Исследование химического состава угля из скорлупы грецкого ореха

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 634.511                                        

Древесный уголь по своему составу схож с каменным углем, в котором углерод является также основным элементом. По сути и древесный и каменный угли имеют в основе древесину. Только в каменном угле древесина разлагалась многие века при ограниченном доступе кислорода, а древесный уголь — это обугленная древесина, которую частично сожгли при недостатке кислорода.

В процессе обугливания скорлупы греческой орехи выходят большая часть влаги, серы, фосфора и кислорода и при этом потери и углерода и водорода составляет минимального значения, а также остается зола, которая не удаляется при обугливании. При этом, чем выше температура выжигания, тем меньше углерода остается в составе древесного угля из скорлупы. Так, например при температуре 450 °С процентное содержание углерода составляет порядка 85%, а водорода — 3%. Содержание фосфора зависит от воды древесины:

в березовым древесном угле его содержится 0,037%, в еловом — 0,017%, а в сосновом — 0,016%.

Как известно, процесс производства древесного угля достаточно прост: его выжигают в закрытом пространстве без доступа воздуха, т. е. методом пиролиза. При высокой температурной обработке из древесины получается: древесный уголь, а также жидкие и газообразные продукты (аустон, метанол, уксусная кислота, смола и др.). Но несмотря на всю простоту, процесс пиролиза нужно тщательно регулировать. В противном случае количество полученного древесного угля кажется меньше, а сам уголь будет мелким и пахнут смолами. Поэтому во время производства древесного угля процесс пиролиза должна происходить без доступа воздуха и лучшим древесным углем считается уголь, полученный при температуре, не превышающей 400–5000С без доступа воздуха.

Современные предприятия, на которых производится древесной уголь оснащены специальными ретортными печами. По обеим сторонам печи располагаются реторты, слева с подготовленными дровами, а справа — с остывающим углем. Завершает установку вытяжная труба. Камеры пиролиза и просушки угля разделены, благодаря чему тепло используется с большой пользой. Причем, пламя образуется за счет горения летучих продуктов, а не счет горения дров. Летучие продукты, которые выделяются при сгорании, переносятся обратно в точку и там сгорают [1].

В статье [2] замечено, что в южном регионе КР отходы угольных месторождений при добыче составляет до 60% в виде штыба, то есть не кондиционные угольные мелочи, которые остаются не использованными. Исследованы процессы нагревания каменного угля Узгенского месторождения (Чангент) в лабораторных условиях методом пиролиза в термической печи при температуре 950–1000 °С без доступа воздуха [3].

При медленном и поступательном нагревании каменных углей от 950–1000 °С образуется высококолорийный кокс.

В статье [4] изложены результаты научных исследований по переработке ореховой скорлупы методом пиролиза. Описаны физико-химические свойства ореховой скорлупы и продуктов разложение, полученных при пиролизе скорлупы грецкого ореха в интервале температур 250–550 °С с образованием древесного угля без доступа воздуха. Установлено, что выход древесного угля из скорлупы грецких орехов составляет при 550 °С 31,3% веса.

Изучение процессов пиролиза скорлупы греческого ореха в интервале температур 100– 550 °С показало, что активное формирование структуры происходит при температурах от 300 до 400 °С. Выход древесного угля при 550 °С составляет 31,4%. Зольность получаемого древесного угля из скорлупы грецкого ореха с повышением температуры пиролиза возрастает от 0,53% в исходной скорлупе при 100 °С до 1,92% при температуре пиролиза 550 °С. Концентрация йода в ореховой скорлупе составляет 0,105 мкг/дм3 [5].

Пирогенные смолы скорлупы грецкого ореха является сырьем для получения различных товарных продуктов, например, фенол. В процессе пиролиза образуется ценные органические продукты: летучие газы — 33,5%, жидкие вещества (органические вещества) — 35% и древесный уголь — 31,4%. В работе изучен химический состав фракции смолы пиролиза ореховый скорлупы с помощью терморегулятора ТКП-160 CN-MIYХЛ с применением холодильника. В реакторе из смолы были разделены следующие продукты: легкие, фенольные, нафталиновые, поглотительные, антрацены и ПСК. Установлены, что разделенные органические фракции зависят от индивидуального выкипания веществ [6].

Разнообразие углей по структуре и свойствами ставит перед исследователями задачу поиска путей оптимального использования их энергетического потенциала, что в свою очередь, определяет круг научных исследований, направленных на процессы переработки углей топливного и нетопливного назначения

В связи в этим, основной задачей настоящих исследований сводятся к установлению взаимосвязи структуры и свойств углей, выявлению закономерностей измерение свойств углей в ряду метаморфизма, научно-обоснованной интерпретации результатов физикохимических исследований молекулярной структуры и надмолекулярного строения на базе современных представлений о строении вещества.

Безусловно, поставленную задачу будет решать не просто, но работа в данном направлении ведется, и ниже будет представлен обзор нескольких традиционных способов [4] переработки углей, которые в перспективе, при должном своем развитии и совершенствованием, могли бы представляют собой интерес, с точки зрения использования получаемых продуктов в энергетике (топливное назначение) и других отраслях промышленности (не топливное назначение) [7].

Экспериментальная часть

В экспериментальной части исследованы и определены химический состав золы ореховой косточки методом спектрального анализа, с использованием спектрографа ИСП-28 и фотометра типа МФ-2, фотопленка ФФА. Спектрограф ИСП-28 предназначены для анализа и фотографирования эмиссионного потока излучения. Спектрографы состоит из оптической системы, которая фокусирует эмиссионный поток излучения, входной цехи, диспергирующей кварцевой призмы, излучение спектральных линий, выделяемых призмой, фокусируется объективом и проецируется на фотопленки. Степень засветки (почернения) изображения каждой спектральной линии на фотопластинке, пропорциональна интенсивности линии. После проведения измерений и проявки фотопластинки оптическая плотность линии(спектра), соответствующей интересующим химическим элементом в пробе путем измерения почернения на фотопленке на микрофотометре типа МФ-2 с оптической плотности в диапазоне от 0 до 1,40 Б с абсолютной погрешностью не более +0,02 Б. Для перевода значений оптической плотности спектральных линий на фотопластинке в концентрацию химических элементов в пробе проводится построение градуировочных зависимостей на основе анализа стандартных образцов соответствующих сплавов металлов, родственных измеряемым.

После пиролиза полученный термробработанный уголь обжигали в муфельной печи при температуре 900°С. Минеральный состав в составе зольности определенной эмиссионноспектрографическим, и рентгено-флуоресцентным методами анализа представлены в Таблицах 1 и 2.

Таблица 1

МИНЕРАЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЯ И ЗОЛЫ УГЛЯ (эмиссионно-спектрографический метод)

№	Определяемый элемент	Концентрация химического элемента, в %
А. Минеральный химический состав золы угля
1	Si (кремний)	23,8
2	K (калий)	0,02
3	Р (фосфор)	0,49
4	Ca (кальций)	0,72
5	Mg (магний)	0,11

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 7. №7. 2021

№	Определяемый элемент	Концентрация химического элемента, в %
6	Fe (железо)	0,035
7	Na (натрий)	0,04
8	Mn (марганец)	1,9
9	Zn (цинк)	0,010
10	Cu (медь)	0,02
11	Se (селен)	0,0046
12	I (йод)	0,0002
13	Ba (барий)	0,013
14	As (мышьяк)	0,010
15	Ni (никель)	0,015
Б. Химический состав угля
1	C (углерод)	84%
2	P (фосфор)	4,2%
3	S (сера)	1,0%
4	Прочие вещества	10,8%

Химический состав золы ореховой скорлупы исследована рентгено-флуоресцентным методом анализа (XRF-SpectRoMORNS, измерительный аппарат XL3T-960).

МИНЕРАЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЯ И ЗОЛЫ УГЛЯ (рентгено-флуоресцентный метод)

Таблица 2

№	Наименование элементов	Концентрация химического элемента, в %
А. Минеральный химический состав золы		древесного угля
1	Si (кремний)	26,3
2	K (калий)	0,016
3	Р (фосфор)	0,52
4	Ca (кальций)	0,63
5	Mg (магний)	0,13
6	Fe (железо)	0,028
7	Na (натрий)	0,038
8	Mn (марганец)	1,6
9	Zn (цинк)	0,011
10	Cu (медь)	0,026
11	Se (селен)	0,0039
12	I (йод)	0,00026
13	Ba (барий)	0,011
14	As (мышьяк)	0,0096
15	Ni (никель)	0,013
Б Химический состав древесного угля из орехового скорлупы
1	C (углерод)	84,9
2	P (фосфор)	5,0
3	S (сера)	1,2
4	Прочие вещества	8,9

Выводы

• 1.    Химический состав золы греческого угля исследовано спектрографическим и рентгено-флуоресцентным методом анализа;

• 2.    Химический состав древесного угля из скорлупы грецкого ореха исследовано спектрографическим и рентгено-флуоресцентным. Установлено, что углерод исследованных веществах составляют 84–84,9% соответственно.