Главная » Архив

В марте 2010 г. постановлением Президиума РАН на базе химических подразделений ИУУ СО РАН и Кемеровского филиала ИХТТМ СО РАН был образован Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН.

Обоснованием создания нового института стала необходимость возрождения углехимической науки в Кузбассе — основном угледобывающем регионе Российской Федерации. Ранее в СССР углехимия была сосредоточена главным образом в отраслевых научно-исследовательских институтах таких мощных ведомств, как Минуглепром и Минчермет. Но в последние 15-20 лет в новых политических и экономических условиях многие из них перестали существовать (как, например, знаменитый Институт горючих ископаемых в Москве) или до минимума свернули свою деятельность по углехимии (как, например, ВУХИН в Екатеринбурге и его филиалы). В то же время значение угля в топливно-энергетическом балансе и глубокой переработке во многих странах мира возрастает. Особо характерным является пример Китая, где за последние 10 лет годовая добыча увеличилась с одного до трех миллиардов тонн, и при этом резко возросла доля глубокой переработки. Так, на Международной конференции по чистым угольным технологиям в Пекине было доложено, что в 11-й пятилетке мощность заводов по глубокой переработке достигла 25 млн. тон угля в год и на 12-ю пятилетку планируется довести ее до 125 млн. тонн по исходному углю.

Добыча в России остается на уровне 300-320 млн. тонн в год. При этом Кузбасс производит более 50% угля России, значительная часть которого идет пока на экспорт. Осуществляется транспортировка многомиллионных объемов ископаемого угля высокой влажности и с пустой породой.

Основные научные направления ИУХМ СО РАН — это глубокая переработка угля, углехимия; химия углеродных материалов, композитов и наноструктур. Задачей института на первом этапе является сбор и приумножение оставшихся элементов богатого опыта предыдущих лет и выход на новый уровень фундаментальных исследований в углехимии, необходимых для создания базовых технологий.

Структура научных подразделений института включает следующие лаборатории:

• лаборатория химии бурых углей;
• лаборатория катализа в углехимии;
• лаборатория пиролитических процессов;
• лаборатория высокотемпературных процессов химии углеродных материалов и угля;
• лаборатория углеродных наноструктурированных материалов;
• лаборатория энергетических соединений и нанокомпозитов;
• лаборатория супрамолекулярной химии полимеров;
• лаборатория неорганических наноматериалов;

Дополнительно на основании двухсторонних соглашений организованы лаборатории института в вузах Кемеровской области. Это лаборатория глубокой переработки угля в Кузбасском государственном техническом университете и лаборатория синтеза наноматериалов из углехимического сырья в Кемеровском государственном университете. На стадии организации лаборатория проблем коксохимии в Сибирском государственном индустриальном университете (г. Новокузнецк).

В институте работают 2 члена-корреспондента РАН, 7 докторов наук и 28 кандидатов наук. С 2012 г. в институте открыта аспирантура, и 15 аспирантов обучаются по специальностям: «Физическая химия», «Химическая технология топлив и высокоэнергетических веществ». В 2012 г. два специалиста поступили в докторантуру института.

Остановимся более подробно на работе трех лабораторий углехимического направления.

В лаборатории химии бурых углей исследуют химическую структуру этих углей, содержащую широкий набор функциональных групп. Запасы бурых углей только в Кузбассе составляют до 70 млрд. тонн в дополнение к огромным запасам Канско-Ачинского бассейна. Они непригодны для производства металлургического кокса, однако с этими углями мы можем успешно работать по другим схемам: полукоксование, экстракция, газификация, получение синтез-газа, жидких топлив и т.д. Химия бурых углей очень богата и разнообразна, в продуктах экстракции можно найти такие уникальные молекулы, как бетулин и ситостерины, — а это уже лекарственные вещества, биологически активные молекулы. Бетулин повышает иммунитет растений, бетулиновая кислота обладает противоопухолевой активностью, а ситостерин — противовоспалительным действием. Кроме того, из бурых углей можно экстрагировать горный воск, и мы разрабатываем научные основы экстракционных процессов. Горный воск применяется в точном литье по выплавляемым моделям в металлургии, полирующих и защитных композициях, бумажной, текстильной, кожевенной промышленности, косметике, бытовой химии и медицине. Стоимость одной тонны сырого горного воска составляет до 2 тысяч евро, а цена продуктов после очистки и этерификации увеличивается на порядок.

Очень важные компоненты бурых и окисленных каменных углей — гуминовые вещества. Путем щелочной обработки их можно превратить в гуматы натрия и калия, которые являются биологически активными веществами и могут использоваться в виде удобрений, добавок к удобрениям, в том числе способствующих рекультивации и восстановлению нарушенных земель. При использовании гуматов в сельском хозяйстве повышается всхожесть семян и их прорастание, улучшается приживаемость рассады, увеличивается сопротивляемость растений к болезням, заморозкам и засухе. Сотрудники лаборатории химии бурых углей в 2011 году уже наработали опытные партии гуматов и начали совместные эксперименты с КемНИИСХ, Институтом почвоведения и агрохимии СО РАН и Институтом экологии человека СО РАН. В ходе более ста деляночных опытов выявлено, что урожай зерновых культур повышается на 30-45%. Особенно актуально для Кузбасса применение гуматов для восстановления нарушенных земель, потому что здесь каждый год в результате вскрышных работ прибавляется до тысячи гектаров таких земель. В этой лаборатории уделяется внимание и другим областям применения гуматов в промышленности; они используются как абсорбенты и пеногасители, могут применяться в системах водоподготовки, производстве аккумуляторов, керамическом производстве, литейном производстве для сырых формовочных смесей, при изготовлении резины, бумаги, картона, а также косметических и лекарственных средств. Широко используется и твердый остаток угля после извлечения гуматов: это и синтез-газ, и фенолы, и другие химические вещества.

В лаборатории катализа в углехимии выполняются исследования химических и физико-химических методов воздействия на уголь с целью регулирования их реакционной способности и для получения полезных веществ. Это озонирование, обработка химическими реагентами, закисью азота, механохимическая активация, высокочастотное и термическое воздействие. В частности, посредством озонолиза компонентов бурых углей и окисленных каменных углей можно получить сырье для химических синтезов, полиэфирные смолы и другие полезные продукты. Очень перспективным также является производство адсорбентов путем обработки щелочью окисленных углей, карбонизации и отмывки. Можно регулировать удельную поверхность, пористую структуру и морфологию адсорбентов из углей с целью дальнейшего применения в практике для удаления органических загрязнителей и селективного извлечения тяжелых металлов, в том числе для решения актуальной для Кузбасса проблемы очистки шахтных вод. Эта проблема остро стоит и в Украине, где мы сотрудничаем с институтами НАН Украины и готовим совместный интеграционный проект по исследованию шахтных вод и разработке методов очистки.

Лаборатории коксохимии мы придаем определяющее значение. В Российской Федерации производится около 30 млн. тонн кокса, который нужен для выплавки чугуна — основы черной металлургии, — причем решающее значение имеют два необходимых параметра: низкая реакционная способность и высокая механическая прочность кокса. К 50-м гг. прошлого столетия были разработаны основные научно-технические достижения на основании эмпирических подходов. Так, для оптимизации процесса учитывались более чем 60 прямых и косвенных параметров (таких, как зольность, выход летучих, нелетучий остаток, общая сера, сульфидная и пиритная сера, показатель отражения витринита, температура плавкости золы, минеральный состав золы, индекс основности и др.). Надо отметить, что именно отечественные ученые достигли многих значимых результатов по этой тематике. Однако за эти годы, с одной стороны, существенно изменилась сырьевая база для производства, а с другой — изменились международные стандарты и требования к качеству кокса. В планах института — ориентирование на более глубокое изучение физико-химических основ получения кокса из разных углей, изучение химизма превращения угля в кокс, механизма выделения летучих углеводородов, механизма множества сопряженных химических реакций, механизма взаимодействия оксида и диоксида углерода с углеродом на всех стадиях получения кокса с использованием принципиально новых возможностей современных инструментальных методов (ДТА, ЭПР, ЯМР, СЭМ, ПЭМ ВР, РФА, Фурье ИК и КР, СИ и др.). Есть возможность детально изучать химию поверхности углей, каталитическое действие минеральных компонентов на топохимические реакции и на реакции газ-углерод, соотношение изотропность-анизотропность материалов, а также привлекать подходы математического моделирования структуры кокса для прогнозирования «горячей» прочности. Деятельность института направлена также на возрождение исследований «побочных», но весьма ценных продуктов производства кокса: коксового газа и каменноугольной смолы. Коксовый газ содержит пары каменноугольной смолы, ароматические углеводороды, аммиак, нафталин, сероводород, цианистый водород и др. А каменноугольная смола содержит настоящую кладезь ценных химических соединений (флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, пиридин, пиколины и др.), распределенных по следующим фракциям: легкая, фенольная, нафталиновая, поглотительная, антраценовая и пек. Каждое из этих соединений обладает уникальными свойствами и имеет перспективу в создании новых материалов будущего. Например, скромный флуорен уже используется для изготовления компонентов для микроэлектроники и оптоэлектроники: элементы памяти на основе пленок, содержащих флуорен, сополимер в составе полистирола для суперконденсаторов, фоточувствительный сополимер для оптических эмиттеров и др.

Важное место в тематике института занимает получение углеродного волокна и композитов из пека каменноугольной смолы. Это очень перспективные материалы, потому что только одно направление использования такого волокна — в качестве керна для приготовления волокна из карбида кремния — имеет принципиальное значение для создания нового поколения авиационной и космической техники.

В своей работе мы опираемся на теснейшую кооперацию с институтами Сибирского отделения РАН: с Институтом катализа СО РАН — по технологии комбинации процессов сжигания и газификации в кипящем слое катализатора; с Институтом теплофизики СО РАН — по водоугольному топливу и энерготехнологическим циклам; с Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН — по плазменным технологиям, с Институтом химической кинетики и горения — по детальному механизму горения частиц твердого топлива и реакциям газ-твердое топливо; с ИХТТМ СО РАН — по углеродным волокнам и с Институтом гидродинамики СО РАН — по исследованию кинетики и механизма детонации, механизма каталитического горения метан-водородных смесей.

Планируется строительство специального корпуса стендов и пилотных установок для отработки технологических процессов и выхода на создание базовых технологий по процессам глубокой переработки угля. Экспериментально-демонстрационная производственная база будет создана совместно с КузГТУ, СибГИУ, ОАО «Кузбасский технопарк», МИП ООО «Эконовохим» и др. В составе базы предусмотрено создание следующих опытных установок и стендов.

1. Опытно-экспериментальный многофункциональный стенд для разработки базовых технологий комплексной переработки бурых и окисленных углей.
2. Опытно-демонстрационная установка для каталитического обезвреживания факельных газов коксохимических производств с одновременным получением тепловой энергии.
3. Опытно-экспериментальный стенд для разработки технологии получения связующего материала для производства анодов на базе углей Кузбасса.
4. Пилотная установка для разработки технологии производства мезитилена из продуктов пиролиза углей.
5. Лабораторно-технологический стенд для производства углеродных наноматериалов.
6. Опытная установка по получению молекулярных сит из антрацитов и высокоэффективных сорбентов широкого назначения из некондиционных углей и отходов угольной отрасли Кузбасса.
7. Демонстрационная промышленная каталитическая теплофикационная установка на угольном топливе.

Перспективы успешной работы института основаны, с одной стороны, на крепком сплаве опыта ученых старшего поколения и активности молодых сотрудников, с другой — на широких возможностях научных исследований, открывающихся на базе оборудования Центра коллективного пользования Кемеровского научного центра. Научно-аналитический центр исследований химического состава и структуры углеродных материалов и наноматериалов (КемЦКП) обладает следующим базовым набором инструментов для фундаментальных исследований по тематике института:

• газовый хроматограф с масс-спектрометрической приставкой Agilent 6890N/5973 Inert MSD/DS и вторым газовым каналом;
• синхронный термоанализатор-дериватограф STA 409 Luxx фирмы Netzsch с масс-спектрометрической приставкой «Аеоlos»;
• жидкостной хроматограф «Agilent Technology 1200 Series» с масс-спектрометрической приставкой LC/MS 6110;
• микроскоп растровый JEOL JSM — 6390LA;
• ИК-Фурье спектрометр «Инфра-ЛЮМ»;
• ЯМР-спектрометр «Avanse III-300»;
• C H N O S — А н а л и з а т о р «ThermoFlash2000»;
• рентгеновский дифрактометр Bruker D8 А25 ADVANCE;
• эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, системой лазерного отбора проб iCАР-6500 Duo LA;
• прибор синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupiter;
• импульсный лазер (LS-2147 А/2 +HG-T+HG-F);
• сканирующий зондовый, атомно-силовой микроскоп CypherTM;
• прибор для определения удельной поверхности различных материалов (Micromeritics ASAP 2020);
• спектрометр электронного парамагнитного резонанса ЕМХ-6/1 micro, Bruker, Комплексная углехимическая лаборатория;
• автоматизированный комплекс оценки марочного состава углей и угольных смесей SIAMS 620 с оборудованием для пробоподготовки;
• дифференциальный сканирующий калориметр Discovery DSC.

Деятельность института ориентирована на всестороннюю интеграцию с вузами Кузбасса, подготовку научных работников в области углехимии и материаловедения, высокообразованных кадров инженерных специальностей для предприятий региона. Директор института — член-корреспондент РАН З. Р. Исмагилов — возглавил кафедру химической технологии твердого топлива и экологии в КузГТУ. На этой кафедре преподают шесть сотрудников института. Член-корреспондент РАН Ю.А. Захаров заведует кафедрой химии твердого тела в КемГУ и курирует работу большой группы сотрудников института в этом университете.

В 2011 г. создан Научно-образовательный центр ИУХМ СО РАН — КемГУ «Химическое материаловедение» (научный руководитель — член-корреспондент РАН Ю.А. Захаров). В 2012 г. образован Научно-образовательный центр ИУХМ СО РАН — КузГТУ «Малотоннажная углехимия и экология» (научный руководитель — член-корреспондент РАН З.Р. Исмагилов).

Успешно развивается взаимодействие с ЗАО «Кузбасский технопарк». Большое внимание в институте уделяется деятельности Совета молодых ученых, ежегодно проводится конференция молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения».

Установлены международные научные связи с институтами углехимического направления Германии, Испании, Китая, Монголии, Польши и США. В сентябре 2011 г. в ИУХМ СО РАН прошел Международный симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса». Программа симпозиума включала наиболее актуальные и живые темы: химия угля; технологии переработки угля; наноуглеродные материалы; углеродные волокна, композиты; каталитическая утилизация шахтного метана; экологические проблемы Кузбасса. В симпозиуме приняли участие учёные и специалисты из России, Монголии, Польши, США и Франции. В октябре 2012 г. симпозиум был организован на базе КузГТУ. Открытие совещания и пленарные лекции прошли в аудитории профессора А.Г. Тулеева, губернатора Кемеровской области. С приветственным словом к участникам симпозиума обратились председатель Кемеровского научного центра академик А.Э. Конторович и ректор КузГТУ, профессор В.А. Ковалев.

В 2010-2012 гг. сотрудники института приняли участие в работе многочисленных престижных международных конференций, выставок и школ за рубежом, где выступили с 60 докладами. (Среди них — Международный симпозиум «150th Anniversary Weltkongress Chemie», Karlsruhe, Germany, september 3-4, 2010 г.; Международная конференция «ChemReactor 2010», Vena, Austria; Международный симпозиум «Физика и химия углеродных материалов / наноинженерия», г. Алматы, Казахстан, 2010 г.; представление разработок СО РАН на выставке-презентации в гг. Урумчи, Карамай, КНР, 2010 г.; Международная конференция «28th Annual International Pittsburgh Coal Conference», Pittsburg, USA, 2011 г.; 12-й Международный конгресс по катализу ICC-12, Munich, Germany, 2012 г.; Российско-Американский семинар по черному углероду «Black Carbon», Москва, Россия, 2012 г.; конференция «Графит — материал будущего», Сколково, Россия, 2012 г. и мн.др.).

Институт принимал активное участие в XVIII и XIX Международной специализированной выставке технологий горных разработок «Уголь России и Майнинг» в 2011 и 2012 гг. в г. Новокузнецке, а также в научных сессиях и круглых столах выставки симпозиума «Кузбасский международный угольный форум» в 2011 и 2012 гг. в г. Кемерово. Сотрудники института выступили с докладами на расширенном заседании Российского организационного комитета Всемирного горного конгресса и на Международной научно-практической конференции «Уголь в мировой экономике».

Постоянную поддержку институту оказывает Президиум Сибирского отделения РАН. Так, в 2012 г. были выделены значительные средства на капитальный ремонт лабораторного корпуса, приобретение лабораторной мебели и оборудования.

Администрация Кемеровской области также содействует развитию института: выделяются гранты молодым ученым — кандидатам наук; награждаются лучшие аспиранты и руководители; молодые сотрудники института регулярно получают кредиты в рамках Программы губернатора Кемеровской области по выделению льготных займов (под 0 % на 20 лет) для приобретения жилья.

В заключение надо отметить, что Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. содержит пункты по глубокой переработке угля (до 5% от объема добычи) и направлена на организацию производства высококачественной конечной продукции (синтетическое жидкое топливо, этанол и др. продукты углехимии с высокой добавленной стоимостью), комплексное использование угля и сопутствующих ресурсов, включая добычу шахтного метана и реализацию пилотных проектов на базе российских технологий глубокой переработки угля. Сотрудники ИУХМ СО РАН будут активно участвовать в реализации этих масштабных планов.