Фото: South China Morning Post.
Композитные материалы, удобрения, исходные компоненты для лекарств и микроэлектроники – сегодня из угля можно получать больше сотни разных химических продуктов и более пяти тысяч видов продукции смежных отраслей, цена которых в разы выше стоимости исходного сырья. К примеру, при коксовании угля выделяется коксовый газ, конденсация которого позволяет получить каменноугольную смолу, содержащую ценные химические соединения – флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, пиридин, пиколины и другие. Каждое из этих веществ обладает удивительными свойствами и позволяет создавать новые материалы.
В России два десятка научных организаций ведут исследования в области углехимии, разрабатывая технологии коксохимии, сжижения угля, газификации, получения наноструктурированных материалов, извлечения редкоземельных и драгоценных металлов. В частности, в Институте катализа СО РАН работают над созданием технологий производства жидкого топлива и нефтехимического сырья из горючих сланцев, а в Институте химии твердого тела и механохимии — над механохимическими методами переработки углей в полезные продукты.
Генеалогическое древо углехимии / U.S. Geological Survey.
Производственная цепочка углехимии в упрощенном виде выглядит следующим образом: добытый в шахте или разрезе уголь перерабатывается в кокс, коксовый газ, аммиак и каменноугольную смолу. Каменноугольная смола используется для производства толуола, тротила, нафталина, красителей, бензола и фенола. Бензол, в свою очередь, позволяет получить анилин и красители, а из фенола производят пластмассы, фенацетин, салициловые препараты, пикриновую кислоту и опять же красители.
В качестве примера я выбрал пять углехимических продукта, которые позволяют по-новому взглянуть на традиционное ископаемое топливо.
Бетулин и ситостерины
В продуктах экстракции бурого угля содержатся бетулин и ситостерины – это лекарственные вещества, биологически активные молекулы. В частности, бета-ситостерин обладает противовоспалительным действием, бетулин повышает иммунитет растений, а бетулиновая кислота обладает противоопухолевой активностью.
Бетулин может быть эффективен в комплексной терапии при лечении онкологических заболеваний. Встраиваясь в клеточную мембрану раковой клетки, на начальном этапе он препятствует ее реорганизации и обрекает клетку на естественную гибель. Таким образом, бетулин действует избирательно на больные клетки и повышает устойчивость здоровых клеток. Кроме того, противовирусная активность бетулина установлена в отношении вирусов птичьего гриппа, гриппа типа А, герпеса, гепатита C, ВИЧ и других.
Схема углехимических процессов / NETL.
Гуминовые вещества
Очень важные компоненты бурых и окисленных каменных углей – гуминовые вещества. Щелочная обработка позволяет превратить их в гуматы натрия и калия, которые можно использовать в виде удобрений и добавок к удобрениям, в том числе, предназначенных для рекультивации земель. Использование гуматов в сельском хозяйстве повышает всхожесть семян, улучшает приживаемость рассады, увеличивает сопротивляемость растений к болезням, заморозкам и засухе.
Гуминовые вещества и гуматы можно применять и в промышленности: они используются в качестве абсорбентов и пеногасителей, могут применяться в системах водоподготовки, производстве аккумуляторов, керамическом производстве, в изготовлении резины, бумаги, картона, а также косметических и лекарственных средств.
Поливинилхлорид
Поливинилхлорид (ПВХ или винил) – это бесцветная пластмасса, стойкая к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям.
Спектр применения ПВХ крайне широк. Он используется для электроизоляции проводов и кабелей, производства труб, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, линолеума, грязезащитных ковриков, виниловых грампластинок, профилей для изготовления окон и дверей.
Образовательный фильм 1954 года о производстве поливинилхлорида.
В Китае 90% поливинилхлорида производят из угля. По оценке экспертов, каждое шестое пластиковое окно, установленное в России, сделано из китайского угля.
Флуорен
Флуорен содержится в каменноугольной смоле и представляет собой бесцветные кристаллы, способные к флуоресценции при действии ультрафиолетового облучения.
Флуорен используется для изготовления компонентов для микроэлектроники и оптоэлектроники. К примеру, он применяется в производстве гибких экранов, которые вот-вот совершат революцию в бытовой электронике. Такими исследованиями, в том числе, занимается федеральный центр угля и углехимии в Кузбассе.
Углеродный пек
Углеродный пек, полученный из каменноугольной смолы, используется в качестве исходного сырья для получения углеродных волокон. Композиты на основе углеродных волокон отличаются прочностью, жесткостью и легкостью. Их характеристики прочности и упругости значительно превышают показатели алюминия и стали.
Углеродные волокна могут применяться в медицине, энергетики, промышленности, строительстве и других отраслях. Наиболее интересны для меня, разумеется, перспективы их использования в аэрокосмической технике. К примеру, из них можно производить элементы двигателей самолетов и ракет, корпуса космических антенн и обшивку спускаемых аппаратов.
27 фактов про углеродные волокна.
Таким образом, углехимия позволяет превращать уголь в материалы и продукты, которые используются буквально везде: от сельскохозяйственных полей до земной орбиты. Будем изучать ее возможности дальше – кажется, впереди еще много интересного.