концентрації гліцеролу в них (рис. 1). Отрима-
ні дані демонструють збільшення кількості кру-
пних частинок (50–70 мкм) в дисперсній сис-
темі зі зростанням кількості гліцеролу в них,
причому така тенденція має більш виражений
характер після досягнення концентрації гліце-
ролу в суспензії понад 30 % мас., що вказує
на збільшення кількості агрегованих частинок.
На гранулометричний склад колоїдних си-
стем також мають вплив процеси взаємодії
між частинками вугілля у водно-гліцероловому
дисперсійному середовищі. Вугілля має амфі-
фільну поверхню, отже, гідрофільний гліцерол
буде просочувати пори на поверхні вугілля, в
першу чергу, під дією капілярних сил, а потім
надлишок гліцеролу поступово покриватиме
відносно більш гідрофільні ділянки вугілля, що,
в свою чергу, може приводити до агрегації ча-
стинок вугілля, причому цей процес має більш
виражений характер зі зростанням кількості
гліцеролу у дисперсійному середовищі.
У результаті вивчення реологічних влас-
тивостей суспензій вугілля з водно-гліцероло-
вим дисперсійним середовищем було встанов-
лено, що з підвищенням стадії метаморфізму
вугілля та їх густини, тобто при переході від бу-
рого вугілля до антрациту, суспензії характе-
ризуються меншими значеннями ефективної в’яз-
кості при однаковому масовому вмісті диспер-
сної фази (Ст, %) (рис. 2). Наприклад, 50 %-ві
вугільні суспензії, дисперсійне середовище яких
вміщує 5 і 20 % мас. гліцеролу, мають такі зна-
чення ефективної в’язкості: у випадку вугілля
марки Б – 0.79 і 2.3, Г – 0.7 і 2.0, Т – 0.6 і 1.8,
a
Рис. 1. Залежність гранулометричного розподілу ча-
стинок вугілля марки А від кількості гліцеролу в
дисперсних системах. а: 1 – 0; 2 – 5; 3 – 10; 4 – 20
% мас. б: 1 – 0; 2 – 30; 3 – 40 % мас.
б
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов
40 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1
А – 0.5 і 1.78 Па⋅с. Криві для вугілля марок
А i Т мають подібний характер, тому на ри-
сунках не наводяться.
Загальновідомо, що ефективна в’язкість су-
спензій незалежно від способів і умов її вимі-
рювання пропорційна в’язкості дисперсійного
середовища. При цьому багато суспензій, при-
значених для промислового використання, ма-
ють певні обмеження за в’язкістю. Так, ефек-
тивна в’язкість суспензій вугілля, які спалю-
ють факельним способом, зазвичай, не повин-
на перевищувати 1.5 Па⋅с [14]. Якщо в диспер-
сійному середовищі суспензії застосовуються
дві або кілька рідин, величина і характер зміни
в’язкості дисперсійного середовища, а також в’я-
зкості суспензії, будуть визначатися, за інших
рівних умов, їх відносним вмістом. У силу то-
го, що міжмолекулярні взаємодії в сумішах рі-
дин приводять до утворення різних за струк-
турою асоціатів, в’язкість суміші може і збіль-
шуватися, і зменшуватися, залежно від її скла-
ду [15, 16]. Тому в процесі приготування суспен-
зій вугілля з використанням як дисперсійного
середовища сумішей рідин необхідно встано-
вити оптимальне співвідношення компонен-
тів, при якому ефективна в’язкість суспензій
не перевищує порогового значення.
Вимірювання в’язкості водно-гліцеролових
суспензій вугілля показали, що для кожної мар-
ки вугілля існує своя гранична концентрація
гліцеролу в дисперсійному середовищі, при якій
в’язкість суспензій не перевищує 1.5 Па⋅с (рис. 3).
Досліджувані в даній роботі суспензії ча-
сто піддаються різним механічним впливам —
перемішуванню, перекачуванню, розпиленню.
Тому важливо розуміти, яким чином змінюю-
ться реологічні властивості дисперсної систе-
ми в широкому діапазоні механічних наванта-
жень. Отримані залежності напруги зсуву від
швидкості зсуву вказують на зміцнення струк-
тури суспензій вугілля з підвищенням вмісту
в них гліцеролу (рис. 4, а–г). Графіки наведені
для суспензій з максимальним вмістом дис-
персної фази, оскільки концентрація вугілля ви-
значає калорійність паливних дисперсних сис-
тем. У міру підвищення швидкості зсуву і руй-
нування структури суспензій вугілля криві те-
чії "виположуються". При цьому кут нахилу
кривих щодо осі абсцис зростає зі збільшен-
ням концентрації гліцеролу (Сгл) у суспензії.
Внаслідок хімічної неоднорідності повер-
Рис. 2. Залежність в’язкості суспензій вугілля ма-
рок Б (а) та Г (б) від концентрації дисперсної фа-
зи при вмісті гліцеролу в суспензії 5 (1), 10 (2),
15 (3) і 20 % мас. (4).
б
a
Рис. 3. Залежності в’язкості суспензій вугілля ма-
рок А (1), Т (2), Г (3) і Б (4) від вмісту гліцеролу
при концентрації вугілля в системі Ст = 50 % мас.
Реологічні властивості органоводовугільних дисперсних систем ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1 41
хні вугілля міцність контактів, що виникають
між частинками однієї і тієї ж дисперсної фа-
зи, може різко відрізнятися залежно від того, по
яких ділянках поверхні реалізується контакт.
З огляду на те, що реологічні властивості дис-
персних систем "відображають" всю складну
сукупність фізико-хімічних чинників, що впли-
вають на процеси структуроутворення, слід зга-
дати електростатичний фактор, роль якого по-
лягає в зменшенні міжфазного натягу через ви-
никнення подвійного електричного шару на по-
верхні частинок. При цьому формування одно-
йменних зарядів на поверхні частинок диспер-
сної фази має запобігати їх агрегуванню в дис-
персійному середовищі. Однак роль електроста-
тичного фактора у відштовхуванні частинок слаб-
шає при підвищенні концентрації гліцеролу в
суспензіях вугілля, оскільки при цьому змен-
шується діелектрична проникність оточуючої
їх рідкої фази. Більшою мірою на реологічні вла-
стивості суспензій вугілля впливають фізичні
характеристики дисперсійного середовища. Під-
вищення в’язкості і зменшення діелектричної
проникності водно-гліцеролових розчинів з ро-
стом вмісту в них органічного компоненту при-
водить до підвищення напруги зсуву і в’язко-
сті суспензій вугілля, приготованих на основі
цих розчинів. Важливу роль у зміні реологіч-
них властивостей вугільних суспензій також ві-
діграють процеси адсорбції і змочування. По-
рівняння адсорбції гліцеролу на різних за сво-
єю природою поверхнях показало, що на вуг-
лецевій поверхні гліцерол адсорбується наба-
гато краще, ніж на поверхні глини [17]. Деякі
джерела також вказують на те, що гідрофобні
поверхні графіту [18] та низькозольного вугіл-
ля [19] краще змочуються гліцеролом, ніж водою.
Вірогідно, що у водно-гліцеролових сере-
довищах відбувається вибіркова адсорбція моле-
кул гліцеролу на гідрофобних ділянках повер-
хні частинок вугілля. Загалом, в результаті ви-
рівнювання полярності фаз за рахунок різного
роду взаємодій між молекулами дисперсійно-
го середовища і гетерогенною поверхнею вугіл-
ля формується така коагуляційна структура су-
спензій, реологічні властивості якої залежать
від концентрації гліцеролу у водному розчині.
При цьому величина адсорбції гліцеролу з во-
дних розчинів на гідрофобних ділянках по-
верхні вугілля визначатиме в’язкість не тіль-
ки вихідного розчину, але і суспензії в цілому.
Слід зазначити, що водно-гліцеролові су-
Рис. 4. Криві течії водно-гліцеролових суспензій вугілля різних марок: а — Б (Cт = 50 %); б — Г (Cт = 55 %);
в — Т (Cт = 55 %); г — А (Cт = 60 %). Вміст гліцеролу в суспензіях: 5 (1), 10 (2), 15 (3), 20 % мас. (4).
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов
в
а
г
б
42 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1
спензії вугілля не розшаровуються
протягом тижня при зберіганні в ста-
тичних умо вах навіть за відсутності
стабілізуючих реагентів. При цьому
водовугільні суспензії в тих же умо-
вах є стабільними не більше доби.
Структура осаду вугільних суспен-
зій теж залежить від природи дис-
персійного середовища. Якщо у си-
стем із вмістом гліцеролу вона є
досить рихлою, то у випадку з водо-
вугільними суспензіями — щільною.
В умовах герметичного зберігання в’яз-
кість водно-гліцеролових суспензій
після розшарування легко віднови-
ти шляхом простого перемішування.
Також перевагою приготування ву-
гільних паливних дисперсних сис-
тем з вмістом гліцеролу є набагато
вищі величини їх калорійності, порів-
няно з водовугільними. Нами були
розраховані значення калорійності
та реологічні характеристики гліце-
роловодовугільних суспензій з різ-
ним вмістом гліцеролу (табл. 2). От-
же, приготування таких дисперсних
систем дозволяє отримувати калорі-
йне паливо без використання хіміч-
них реагентів та утилізувати відходи
виробництва біодизельного пально-
го — сирий, неочищений гліцерол.
В якості складової дисперсійно-
го середовища паливних дисперс-
них систем на основі вугілля різ-
ного ступеня метаморфізму нами за-
пропоновано використовувати рідку
фазу продуктів піролізу високомоле-
кулярних полімерів. Теплота згоран-
ня та в’язкість таких паливних ор-
гановодовугільних дисперсних си-
стем показані у табл. 3.
Дані паливні дисперсні систе-
ми мають високу стабільність та ка-
лорійність, яка при високому вмісті
твердої фази та продуктів піролізу
близька до вихідного вугілля або
перевищує її. При цьому отримані
Т а б л и ц я 2
Нижча теплота згорання (Q, МДж/кг) та в’язкість (η, Па⋅с)
органоводовугільних суспензій (ОВС) на основі вугілля різ-
ного ступеня метаморфізму з різним вмістом гліцеролу
Ст Сгл CH2O Б Г Т А
% Q η Q η Q η Q η
45 0 55 7.20 1.55 10.35 1.49 11.12 1.47 12.96 1.41
5 50 9.83 0.87 11.99 0.61 13.21 0.54 14.78 0.45
10 45 10.66 0.97 12.82 0.65 14.04 0.57 15.61 0.49
15 40 11.49 0.98 13.65 0.68 14.87 0.60 16.44 0.53
20 35 12.32 0.99 14.48 0.73 15.70 0.65 17.27 0.58
50 0 50 8.00 1.69 11.50 1.52 12.35 1.46 14.40 1.39
5 45 10.83 1.05 13.23 0.82 14.58 0.73 16.33 0.66
10 40 11.66 1.12 14.06 0.89 15.41 0.81 17.16 0.75
15 35 12.49 1.26 14.89 1.03 16.24 0.95 17.99 0.87
20 30 13.32 1.35 15.72 1.32 17.07 1.25 18.82 1.16
55 0 45 8.80 1.75 12.65 1.50 13.58 1.43 15.84 1.38
5 40 11.83 1.30 14.47 1.08 15.96 0.99 17.88 0.90
10 35 12.66 1.34 15.30 1.12 16.79 1.03 18.71 0.96
15 30 13.49 1.35 16.13 1.13 17.62 1.06 19.54 0.99
20 25 14.42 1.37 16.96 1.15 18.45 1.07 20.37 1.01
60 0 40 9.60 1.89 13.80 1.48 14.82 1.41 17.28 1.36
5 35 12.83 1.41 15.71 1.18 17.33 1.08 19.43 0.99
10 30 13.66 1.45 16.54 1.21 18.16 1.12 20.26 1.04
15 25 14.49 1.46 17.37 1.24 18.99 1.16 21.09 1.07
20 20 15.42 1.48 18.20 1.27 19.82 1.19 21.92 1.12
Т а б л и ц я 3
Нижча теплота згорання (Q, МДж/кг) та в’язкість (η, Па⋅с)
суспензій з вмістом продуктів піролізу високомолекулярних
полімерів на основі вугілля різного ступеня метаморфізму
Ст Сгл CH2O Б Г Т А
% Q η Q η Q η Q η
45 0 55 7.2 1.42 10.35 1.39 11.12 1.37 12.96 1.21
10 45 10.3 1.47 13.45 1.34 14.21 1.34 16.55 1.32
20 35 13.4 1.42 16.55 1.27 17.31 1.36 19.65 1.27
30 25 16.5 1.38 19.65 1.36 20.41 1.31 22.75 1.31
40 15 19.6 1.41 22.75 1.38 23.51 1.38 25.85 1.33
50 0 50 8.0 1.37 11.50 1.32 12.35 1.26 14.40 1.18
10 40 11.1 1.45 14.60 1.36 15.45 1.38 18.05 1.35
20 30 14.2 1.39 17.70 1.31 18.55 1.27 21.15 1.30
30 20 17.3 1.44 20.80 1.35 21.65 1.36 24.25 1.29
40 10 20.4 1.49 23.90 1.38 24.75 1.39 27.35 1.32
Реологічні властивості органоводовугільних дисперсних систем ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1 43
суспензії мають набагато вищу калорійність,
ніж аналогічні водовугільні, та характеризу-
ються низьким викидом шкідливих газів
при спалюванні.
ВИСНОВКИ. Визначено залежність грану-
лометричного складу суспензій вугілля залеж-
но від концентрації гліцеролу в них. Показано,
що збільшення кількості крупних частинок у
дисперсній системі відбувається зі зростанням
кількості гліцеролу в них, причому така тенден-
ція має більш виражений характер після досяг-
нення концентрації гліцеролу в суспензії по-
над 30 % мас. Отримано суспензії на основі ву-
гілля різного ступеня метаморфізму з викорис-
танням як дисперсійного середовища гліцеро-
лу, продуктів піролізу високомолекулярних по-
лімерів та води у різних співвідношеннях з
максимальним вмістом вугілля 60 % мас. і до-
пустимою в’язкістю (до 1.5 Па⋅с) з високою ка-
лорійністю та седиментаційною стійкістю (не
менше 8 діб). Таким чином, використання су-
спензійного палива з даним дисперсійним се-
редовищем дозволяє отримувати висококало-
рійне паливо та утилізувати рідкі органічні від-
ходи (продукти піролізу високомолекулярних
полімерів).
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГАНОВОДО-
УГОЛЬНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НА ОСНО-
ВЕ ПРИРОДНОГО УГЛЯ
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовский*, К.В.Макарова,
О.И.Егурнов
Институт коллоидной химии и химии воды
им. А.В.Думанского НАН Украины,
бульвар Академика Вернадского, 42,
Киев, 03142, Украина
* e-mail: arkraa@gmail.com
В результате изучения реологических свойств
суспензий угля в водно-глицероловой дисперси-
онной среде установлено, что с повышением ста-
дии метаморфизма угля, то есть при переходе от
бурого угля к антрациту, суспензии характеризу-
ются меньшими значениями эффективной вяз-
кости при одинаковом массовом содержании ди-
сперсной фазы. Определена зависимость грану-
лометрического состава суспензий угля от кон-
центрации глицерола. Получены суспензии на ос-
нове углей разной степени метаморфизма с ис-
пользованием как дисперсионной среды глице-
рола, продуктов пиролиза высокомолекулярных
полимеров и воды в различных соотношениях с
максимальным содержанием угля 60 % мас. и до-
пустимой вязкостью (до 1.5 Па⋅с) с высокой ка-
лорийностью и седиментационной стойкостью
(не менее 8 сут).
К л ю ч е в ы е с л о в а: органоугольная суспензия,
реологические характеристики, глицерол, продук-
ты пиролиза, утилизация отходов.
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF COAL-ORGANIC-
WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON NATU-
RAL COAL
A.S.Makarov, D.Yu.Sadovskyi*, K.V.Makarova,
O.I.Yegurnov
A.V.Dumansky Institute of Colloid and Water
Chemistry of National Academy of Sciences
of Ukraine, 42 Academic Vernadsky boulevard,
Kyiv, 03142, Ukraine
* e-mail: arkraa@gmail.com
As a result of studying the rheological proper-
ties of coal suspensions with a water-glycerol disper-
sion media, it was established that with an increase of
the stage of coal metamorphism, that is, from the tran-
sition from lignite coal to anthracite, the suspensions
are characterized by lower values of effective viscosi-
ty with the same mass content of the dispersed phase.
Dependence of granulometric composition of
coal suspensions depending on concentration of
glycerol in them was determined. Coal suspensions of
varying degrees of metamorphism have been obtai-
ned using as a dispersion media glycerol, pyrolysis
products of high molecular weight polymers and wa-
ter in various ratios with a maximum content of coal of
60 % by weight and permissible viscosity (up to
1.5 Pa⋅s). It is important that water-glycerol suspen-
sions of coal do not decompose within a week when
stored in static conditions, even in the absence of sta-
bilizing reagents. In this case, water-cooled sus-
pensions under the same conditions are stable for
no more than 24 hours. The structure of the sedimen-
tation of coal suspensions also depends on the nature
of the dispersion media. If in systems with glycerol
content it is rather loose, then in the case of coal-wa-
ter suspensions – a dense. In the case of hermetic sto-
rage, the viscosity of water-glycerol suspensions af-
ter stratification is easy to restore by simple mixing.
Also, the advantage of preparing of coal disperse
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов
44 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1
mailto:arkraa@gmail.com
mailto:arkraa@gmail.com
systems with the content of glycerol is much higher
values of it caloric content, compared with coal-wa-
ter. It was shown that these fuel disperse systems
have high stability and caloric content, which at high
solids content and pyrolysis products is close to or
exceeds the output coal. The resulting suspensions
have a much higher caloric content than similar coal-
water, and are characterized by low emissions of
harmful gases during combustion.
K e y w o r d s: glycerol, rheological characteris- tics,
coal-organic suspension, pyrolysis products,
recycling.
ЛІТЕРАТУРА
1. Корчевой Ю.П., Майстренко А.Ю., Топал А.И.
Экологически чистые угольные энерготехно-
логии. -Киев: Наук. думка, 2004.
2. Гринько Н.К. Использование чистых уголь-
ных технологий в России // Уголь. -2006. -№ 1.
С. 6–8.
3. Franco A, Diaz A.R. The future challenges for
“clean coal technologies”: Joining efficiency
increase and pollutant emission control // Ener-
gy. -2009. -34. -P. 348–354.
4. Макаров А.С., Савицкий Д.П., Егурнов А.И.
Водоугольное топливо на основе углей раз-
личной стадии метаморфизма // Современная
наука. -2011. -6, № 1. -С. 16–20.
5. Мурко В.И., Федяев В.И., Хамяляйнен В.А.
Физико-технические основы водоугольного
топлива. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009.
6. Ходаков Т.С., Горлов Е.Г., Головин Г.С. Су-
спензионное угольное топливо // Химия тв.
топлива. -2005. -№ 6. -С. 15–32.
7. Ребиндер П.А. Избр. тр. -М.: Наука, 1978.
8. Шрамм Г. Основы практической реологии и
реометрии. -М.: Колосс, 2003.
9. Barnes H.A. Thixotropy a review // J. Non-New-
tonian Fluid Mechanics. -1997. -70. -P. 1–33.
10. Макаров А.С., Кобітович О.М., Савіцький Д.П.,
Єгурнов О.І. Колоїдно-хімічні методи отри-
мання палива на основі відходів вуглезба-
гачення // Вісн. НАН України. -2009. -№ 1.
-С. 56–67.
11. Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г.
Теоретические основы химии угля. -М.: Изд-
во Москов. гос. горного ун-та, 2003.
12. Щукин Е.Д., Конторович С.И., Бессонов А.И. и
др. Влияние жидкой среды на прочность
и диспергируемость угля // Коллоид. журн.
-1987. -49, № 4. -С. 728–737.
13. Ходаков Г.С. Реология суспензий. Теория фа-
зового течения и ее экспериментальное обо-
снование // Рос. хим. журн. -2003. -47, № 2. -С.
33–44.
14. Садовский Д.Ю., Макаров А.С., Савицкий
Д.П., Масляк Р.Р. Получение композиционно-
го водоугольного топлива с использованием
глицерина // Вопросы химии и хим. техноло-
гии. -2017. -№ 1. -С. 59–63.
15. Liu S., Musuku S.R., Adhikari S., Fernando S. The
effect of water–glycerol mixtures on rheological
properties of coal slurries // Environ. Techol.
-2009. -30. -P. 505.
16. Wang S., Zhang Y., Abidi N., Cabrales L. Wetta-
bility and surface free energy of grapheme films
// Langmuir. -2009. -25. -P. 11078.
17. Botsaris D.G., Glazman Yu.M. Interfacial рheno-
mena in сoal technology. -New York: Marcel
Dekker, 1989. -P. 161–172.
18. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И.
Ротационные приборы. Измерение вязкости и
физико-механических характеристик материа-
лов. -М.: Машиностроение, 1968.
REFERENCES
1. Korchevoj Ju.P., Majstrenko A.Ju., Topal A.I.
Clean coal energy technology. (Kiev: Naukova
dumka, 2004).
2. Grin’ko N.K. Use of clean coal technologies in
Russia. Ugol’. 2006. (1): 6.
3. Franco A., Diaz A.R. The future challenges for
“clean coal technologies”: Joining efficiency
increase and pollutant emission control. Energy.
2009. 34: 348.
4. Makarov A.S., Savickij D.P., Egurnov A.I. Coal–
water fuel based on coal of various stages of me-
tamorphism. Sovremennaja nauka. 2011. 6 (1): 16.
5. Murko V.I., Fedjaev V.I., Hamjaljajnen V.A.
Physical and technical basis of coal–water fuel.
(Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2009).
6. Hodakov T.S., Gorlov E.G., Golovin G.S. Coal
slurry fuel. Himija tverdogo topliva. 2005. (6): 15.
7. Rebinder P.A. Selected Works. (Moscow: Nauka,
1978).
8. Shramm G. Basics of practical rheology and
rheometry. (Moscow: Koloss, 2003).
9. Barnes H.A. Thixotropy a review. Journal of
Non-Newtonian Fluid Mechanics. 1997. 70: 1.
10. Makarov A.S., Kobitovy‘ch O.M., Savicz‘ky‘j
D.P., Yegurnov O.I. Colloid-chemical methods of
producing fuels from waste coal. Visn. NAN
Ukrayiny. 2009. (1): 56.
11. Gjul’maliev A.M., Golovin G.S., Gladun T.G.
Реологічні властивості органоводовугільних дисперсних систем ...
ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1 45
Theoretical foundations of coal chemistry. (Mos-
kva: Izdatel’stvo Moskovskogo gosudarstvenno-
go gornogo universiteta, 2003).
12. Shhukin E.D., Kontorovich S.I., Bessonov A.I.
The influence of a liquid media on the strength
and dispersibility of coal. Kolloidnyj zhurnal.
1987. 49 (4): 728.
13. Hodakov G.S. Rheology of suspensions. Theory
of phase flow and its experimental justification.
Ros. him. zhurn. 2003. 47 (2): 33.
14. Sadovskij D.Ju., Makarov A.S., Savickij D.P.,
Masljak R.R. Production of composite coal-water
fuel using glycerin. Voprosy himii i himicheskoj
tehnologii. 2017. (1): 59.
15. Liu S., Musuku S.R., Adhikari S., Fernando S.
The effect of water–glycerol mixtures on rheolo-
gical properties of coal slurries. Environ. Techol.
2009. 30: 505.
16. Wang S., Zhang Y., Abidi N., Cabrales L. Wetta-
bility and surface free energy of grapheme films.
Langmuir. 2009. 25: 11078.
17. Botsaris D.G., Glazman Yu.M. Interfacial рhe-
nomena in сoal technology. (New York: Marcel
Dekker, 1989).
18. Belkin I.M., Vinogradov G.V., Leonov A.I.
Rotary instruments. Measurement of viscosity
and physico-mechanical characteristics of mate-
rials. (Moskva: Mashinostroenie, 1968).
Надійшла 21.01.2019
А.С.Макаров, Д.Ю.Садовський, К.В.Макарова, О.І.Єгурнов
46 ISSN 0041-6045. УКР. ХІМ. ЖУРН., 2019, т. 85, № 1
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-14 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:02:19Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/6d/e74debbb681bdbd5d8c7b1c0d16a146d.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-142026-07-22T08:23:39Z RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES Makarov, Anatolii Semenovych Sadovskyi, Dmytro Yuriiovych Makarova, Kateryna Viktorivna Ehurnov, Oleksandr Ivanovych glycerol, rheological characteristics, coal-organic suspension, pyrolysis products, recycling. As a result of studying the rheological properties of coal suspensions with a water-glycerol dispersion media, it was established that with an increase of the stage of coal metamorphism, that is, from the transition from lignite coal to anthracite, the suspensions are characterized by lower values of effective viscosity with the same mass content of the dispersed phase. Dependence of granulometric composition of coal suspensions depending on concentration of glycerol in them was determined. Coal suspensions of varying degrees of metamorphism have been obtained using as a dispersion media glycerol, pyrolysis products of  high molecular weight polymers and water in various ratios with a maximum content of coal of 60% by weight. and permissible viscosity (up to 1.5 Pa · s). It is important that water-glycerol suspensions of coal do not decompose within a week when stored in static conditions, even in the absence of stabilizing reagents. In this case, water-cooled suspensions under the same conditions are stable for no more than 24 hours. The structure of the sedimentation of coal suspensions also depends on the nature of the dispersion media. If in systems with glycerol content it is rather loose, then in the case of coal-water suspensions - a dense. In the case of hermetic storage, the viscosity of water-glycerol suspensions after stratification is easy to restore by simple mixing. Also, the advantage of preparing of coal disperse systems with the content of glycerol is much higher values of it caloric content, compared with coal-water. It iwas shown that these fuel disperse systems have high stability and caloric content, which at high solids content and pyrolysis products is close to or exceeds the output coal. The resulting suspensions have a much higher caloric content than similar coal-water, and are characterized by low emissions of harmful gases during combustion. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2019-02-15 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/14 10.33609/0041-6045.85.1.2019.38-46 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 85 No. 1 (2019): Ukrainian Chemistry Journal; 38-46 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 85 ##issue.no## 1 (2019): Украинский химический журнал; 38-46 Український хімічний журнал; Том 85 № 1 (2019): Український хімічний журнал; 38-46 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/14/5 Copyright (c) 2019 Anatolii Semenovych Makarov, Dmytro Yuriiovych Sadovskyi, Kateryna Viktorivna Makarova, Oleksandr Ivanovych Ehurnov https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Makarov, Anatolii Semenovych Sadovskyi, Dmytro Yuriiovych Makarova, Kateryna Viktorivna Ehurnov, Oleksandr Ivanovych RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title | RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title_full | RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title_fullStr | RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title_full_unstemmed | RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title_short | RHEOLOGICAL PROPERTIES AND STABILITY OF COAL-ORGANIC-WATER DISPERSED SYSTEMS BASED ON COAL OF DIFFERENT METAMORPHIC GRADES |
| title_sort | rheological properties and stability of coal-organic-water dispersed systems based on coal of different metamorphic grades |
| topic_facet | glycerol rheological characteristics coal-organic suspension pyrolysis products recycling. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/14 |
| work_keys_str_mv | AT makarovanatoliisemenovych rheologicalpropertiesandstabilityofcoalorganicwaterdispersedsystemsbasedoncoalofdifferentmetamorphicgrades AT sadovskyidmytroyuriiovych rheologicalpropertiesandstabilityofcoalorganicwaterdispersedsystemsbasedoncoalofdifferentmetamorphicgrades AT makarovakaterynaviktorivna rheologicalpropertiesandstabilityofcoalorganicwaterdispersedsystemsbasedoncoalofdifferentmetamorphicgrades AT ehurnovoleksandrivanovych rheologicalpropertiesandstabilityofcoalorganicwaterdispersedsystemsbasedoncoalofdifferentmetamorphicgrades |