STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS

The study investigated the potential of stabilizing composite water-coal fuel (CWCF) by adding carbon micro-nanomaterials obtained through the plasma-chemical conversion of organics-containing wastewater and amino alcohols. The study focused on systems based on anthracite with a solid phase concentr...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2023
Main Author: Klishchenko, Roman
Format: Article
Language:English
Published: V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2023
Online Access:https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/585
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Ukrainian Chemistry Journal
Download file: Pdf

Institution

Ukrainian Chemistry Journal
_version_ 1871465981064249344
author Klishchenko, Roman
author_facet Klishchenko, Roman
author_institution_txt_mv [ { "author": "Roman Klishchenko", "institution": "Інститут колоїдної хімії та хімії води НАН України" } ]
author_sort Klishchenko, Roman
baseUrl_str https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-22T08:23:52Z
description The study investigated the potential of stabilizing composite water-coal fuel (CWCF) by adding carbon micro-nanomaterials obtained through the plasma-chemical conversion of organics-containing wastewater and amino alcohols. The study focused on systems based on anthracite with a solid phase concentration of 62%. Two amino alcohols, 2-amino-­2-methyl-1-propanol (AMP) and 2-amino-­2-ethyl-1,3-propanediol (AEPD) were used at concentrations of 0.25%, 0.5%, 1%, and 2.5% by weight of CWCF. The low stability and heterogeneity of coal particle distribution in organic liquids cause an increase in the viscosity of dispersed systems in combined systems. To regulate the rheological properties and stabilize the CWCF, chemicals such as dispersants, plasticizers, and stabili­zers are added. The CWCF 's properties can be improved by using additives such as sodium, calcium, and magnesium lignosulfonates, and naphthalene sulfonic acids. However, these reagents may not provide the desired properties of coal slurries in organomineral environments. Therefore, substitutes for these pro­ducts need to be found. Amino alcohols are commonly used as dispersants and stabilizers, especially in the production of water-based paints. They are low in cost, low in toxicity, and serve as anti-corrosive agents and pH stabilizers without causing excessive foaming. To strengthen the spatial structure, reactive particles such as carbon micro- and nanomaterials (CNM) can be introduced into the CWCF. Unlike polyelectrolytes and surfactants, CNM particles can have a varying number of active centers depending on the method of formation. By varying the properties of CNMs, it is possible to increase the number of contact centers and form a spatial grid without increasing the concentration of surfactants and polyelectrolytes. This is because contact interactions are activated during grinding, forming a new surface with energy-saturated active centers. As a result, the concentration of the system can be increased, and the calorific value of the fuel can be increased as well. However, the presence of an organic component can render mechanochemical activation ineffective by shielding active sites with large organic molecules. Therefore, identifying the most effective stabilizer reagents and deve­loping technology for their introduction into the dispersed system is a crucial and intricate problem in obtaining CWCF The study revealed that the ξ potential of anthracite particles is 40–45 mV in the pre­sence of amino alcohols. Sedimentation stabi­lity in the presence of highly dispersed carbon additives increases from 5–6 to 10–14 days, i.e., almost twice. The introduction of highly dispersed carbon leads to an increase in the effective viscosity of the systems and can be recommended for controlling the fluidity of the CWCF. The technical and operational requirements are best met by the CWCF containing 0.25% AMR and 1% highly dispersed carbon.
doi_str_mv 10.33609/2708-129X.89.09.2023.3-13
first_indexed 2025-09-24T17:43:53Z
format Article
fulltext 3 УДК 544. 77: 622. 33+622. 693 doi: 10.33609/2708-129X.89.09.2023.3-13 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВ Р. Кліщенко e-mail: pakhartikhhv34@gmail.com Вивчено можливість стабілізації композиційного водовугільного палива за допо- могою добавок карбонових мікро- наноматеріалів, отриманих шляхом плазмохімічної конверсії органовмісних стічних вод, та аміноспиртів. Досліджено системи на основі антрациту з концентрацією твердої фази 62%. Як аміноспирти застосовували 2-амі- но-2-метил-1-пропанол (АМР) та 2-аміно-2-етил-1,3-пропандіол (AEPD). Аміноспир- ти додавали до КВП у концентраціях 0,25; 0,5; 1 та 2,5% на масу КВП. Встановлено, що ξ-потенціал частинок антрациту за наявності аміноспиртів ста- новить за абсолютною величиною 40–45 мВ. Седиментаційна стійкість за присутності добавок високодисперсного карбону зростає з 5–6 до 10–14 діб, тобто практично вдві- чі. Введення високодисперсного карбону призводить до зростання ефективної в’язко- сті систем і може бути рекомендованим для регулювання плинності КВП. Техніко-екс- плуатаційним вимогам найкраще задовольняє КПВ, до складу якої входить 0,25% АМР та 1% високодисперсного карбону. Ключові слова: композиційне водовугільне паливо, антрацит, аміноспирт, мікро- нанокарбон, седиментація, ефективна в’язкість. ВСТУП. Виробництво часто пов’язано з утворенням рідких органічних відходів, ча- сто токсичних і вогненебезпечних. Такі вто- ринні ресурси є привабливою потенційною базою для приготування паливних дисперс- них систем на основі природного вугілля. Композиційное водовугільне паливо (КВП) є реальною альтернативою не тільки твер- дому вугіллю, а й може слугувати замінни- ком мазуту та дизельного палива. На жаль, основні дослідження КВП донедавна було сфокусовано на властивостях водного се- редовища та його неорганічних складових [1–3]. Тим часом введення органічних скла- дових у дисперсійне середовище є одним зі способів поліпшити його енергетичну цін- ність та комплексно вирішити проблему раціонального використання техногенних відходів [2, 4]. Проблемою комбінованих систем є низь- ка стабільність та неоднорідність розподілу частинок вугілля в органічних рідинах, що призводить до зростання в’язкості дисперс них систем, тому для регулювання реоло- гічних властивостей та стабілізації КВП застосовують добавки хімічних реагентів (диспергаторів, пластифікаторів, стабілі- заторів) [1–3, 5, 6]. До числа добавок, які 4 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВФІЗИЧНА ХІМІЯ застосовують найбільш широко, належать лігносульфонати натрію, кальцію і магнію, нафталінсульфокислоти (С-3, НФ, Дофен), які ефективно поліпшують властивості КВП [2, 3]. Однак їхнє виробництво лока- лізовано здебільшого у Російській Федера- ції і постачання їх припинено. Тому постає питання пошуку замінників цих продуктів. Одними з диспергаторів та стабілізато- рів, які найчастіше застосовують, зокрема, у виробництві водоемульсійних фарб, є аміноспирти [7]. Вони малотоксичні, по- рівняно дешеві, не викликають надмірного піноутворення та слугують антикорозійни- ми агентами і стабілізаторами рН. Альтер- нативним шляхом зміцнення просторової структури є також введення до КВП реак- ційноздатних частинок типу карбонових мікро- та наноматеріалів – нановуглецево- го матеріалу (НВМ). На відміну від полі електролітів та ПАР, молекули яких мають фіксовану кількість активних груп, частин- ки НВМ, залежно від способу формування, можуть мати різне число активних центрів. Тому не підвищуючи концентрацію ПАР та поліелектролітів за допомогою варію- вання властивостей НВМ, можна досягти збільшення числа контактних центрів для формуванні просторової сітки. Це пов’яза- но з активацією контактних взаємодій під час помелу та утворення нової поверхні з енергоненасиченими активними центра- ми, що дозволяє підвищити концентрацію системи, а також збільшити теплотворну здатність палива завдяки каталітичним властивостям НВМ [8, 9]. Але за присут- ності органічної складової механохімічна активація може бути неефективною через екранування активних центрів великороз- мірними органічними молекулами. Тому встановлення найбільш ефективних реа- гентів-стабілізаторів і технології їхнього введення в дисперсну систему є дуже важ- ливою та складною проблемою при отри- манні КВП. Метою роботи є визначення можливості стабілізації КВП на основі антрациту за до- помогою добавок НВМ та аміноспиртів. ЕКСПЕРИМЕНТ ТА ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ. Як об’єкт дослідження ви- користовували КВП на основі антрациту одного з родовищ України зі вмістом твер- дої фази 62 %. мас. Вихідне вугілля мололи на валковому млині та фракціонували на ситах СЛМ 200 для одержання однорідної дисперсності та гранулометричного складу: фракція 250–100 мкм – 41%, 100–40  мкм – 27%, 40–1 мкм – 31%. Технічний та елемент- ний аналіз антрациту наведено в табл.1. Таблиця 1 Технічний та елементний аналіз антрациту для приготування КВП Table 1. Technical and elemental analysis of anthracite used to make CWCF. Технічний аналіз, мас.% Елементний аналіз, % на daf Вологість Wa, % Зольність Ad, % Леткі речовини Vdaf,% C H N O S 9,8 9,3 43,8 96,4 2,1 0,1 1,1 0,3 5https://ucj.org.ua Р. Кліщенко УХЖ № 09 / ТОМ 89 Структурно-сорбційні характеристики мезопор (2–50 нм) вугільного порошку: густина (ρ = 1,76 г/см3), питома поверхня (Ssp = 2,47 м2/г), питомий об’єм пор (Vpore = 0,0025см3/г) і ефективний діаметр пор (dpore = 14,5 нм) було визначено методом DFT за даними низькотемпературної ад- сорбції N2 (77 К) на аналізаторі питомої по- верхні Quantachrome Autsorb із наступним обробленням даних програмним забезпе- ченням Quantachrome Іnstruments. v. 3.0. Для антрациту як найбільш метаморфі- зованого типу вугілля є характерним пере важання мікропор [10, 11]. Структурно- сорбційні характеристики мікропор (> 2 нм) питома поверхня (Ssp=139 ± 3 м2/г), питомий об’єм пор (Vpore = 27,8 ± 0,8 см3/г) і ефектив- ний діаметр пор (dpore = 1,82 ± 0,05 нм) визна- чали за результатами адсорбції CO2 методом Дубініна – Радушкевича [11]. Кількість поверхневих функціональ- них груп: COOH – 0,032 мг-екв/г; OH – 0,010  мг-екв/г; > C = O – 0,034 мг-екв/г) визначено титруванням за Боемом 0,05 М. NaOH, Na2CO3 і NaHCO3 [12]. Неорганічну складову антрациту за даними рентгенофа- зового аналізу (дифрактометр «ДРОН 2.0» із фільтрованим Со-випромінюванням) представлено переважно кварцом, піритом та глинистими мінералами. Для отримання КВП проводили гомоге нізацію порошку вугілля з дисперсійним середовищем (табл. 2). Як аміноспирти ви- користовували 2-аміно-2-метил-1-пропа- нол (АМР) CAS 124-68-5 та 2-аміно-2-етил- 1,3-пропандіол (AEPD) CAS 115-69-5. Амі- носпирти вводили до КВП у концентраціях 0,25; 0,5; 1 та 2,5% на масу КВП. Дисперсійним середовищем слугував зразок органовмісних стічних вод після промивання деталей технічного призна- чення, склад яких наведено в таблиці 2. Крім вищезазначених компонентів зразки містять < 5 мг\дм3 НПАР із групи етокси- льованих жирних спиртів. Таблиця 2 Склад органовмісної стічної води для приготування КВП Table 2. Composition of organics-containing wastewater for the preparation of CWCF. Компонент, C, мг\дм3 SO4 2- 34,8 Cl- 74,4 HCO3 - + СО3 2- 262,1 дизельне пальне (вуглеводні С10-С14) 13,1 ксилол + толуол 0,75 Плазмохімічне оброблення стічних вод для приготування НВМ виконува- ли у реакторі, схему якого наведено у [13]. НВМ формується як результат де- струкції органічних компонентів стіч- ної води шляхом конденсації нової фази. Гранулометричний склад НВМ вимі- рювали на приладі і за методикою SOPAT. Переважають частинки розміром від 1 до 5 мкм (67 %), водночас присутні частинки 6 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВФІЗИЧНА ХІМІЯ субмікронних розмірів (33%). Докладний опис методики наведено в роботі [14]. Ви- значення величини ξ-потенціалу проводи- ли на установці і за методикою, яку наведе- но у [15]. Ефективну в’язкість ή зразків вимірюва- ли на приладі Rheotest-2 за t = 20˚C. Діапа- зон виміру швидкостей зсуву γ обмежував- ся значеннями 1–250 с-1 . Седиментаційну стійкість St вивчали за часом розшарування проби КВП у мірному циліндрі. Для антрациту є характерним доміну- вання органічної складової поверхні. Кіль- кість мінеральних включень є невеликою, порівняно з менш метаморфізованими сор- тами вугілля. Основними потенціалутво- рюючими групами є гідроксильні, феноль- ні, лактонні, карбоксильні. Аміноспирти формують слабколужне дисперсійне сере- довище і можна очікувати зростання дис- оціації груп – донорів Н+ – іонів вугільної поверхні (-ОН,-O-R –СООН, > C=O) та зростання величини ξ-потенціалу. Це, сво- єю чергою, підсилює іонно-електростатич- ний фактор стабілізації суспензій. У табл. 3 наведено дані величини ξ-по- тенціалу зразків КВП суспензій з різним вмістом аміноспиртів для антрациту. Таблиця 3 Величини рН дисперсійного середовища та ξ-потенціалу частинок дисперсної фази зразків КВП із різним вмістом аміноспиртів Table 3. The values of pH of the dispersion medium and ξ-potential of the particles of the dispersed phase of the CWCF samples as a function of amino alcohol content. Марка вугілля С аміноспирту, % pH КВП Ξ-потенціал, мВ АМР AEPD АМР AEPD A 0 6,56 6,56 -25 -25 0,25 7,28 7,12 -32 -27 0,5 7,65 7,51 -35 -30 1 8,01 7,87 -41 -38 2,5 8,55 8,10 -45 -44 У слабколужному середовищі частин- ки антрациту мають негативний заряд за рахунок дисоціації кислих поверхневих груп. Додавання аміноспиртів дещо підви- щує ξ-потенціал частинок вугілля за раху- нок інтенсифікації зв’язування Н+ – іонів, десорбованих вугільною поверхнею. Дія АМР є дещо помітнішою, ніж AEPD. Моле- кула останнього відрізняється додатковою ОН-групою як замісником, тому лужність AEPD є дещо зниженою. Крім цього, дещо більша розгалуженість молекули AEPD викликає більші просторові перепони за взаємодії з поверхнею вугільної частинки. Якщо для частинок менше 10 мкм знайде- ні значення ξ-потенціалу 40–45 мВ можуть бути достатніми для стабілізації, то при- сутні у суспензії КВП частинки розміром > 50 мкм не стабілізовані і можуть осаджу- ватися. 7https://ucj.org.ua Р. Кліщенко УХЖ № 09 / ТОМ 89 Оскільки іонно-електростатичне від- штовхування не достатнє для стабілізації отриманих зразків КВП за низьких концен- трацій аміноспиртів (табл. 3), було дослі- джено вплив добавок НВМ. Таблиця 4 Седиментаційна стійкість КВП для систем антрацит – АМР, антрацит – АЕРD без та з додаванням НВМ Table 4 Sedimentation stability of CWCF for anthracite – AMP, anthracite – AEPD systems without and with the addition of CNM. Марка вугілля С аміноспирту, % St, доби без НВМ із додаванням 1% НВМ АМР AEPD АМР AEPD A 0 0,25 0,25 1 1 0,25 2 2 4 3 0,5 3 3 6 4 1 5 5 10 6 2 6 6 14 10 Як видно з даних табл. 4, седиментаційна стійкість систем антрацит – АМР та антра- цит – АЕРD є практично однаковою і зро- стає зі збільшенням концентрації аміно- спирту. Для КВП в умовах зберігання при- йнятною є St не менше 5–7 діб. Це є дійсним лише для зразків із підвищеною концентра- цією АМР та АЕРD. КВП із меншим вміс- том цих добавок бажано використовувати відразу після приготування. Седиментаційна стійкість систем антра- цит – АМР та антрацит – АЕРD відчутно підвищується (~ вдвічі) при додаванні у систему 1% НВМ і дає можливість забезпе- чити бажану St при зменшеній витраті амі- ноалкоголів. Ці феномени пов’язані з тим, що про- сторова 3-D сітка у випадку ПАР на основі аміноспиртів формується за допомогою, в основному, водневих зв’язків, тоді як час- тинки НВМ взаємодіють за допомогою сил міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ва- альса). Енергія водневих зв’язків перевищує сили Ван-дер-Ваальса (6–130 кДж/моль про- ти 10–20 кДж/моль) тому, хоча просторова сітка у випадку ПАР із розгалуженою будо- вою міцніша, але й дуже підвищує в’язкість. До того ж, ПАР на основі аміноспиртів з активними гідрофільними групами (-ОН, -NH2,) зазвичай добре працюють у високо- полярних середовищах (H2O), що зумовлено легкою дисоціацією цих груп. Між частинками НВМ та антрацитом реалізується, в основному, дисперсійна (лондонівська взаємодія), котра залежить від константи Гамакера і у низькополярних середовищах може забезпечити бажану стабільність КВП при збереженні плиннос- ті за рахунок зменшення в’язкості. Оскіль- ки дисперсійні (та індукційні) взаємодії 8 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВФІЗИЧНА ХІМІЯ обернено пропорційні шостому ступеню відстані між поверхнями, то їхня реаліза- ція у системах із НВМ зумовлена малими розмірами та можливістю частинок НВМ впритул наближатися до поверхні дисперс- ної фази. При цьому формується просторо- ва структурна сітка, котра може втримува- ти частинки дисперсної фази від агрегації та седиментації навіть у випадку досить ве- ликих (> 50 мкм) частинок (рис 1). Рис. 1  Седиментація полідисперсних систем без добавок стабілізаторів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів та НВМ Fig. 1  Sedimentation of polydisperse systems without stabilizer additives, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, and CNM. зв’язків, тоді як частинки НВМ взаємодіють за допомогою сил міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса). Енергія водневих зв’язків перевищує сили Ван-дер-Ваальса (6–130 кДж/моль проти 10–20 кДж/моль) тому, хоча просторова сітка у випадку ПАР із розгалуженою будовою міцніша, але й дуже підвищує в’язкість. До того ж, ПАР на основі аміноспиртів з активними гідрофільними групами (-ОН, -NH2,) зазвичай добре працюють у високополярних середовищах (H2O), що зумовлено легкою дисоціацією цих груп. Між частинками НВМ та антрацитом реалізується, в основному, дисперсійна (лондонівська взаємодія), котра залежить від константи Гамакера і у низькополярних середовищах може забезпечити бажану стабільність КВП при збереженні плинності за рахунок зменшення в’язкості. Оскільки дисперсійні (та індукційні) взаємодії обернено пропорційні шостому ступеню відстані між поверхнями, то їхня реалізація у системах із НВМ зумовлена малими розмірами та можливістю частинок НВМ впритул наближатися до поверхні дисперсної фази. При цьому формується просторова структурна сітка, котра може втримувати частинки дисперсної фази від агрегації та седиментації навіть у випадку досить великих (> 50 мкм) частинок (рис 1). Рис. 1 Седиментація полідисперсних систем без добавок стабілізаторів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів та НВМ Fig. 1 Sedimentation of polydisperse systems without stabilizer additives, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, and CNM. Важливими фізико-хімічними та технологічними показниками є реологічні властивості КВП. Їх визначають за типом, гранулометричним зв’язків, тоді як частинки НВМ взаємодіють за допомогою сил міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса). Енергія водневих зв’язків перевищує сили Ван-дер-Ваальса (6–130 кДж/моль проти 10–20 кДж/моль) тому, хоча просторова сітка у випадку ПАР із розгалуженою будовою міцніша, але й дуже підвищує в’язкість. До того ж, ПАР на основі аміноспиртів з активними гідрофільними групами (-ОН, -NH2,) зазвичай добре працюють у високополярних середовищах (H2O), що зумовлено легкою дисоціацією цих груп. Між частинками НВМ та антрацитом реалізується, в основному, дисперсійна (лондонівська взаємодія), котра залежить від константи Гамакера і у низькополярних середовищах може забезпечити бажану стабільність КВП при збереженні плинності за рахунок зменшення в’язкості. Оскільки дисперсійні (та індукційні) взаємодії обернено пропорційні шостому ступеню відстані між поверхнями, то їхня реалізація у системах із НВМ зумовлена малими розмірами та можливістю частинок НВМ впритул наближатися до поверхні дисперсної фази. При цьому формується просторова структурна сітка, котра може втримувати частинки дисперсної фази від агрегації та седиментації навіть у випадку досить великих (> 50 мкм) частинок (рис 1). Рис. 1 Седиментація полідисперсних систем без добавок стабілізаторів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів та НВМ Fig. 1 Sedimentation of polydisperse systems without stabilizer additives, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, and CNM. Важливими фізико-хімічними та технологічними показниками є реологічні властивості КВП. Їх визначають за типом, гранулометричним зв’язків, тоді як частинки НВМ взаємодіють за допомогою сил міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса). Енергія водневих зв’язків перевищує сили Ван-дер-Ваальса (6–130 кДж/моль проти 10–20 кДж/моль) тому, хоча просторова сітка у випадку ПАР із розгалуженою будовою міцніша, але й дуже підвищує в’язкість. До того ж, ПАР на основі аміноспиртів з активними гідрофільними групами (-ОН, -NH2,) зазвичай добре працюють у високополярних середовищах (H2O), що зумовлено легкою дисоціацією цих груп. Між частинками НВМ та антрацитом реалізується, в основному, дисперсійна (лондонівська взаємодія), котра залежить від константи Гамакера і у низькополярних середовищах може забезпечити бажану стабільність КВП при збереженні плинності за рахунок зменшення в’язкості. Оскільки дисперсійні (та індукційні) взаємодії обернено пропорційні шостому ступеню відстані між поверхнями, то їхня реалізація у системах із НВМ зумовлена малими розмірами та можливістю частинок НВМ впритул наближатися до поверхні дисперсної фази. При цьому формується просторова структурна сітка, котра може втримувати частинки дисперсної фази від агрегації та седиментації навіть у випадку досить великих (> 50 мкм) частинок (рис 1). Рис. 1 Седиментація полідисперсних систем без добавок стабілізаторів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів, стабілізована ПАР на основі аміноспиртів та НВМ Fig. 1 Sedimentation of polydisperse systems without stabilizer additives, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, stabilized with an amine alcohol-based surfactant, and CNM. Важливими фізико-хімічними та технологічними показниками є реологічні властивості КВП. Їх визначають за типом, гранулометричним Важливими фізико-хімічними та техно- логічними показниками є реологічні вла- стивості КВП. Їх визначають за типом, гра- нулометричним складом та концентрацією частинок твердої фази. Ці показники у екс- периментах були незмінними. Варіювалися тип та концентрація аміноспиртів у систе- мах без та з додаванням НВМ. Таблиця 5 Ефективна в’язкість ή у діапазоні швидкостей зсуву γ 1–243 с-1 для систем антрацит – АМР Table 5 Effective viscosity ή in the range of shear rates γ 1–243 s-1 for anthracite – AMP systems. γ, с-1 С (АМР), % С (АМР), % + 1% НВМ 0,25 0,5 1 2,5 0,25 0,5 1 2,5 ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с 1 2,24 2,12 2,02 2,08 2,45 3,05 3,88 5,41 1,8 1,82 1,75 1,62 1,67 2,28 2,92 3,32 5,01 3 1,65 1,58 1,47 1,51 2,07 2,54 2,88 4,77 9https://ucj.org.ua Р. Кліщенко УХЖ № 09 / ТОМ 89 γ, с-1 С (АМР), % С (АМР), % + 1% НВМ 0,25 0,5 1 2,5 0,25 0,5 1 2,5 ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с 5,4 1,21 1,15 1,03 1,22 1,87 2,27 2,50 4,30 9 1,12 1,05 0,94 0,96 1,62 1,95 2,24 3,86 16,2 1,03 0,96 0,88 0,91 1,35 1,58 2,09 3,59 27 0,98 0,91 0,78 0,8 1,20 1,31 1,90 3,10 48,6 0,91 0,81 0,72 0,73 0,98 1,02 1,45 2,84 81 0,8 0,74 0,69 0,72 0,85 0,94 1,00 2,14 145,8 0,72 0,69 0,68 0,70 0,73 0,78 0,88 1,23 243 0,70 0,68 0,68 0,70 0,72 0,74 0,80 0,87 Таблиця 6 Ефективна в’язкість ή у діапазоні швидкостей зсуву γ 1–243 с-1 для систем антрацит – АЕРD Table 6 Effective viscosity ή in the range of shear rates γ 1–243 s-1 for anthracite – AEPD systems. γ, с-1 С (АЕРD), % С (АЕРD), % + 1% НВМ 0,25 0,5 1 2,5 0,25 0,5 1 2,5 ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с ή, Па·с 1 2,31 2,32 2,30 2,48 2,61 3,12 3,78 4,52 1,8 1,87 1,88 1,90 2,10 2,40 2,86 3,20 4,19 3 1,72 1,73 1,77 1,85 2,20 2,70 2,75 3,65 5,4 1,28 1,35 1,40 1,44 2,04 2,51 2,32 3,22 9 1,21 1,25 1,24 1,26 1,90 2,25 2,17 2,95 16,2 1,10 1,12 1,07 1,01 1,65 1,98 2,00 2,60 27 1,04 1,06 0,94 0,88 1,37 1,52 1,88 2,22 48,6 0,95 0,95 0,85 0,83 1,01 1,15 1,51 1,64 81 0,82 0,85 0,80 0,75 0,87 0,99 1,03 0,98 145,8 0,74 0,74 0,71 0,70 0,74 0,83 0,87 0,85 243 0,72 0,73 0,70 0,68 0,74 0,77 0,81 0,84 Таблиця 5 Table 5 10 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВФІЗИЧНА ХІМІЯ Як видно з табл. 5, 6, всі досліджені систе- ми демонструють псевдопластичний харак- тер реологічної поведінки. Зі зростанням γ ή КВП зменшується. При γ понад 100 с-1 псевдопластичний характер течії зміню- ється на ньютонівський, тобто структура системи руйнується. Системи з АМР дещо стійкіші, ніж системи з АЕРD. Модифіку- вання КВП за допомогою НВМ дозволяє підвищити як ή, так і критичну щвидкість зсуву, при досягненні якої спостерігається руйнування структури. Порівняння ефективної в’язкості ή во- довугільних суспензій паливного призна- чення прийнято здійснювати за швидкості зсуву γ = 9 с-1. Для забезпечення бажаних експлуатаційних характеристик КВП по- винно мати ή у межах 1,5–1,65 Па·с. Як вид- но з табл. 5, цій вимозі задовольняє КПВ, до складу якої входить 0,25% АМР та 1% НВМ. Седиментаційна стійкість цієї сис- теми складає 4 доби (табл. 4). і таке КВП можна застосовувати за умови нетривалого зберігання. ВИСНОВКИ. Вивчено можливість ста- білізації композиційного водовугільного палива за допомогою добавок карбонових мікронаноматеріалів, отриманих шляхом плазмохімічної конверсії органовмісних стічних вод, та аміноспиртів. Встановлено що ξ-потенціал частинок антрациту за при- сутності аміноспиртів становить за абсо- лютною величиною 40–45 мВ. Седимента- ційна стійкість за присутності добавок ви- сокодисперсного карбону зростає з 5–6 до 10–14 діб, тобто практично вдвічі. Введен- ня високодисперсного карбону призводить до зростання ефективної в’язкості систем і може бути рекомендованим для регулю- вання плинності КВП. Техніко-експлуата ційним вимогам найкраще задовольняє КПВ, до складу якої входить 0,25% АМР та 1% високодисперсного карбону. Роботу виконано в межах держбю- джетної теми «Дослідження впливу фізико-хімічних факторів на проце- си структуроутворення у компози- ційних карбонвмісних дисперсних системах», державний реєстрацій- ний номер: 0122U000179. STABILIZATION OF WATER-COAL COMPOSITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS. R. Klishchenko e-mail: pakhartikhhv34@gmail.com The study investigated the potential of sta- bilizing composite water-coal fuel (CWCF) by adding carbon micro-nanomaterials obtained through the plasma-chemical conversion of organics-containing wastewater and amino al- cohols. The study focused on systems based on anthracite with a solid phase concentration of 62%. Two amino alcohols, 2-amino-2-methyl- 1-propanol (AMP) and 2-amino-2-ethyl-1,3- propanediol (AEPD) were used at concentra- tions of 0.25%, 0.5%, 1%, and 2.5% by weight of CWCF. The low stability and heterogeneity of coal particle distribution in organic liquids cause an increase in the viscosity of dispersed systems in combined systems. To regulate the rheological properties and stabilize the CWCF, chemicals such as dispersants, plasticizers, and stabili zers are added. The CWCF 's properties can be 11https://ucj.org.ua Р. Кліщенко УХЖ № 09 / ТОМ 89 improved by using additives such as sodium, calcium, and magnesium lignosulfonates, and naphthalene sulfonic acids. However, these rea- gents may not provide the desired properties of coal slurries in organomineral environments. Therefore, substitutes for these products need to be found. Amino alcohols are commonly used as dis- persants and stabilizers, especially in the pro- duction of water-based paints. They are low in cost, low in toxicity, and serve as anti-corro- sive agents and pH stabilizers without causing excessive foaming. To strengthen the spatial structure, reactive particles such as carbon micro- and nanomaterials (CNM) can be in- troduced into the CWCF. Unlike polyelectro- lytes and surfactants, CNM particles can have a varying number of active centers depending on the method of formation. By varying the properties of CNMs, it is possible to increase the number of contact centers and form a spa- tial grid without increasing the concentration of surfactants and polyelectrolytes. This is be- cause contact interactions are activated during grinding, forming a new surface with ener- gy-saturated active centers. As a result, the con- centration of the system can be increased, and the calorific value of the fuel can be increased as well. However, the presence of an organic component can render mechanochemical acti- vation ineffective by shielding active sites with large organic molecules. Therefore, identifying the most effective stabilizer reagents and deve loping technology for their introduction into the dispersed system is a crucial and intricate problem in obtaining CWCF The study revealed that the ξ potential of anthracite particles is 40–45 mV in the pre sence of amino alcohols. Sedimentation stabi lity in the presence of highly dispersed carbon additives increases from 5–6 to 10–14 days, i.e., almost twice. The introduction of highly dispersed carbon leads to an increase in the ef- fective viscosity of the systems and can be rec- ommended for controlling the fluidity of the CWCF. The technical and operational require- ments are best met by the CWCF containing 0.25% AMR and 1% highly dispersed carbon. Keywords: composite water-coal fuel, ami- no alcohol, micro-nanocarbon, sedimentation, effective viscosity. ЛІТЕРАТУРА 1. Li Dedi, Liu Jianzhong, Wang Shuangni, Cheng Jun. Study on coal water slurries prepared from coal chemical wastewater and their industrial application. Applied Energy. 2020. 268. P. 114976. doi. /10.1016/j.apenergy.2020.114976 2. Makarov A. S., Boruk S. D., Egurnov A. I., Dimitryuk T. N., Klishchenko R. E. Utilization of industrial wastewater in production of coal- water fuel. J. Water Chem. Technol. 2014. 36. P. 180–3. doi./10.3103/S1063455X14040055. 3. Liu J. Z., Wang S. N., Li N., Wang Y., Li D. D., Cen K. F. Effects of metal ions inorganic wastewater on coal water slurry and dispersant properties. Energy Fuels. 2019. 33. P. 7110–7. doi./10.1021/acs.energyfuels.9b01146. 4. Kuznetsov G. V., Syrodoy S. V., Purin M. V., Zenkov A. V., Gvozdyakov D. V., Larionov K. B. Justifcation of the possibility of car tires recycling as part of coal-water composites. Journal of Environmental Chemical Enginee ring, 2021. 9. P. 1–20. doi: 10.1016/j.jece.2020.104741 5. Lin Song; Liu, Zhentang Zhao, Enlai Qian, Jifa Li, Xiaoliang Zhang, Qiming Ali, Muhammad. A study on the FTIR spectra of pre- and post- explosion coal dust to evaluate the effect of functional groups on dust explosion. Process 12 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 СТАБІЛІЗАЦІЯ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЗА ДОПОМОГОЮ ВУГЛЕЦЕВОГО МІКРОНАНОМАТЕРІАЛУ ТА АМІНОСПИРТІВФІЗИЧНА ХІМІЯ Safety and Environmental Protection. 2019. 130:30712–30728. doi: 10.1016/j.psep.2019.07.018 6. Zhang W. B., Luo J., Huang Y., Zhang C., Du L., Guo J. Synthesis of a novel dispersant with topological structure by using humic acid as raw material and its application in coal water slurry preparation. Fuel. 2020. 262. P. 116576. doi. 10.1016/j.fuel.2019.116576. 7. Burnett C. L., Bergfeld W. F., Belsito D. V., Klaa ssen C. D., Marks J. G., Shank R. C., Slaga T. J., Snyder P. W., Alan Andersen F. Final Amended Report on Safety Assessment on Aminomethyl Propanol and Aminomethyl Propanediol. International Journal of Toxicology. 2009. 28 (6). P. 141–161. doi:10.1177/1091581809350932 8. Testa Caterina, Zammataro Agatino, Pappa lardo Andrea, Trusso Sfrazzetto Giuseppe. Catalysis with carbon nanoparticles, RSC Advances. 2019. 9. (47). doi: 10.1039/c9ra05689k 9. Zammataro A., Sfrazzetto G. T. Carbon Dots as Catalysts: A New Class of Nanozymes. Current Organocatalysis. 2019. 7. (1). doi: 10.2174/2213337206666190702165008 10. Wang R. K., Ma Q. Q., Zhao Z., Ye X. M., Jin Q., Zhao Z. H. Adsorption of surfactants on coal surfaces in the coking wastewater environment: kinetics and effects on the slurrying properties of coking wastewater-coal slurry. Ind. Eng. Chem. Res. 2019. 58. P. 12825–34. doi./10.1021/acs.iecr.9b01829. 11. Kim Hae Jung, Shi Yao, He Junwei, Lee Hy eon-Hui, Lee Chang-Ha. Adsorption charac- teristics of CO2 and CH4 on dry and wet coal from subcritical to supercritical conditions. Chemical Engineering Journal. 2011. 171. (1). doi: 10.1016/j.cej.2011.03.035 12. Oickle A. M., Goertzen S. L., Hopper K. R., Abdalla Y. O., Andreas H. A. Standardization of the Boehm titration: Part II. Method of agitation, effect of filtering and dilute titrant. Carbon, 2010. 48. (4). P. 3313–3322. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.050. 13. Goncharuk V., Klishchenko R., Kornienko I. Destruction of GT Azo Active Orange Dye in the Flow-Through Plasma-Chemical Reactor. Journal of Water Chemistry and Technology. 2018. 40 (4). P. 185–189. doi: 10.3103/S1063455X1706008X 14. Maaß S., Rojahn J., Hänsch R., Kraume  M. Automated drop detection using image ana lysis for online particle size monitoring in multiphase systems. Computers and chemical engineering. 2012. 45: P. 27–37. doi: 10.1016/j.compchemeng.2012.05.014. 15. Mishchuk N., Kornilovich B., Klishchenko R. pH regulation as a method of intensification soil electroremediation. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2007. 306. (1–3). P. 171–179. doi:10.1016/j.colsurfa.2007.03.014 REFERENCES 1. Li Dedi, Liu Jianzhong, Wang Shuangni, Cheng Jun. Study on coal water slurries prepared from coal chemical wastewater and their industrial application. Applied Energy. 2020. 268: 114976. doi. /10.1016/j.apenergy.2020.114976 2. Makarov A.S., Boruk S.D., Egurnov A.I., Dimitryuk T.N., Klishchenko R.E. Utilization of industrial wastewater in production of coal- water fuel. J. Water Chem Technol. 2014. 36: 180–3. doi./10.3103/S1063455X14040055. 3. Liu J.Z., Wang S.N., Li N., Wang Y., Li D.D., Cen K.F. Effects of metal ions inorganic wastewater on coal water slurry and dispersant properties. Energy Fuels. 2019. 33: 7110–7. doi./10.1021/acs.energyfuels.9b01146. 4. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Purin M.V., Zenkov A.V., Gvozdyakov D. V., Larionov K.B. Justifcation of the possibility of car tires recycling as part of coal-water composites. Journal of Environmental Chemical Enginee ring, 2021. 9: 1–20. 13https://ucj.org.ua Р. Кліщенко УХЖ № 09 / ТОМ 89 doi: 10.1016/j.jece.2020.104741 5. Lin Song; Liu, Zhentang Zhao, Enlai Qian, Jifa Li, Xiaoliang Zhang, Qiming Ali, Muhammad. A study on the FTIR spectra of pre- and post- explosion coal dust to evaluate the effect of functional groups on dust explosion. Process Safety and Environmental Protection. 2019. 130:30712–30728. doi: 10.1016/j.psep.2019.07.018 6. Zhang W.B., Luo J., Huang Y., Zhang C., Du L., Guo J. Synthesis of a novel dispersant with topological structure by using humic acid as raw material and its application in coal water slurry preparation. Fuel. 2020. 262: 116576. doi. 10.1016/j.fuel.2019.116576. 7. Burnett C.L., Bergfeld W.F., Belsito D.V., Klaassen C.D., Marks J.G., Shank R.C., Slaga T.  J., Snyder P.W., Andersen F. A. Final Amended Report on Safety Assessment on Aminomethyl Propanol and Aminomethyl Propanediol. International Journal of Toxi cology. 2009. 28(6): 141–161. doi:10.1177/1091581809350932 8. Testa C., Zammataro A., Pappalardo A., Sfra zzetto G. T. Catalysis with carbon nanopar ticles. RSC Advances. 2019. 9. (47). 27659– 27664. doi: 10.1039/c9ra05689k 9. Zammataro, Agatino; Sfrazzetto G.T. Carbon Dots as Catalysts: A New Class of Nanozymes. Current Organocatalysis. 2020. 7(1). 3–6 doi: 10.2174/2213337206666190702165008 10. Wang R.K., Ma Q.Q., Zhao Z., Ye X.M., Jin Q., Zhao Z.H. Adsorption of surfactants on coal surfaces in the coking wastewater environ ment: kinetics and effects on the slurrying properties of coking wastewater-coal slurry. Ind. Eng. Chem. Res. 2019. 58: 12825–34. doi./10.1021/acs.iecr.9b01829. 11. Kim Hae Jung, Shi Yao, He Junwei, Lee Hyeon-Hui, Lee Chang-Ha. Adsorption characteristics of CO2 and CH4 on dry and wet coal from subcritical to supercritical conditions. Chemical Engineering Journal. 2011. 171(1): 45–53. doi: 10.1016/j.cej.2011.03.035 12. Oickle A.M., Goertzen S.L., Hopper K.R., Abdalla Y.O., Andreas H.A. Standardization of the Boehm titration: Part II. Method of agitation, effect of filtering and dilute titrant. Carbon. 2010. 48(12): 3313–3322. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.050. 13. Goncharuk V., Klishchenko R., Kornienko I. Destruction of GT Azo Active Orange Dye in the Flow–Through Plasma–Chemical Reactor. Journal of Water Chemistry and Technology. 2018. 40(4): 185–189. doi: 10.3103/S1063455X1706008X 14. Maaß S., Rojahn J., Hänsch R., & Kraume M. Automated drop detection using image ana lysis for online particle size monitoring in multiphase systems. Computers & Chemical Engineering. 2012. 45: 27–37. doi: 10.1016/j.compchemeng.2012.05.014. 15. Mishchuk N., Kornilovich B., Klishchenko R. pH regulation as a method of intensification soil electroremediation. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2007. 306(1–3): 171–179. doi:10.1016/j.colsurfa.2007.03.014 Стаття надійшла 19.09.2023.
id oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-585
institution Ukrainian Chemistry Journal
keywords_txt_mv keywords
language English
last_indexed 2026-07-23T01:10:40Z
publishDate 2023
publisher V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
record_format ojs
resource_txt_mv ucjorgua/7e/c2e9384cf7e24a73f2123b129916ab7e.pdf
spelling oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-5852026-07-22T08:23:52Z STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS Klishchenko, Roman composite water-coal fuel, amino alcohol, micro-nanocarbon, sedimentation, effective viscosity. The study investigated the potential of stabilizing composite water-coal fuel (CWCF) by adding carbon micro-nanomaterials obtained through the plasma-chemical conversion of organics-containing wastewater and amino alcohols. The study focused on systems based on anthracite with a solid phase concentration of 62%. Two amino alcohols, 2-amino-­2-methyl-1-propanol (AMP) and 2-amino-­2-ethyl-1,3-propanediol (AEPD) were used at concentrations of 0.25%, 0.5%, 1%, and 2.5% by weight of CWCF. The low stability and heterogeneity of coal particle distribution in organic liquids cause an increase in the viscosity of dispersed systems in combined systems. To regulate the rheological properties and stabilize the CWCF, chemicals such as dispersants, plasticizers, and stabili­zers are added. The CWCF 's properties can be improved by using additives such as sodium, calcium, and magnesium lignosulfonates, and naphthalene sulfonic acids. However, these reagents may not provide the desired properties of coal slurries in organomineral environments. Therefore, substitutes for these pro­ducts need to be found. Amino alcohols are commonly used as dispersants and stabilizers, especially in the production of water-based paints. They are low in cost, low in toxicity, and serve as anti-corrosive agents and pH stabilizers without causing excessive foaming. To strengthen the spatial structure, reactive particles such as carbon micro- and nanomaterials (CNM) can be introduced into the CWCF. Unlike polyelectrolytes and surfactants, CNM particles can have a varying number of active centers depending on the method of formation. By varying the properties of CNMs, it is possible to increase the number of contact centers and form a spatial grid without increasing the concentration of surfactants and polyelectrolytes. This is because contact interactions are activated during grinding, forming a new surface with energy-saturated active centers. As a result, the concentration of the system can be increased, and the calorific value of the fuel can be increased as well. However, the presence of an organic component can render mechanochemical activation ineffective by shielding active sites with large organic molecules. Therefore, identifying the most effective stabilizer reagents and deve­loping technology for their introduction into the dispersed system is a crucial and intricate problem in obtaining CWCF The study revealed that the ξ potential of anthracite particles is 40–45 mV in the pre­sence of amino alcohols. Sedimentation stabi­lity in the presence of highly dispersed carbon additives increases from 5–6 to 10–14 days, i.e., almost twice. The introduction of highly dispersed carbon leads to an increase in the effective viscosity of the systems and can be recommended for controlling the fluidity of the CWCF. The technical and operational requirements are best met by the CWCF containing 0.25% AMR and 1% highly dispersed carbon. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2023-10-25 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/585 10.33609/2708-129X.89.09.2023.3-13 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 89 No. 9 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 3-13 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 89 ##issue.no## 9 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 3-13 Український хімічний журнал; Том 89 № 9 (2023): Український хімічний журнал; 3-13 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/585/297 Copyright (c) 2023 Roman Klishchenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0
spellingShingle Klishchenko, Roman
STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title_full STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title_fullStr STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title_full_unstemmed STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title_short STABILIZATION OF WATER-COAL COMPO­SITE FUELS USING CARBON MICRO-NANO­MATERIALS AND AMINO ALCOHOLS
title_sort stabilization of water-coal compo­site fuels using carbon micro-nano­materials and amino alcohols
topic_facet composite water-coal fuel
amino alcohol
micro-nanocarbon
sedimentation
effective viscosity.
url https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/585
work_keys_str_mv AT klishchenkoroman stabilizationofwatercoalcompositefuelsusingcarbonmicronanomaterialsandaminoalcohols