КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-23-20153

НазваниеИсследование эволюции структуры углеродного каркаса в процессе получения игольчатых коксов

Руководитель Созинов Сергей Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" , Кемеровская обл (Кузбасс)

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова кокс, полукокс, игольчатый кокс, коксование, термолиз

Код ГРНТИ31.15.00, 61.53.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Данный проект направлен на разработку фундаментальных основ управляемого получения анизотропных углеродных структур (игольчатый кокс) из углеродных продуктов с изотропной структурой ("сырой" кокс или полукокс) на основе детального исследования и сравнительного анализа структуры «сырых» и игольчатых коксов различных промышленных производителей и исследования эволюции структуры углеродного каркаса в ряду "сырой" кокс - игольчатый кокс в различных условиях термического воздействия. Игольчатый кокс является одним из стратегических и востребованных углеродных материалов в металлургии, электротехнической индустрии, атомной энергетике и др. отраслях промышленности, востребованность которого обусловлена его особыми физико-химическими, физико-механическими и функциональными свойствами. В настоящее время в РФ имеется единственное опытное производство по выпуску игольчатого кокса (Омский нефтеперерабатывающий завод), который используется только для собственных нужд, так как по функциональным свойствам производимый кокс проигрывает коксам премиум класса, поэтому научные разработки в этой области весьма актуальны и необходимы. Остро стоит вопрос о необходимости организовать в стране производство не только игольчатого кокса, но и других высокотехнологичных углеродных функциональных материалов, что возможно только при проведении комплексных научно-исследовательских работ высокого уровня. Получение высококачественного игольчатого кокса класса «супер премиум» и достижение требуемых мировых показателей возможно только на основе проведения глубоких фундаментальных исследований, которые составят основу для создания передовых технологий. Получение функциональных углеродных материалов на основе процесса карбонизации прекурсоров углеродистых материалов (например, нефтяного или каменноугольного пека) представляет собой сложный комплекс химических реакций образования углеродной мезофазы, включающий выделение в газовую фазу малых молекул (легких компонентов) и их крекинг, пиролиз и конденсацию молекул среднего размера, крекинг и конденсацию макромолекулярных компонентов, а также взаимодействие молекул промежуточных соединений. Углеродная мезофаза представляет собой жидкокристаллическое состояние образованного дискообразными нематическими жидкими кристаллами. В ходе непрерывного термолиза жидкие кристаллы упаковываются в сферические образования- сферолиты, которые постепенно увеличиваются в размерах и коалесцируют в объемную фазу с последующим образованием анизотропного кокса с мозаичной, струйчатой (ленточной, протяженной), доменной, игольчатой и структурой. Объемная анизотропная мезофаза образованная из мезофазных сфер сохраняет текучесть и деформируемость до 770 К, температура до которой проводится процесс полукоксования и получают "сырой" кокс. В целом, параметры строения различных исходных прекурсоров соответственно и различных их типов существенно влияют на структуру конечных продуктов карбонизации. При этом показано, что трудно предсказать, прогнозировать и достичь ключевых параметров игольчатого кокса уровня супер-премиум, только на основании используемых общих характеристик или макроиндексов таких, как групповой состав, степень ароматичности и молекулярно-массовое распределение, на которых базировались технологии первого поколения. Решение научной проблемы этого проекта состоит в том, чтобы изучить структуру "сырого" кокса, его молекулярный состав, состояние агрегации (наличие упорядоченных графитоподобных структур), проанализировать физические изменения и химические реакции во время термической обработки, исследовать структурную эволюцию углеродной матрицы в процессе термического воздействия, на основании этого выявить влияние структуры и состава кокса на процесс трансформации углеродного скелета в процессе коксования, с целью последующей оценки возможности использования определенного "сырого" кокса в качестве предшественника для получения игольчатого (анизотропного) кокса. Успех решения поставленной научной проблемы обоснован высоким уровнем научной компетенции участников проекта и использования имеющегося у коллектива полного набора современных физико-химических экспериментальных методов исследований. Таким образом, для решения поставленных задач планируется проведение комплексных исследований эволюции структуры углеродного каркаса в ряду "сырой" кокс - игольчатый кокс в процессе термического воздействия с применением широкого набора современных физико-химических методов: ИК-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопия; рентгеновская дифрактометрия; сканирующая электронная микроскопия в сочетании с рентгеновским микроанализом; адсорбционный метод исследования поверхности и текстурных характеристик; термический анализ, включающий термогравиметрию с масс-спектрометрическим анализом летучих продуктов, дифференциальный термический анализ и диффренциальную сканирующую калориметрию. Будет изучена последовательность эволюции структуры углеродного каркаса на разных стадиях изменения углеродного вещества в зависимости от состава и структуры "сырого" кокса, ее трансформации в процессе карбонизации в зависимости от условий нагрева, формирование анизотропной структуры игольчатого кокса и последующее структурирование в процессе прокаливания. Будут проведены исследования in-situ структурных изменений в процессе нагрева "сырого" кокса с использованием специализированной высокотемпературной камеры для проведения рентгенографических исследований с привлечением комплекса методов термического анализа и электронной микроскопии для исследования разных стадий формирования структуры игольчатого кокса. Формируемая в процессе коксования микроструктура неразрывно связана со структурой кокса на атомном (связывание) и наноструктурном уровне (агрегация кристаллитов). При этом получаемый конечный продукт является неоднородным по своей структуре, а получаемая методами рентгеновской дифрактометрии информация является интегральной характеристикой. В связи с этим предлагается провести исследования методами аналитической сканирующей микроскопии и термического анализа отдельных различающихся своей микроструктурой фрагментов коксовых частиц с одновременным определением химического состава (содержание C, S, O) методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и проследить изменения этой микроструктуры в процессе нагрева. К перечисленным методам дополнительно будет привлекаться метод ЭПР-спектроскопии для исследования эволюции парамагнитных центров при формировании графитободобных структур в ходе превращения углеродного каркаса в процессе коксования.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---