Відділ хіміі вугілля

Завідуючий відділом
Доктор хімічних наук
старший науковий співробітник

Кучеренко Володимир Олександрович
V.O.Kucherenko@nas.gov.ua
+38 (044) 559 66 86

Головний науковий співробітник
Старший науковий співробітник
Старший науковий співробітник
Старший науковий співробітник
Старший науковий співробітник
Науковий співробітник
Провідний інженер

Унікальність Донецького вугільного басейну полягає в тому, що в його надрах накопичені поклади вугілля близького генетичного типу всього метаморфічного ряду – від малометаморфізованого (буре, довгополум’яне) до пісного, а також антрацити їх метаморфічного ряду (від напівантрациту до суперантрациту). Цей факт і був базовим для організації фундаментальних досліджень горючих копалин у спеціальних структурних підрозділах, створених з ініціативи академіка Л.М.Литвиненка, у тому числі відділу енергохімічної переробки вугілля (пізніше – відділ хімії вугілля). До уваги бралося також і те, що тверді горючі копалини (ТГК) є основною енергетичною сировиною країни та світу на найближчі 400 років.

Наукові здобутки співробітників відділу.

Фундаментальна вуглехімічна наука в ІнФОВ НАНУ бере свій початок у 70-х роках ХХ ст. з розробок хімічної теорії і практики знепилення повітря при розробці й експлуатації вугільних шахт та родовищ . Згодом ці роботи поширилися на загальні проблеми боротьби з будь-якими пиловими системами, а створені к.т.н. В.І. Саранчуком з колегами моделі виявилися придатними для процесів фільтрації широкого кола пилових аерозолів. Результати роботи були узагальнені у кількох монографіях, вони експонувалися на ВДНГ СРСР та були нагороджені 1-єю золотою та 4-ма бронзовими медалями. 

Того ж часу наукові школи академіка Р.В.Кучера і к.т.н. В.І Саранчука розгорнули фундаментальні дослідження процесів окиснення та самозаймання вугілля та розпочато вивчення структури і властивостей твердих горючих копалин, вплив на них генезису (походження) і ступеню метаморфізму (зрілості) палив (В.І.Саранчук, Л.В.Пащенко, Л.Я Галушко). Було адаптовано концепцію налмолекулярної організації штучних високополімерів до структурних особливостей вугілля різного метаморфізму (В.І. Саранчук, Т.С. Айруні, К.Є Ковальов), розроблено спосіб прогнозу потенційної схильності вугільної маси до самозаймання та рекомендації із запобігання розігрівання її при видобуванні вугілля низької стадії метаморфізму. 

Дослідження процесів модифікації вугілля хімічними речовинами різних класів сприяло розробці способів одержання агломерованого бездимного твердого палива з вугілля низької стадії метаморфізму (В.І.Саранчук, В.О. Тамко, В.М.Шевкопляс). Цикл робіт присвячено хімічним перетворенням кисневмісних та сірковмісних груп вугілля у процесах його термічної конверсії (термолізу), які суттєво впливають на результати процесу (Л.Ф. Бутузова та ін.). Численні дослідження здебільшого проводилися на вугіллі перспективного для СРСР (але далекого від України) Кансько-Ачинського буровугільного родовища (Сибір). 

Наприкінці 1980-х років у відділі хімії вугілля започатковано дослідження потужного (від 10 до 20 млрд. т) резервного вітчизняного енергоносія – так званого «солоного» вугілля України. Поклади вугілля з підвищеним вмістом солей лужних металів (насамперед, з високим вмістом NaCl) локалізовані у Північному (Богданівське родовище, Старобільська площа) та Західному (Новомосковське родовище) Донбасі. На основі встановлених особливостей складу, молекулярної будови й надмолекулярної організації «солоного» вугілля розроблено принципи екологічно прийнятного використання цієї проблемної (через шлакування котлоагрегатів), але перспективної для енергетики сировини. Запропоновано шляхи послідовної конверсії солоного вугіллі в гумінові препарати, відновні гази, синтетичне рідке паливо та адсорбенти. На замовлення Новомосковської геолого-розвідувальної експедиції надано практичні рекомендації з перспектив використання солоного вугілля Західного Донбасу (Т.Г.Шендрік, В.В.  Симонова, А.В.Зайковський). Видано монографію «Соленые угли», 2003 р. 

В той саме час творчі зусилля науковців відділу було спрямовано на комплексну переробку іншого низькоенергетичного вугілля України – бурого вугілля потужного Олександрійського родовища, в широку гаму продуктів (гірський віск, гумінові кислоти, компоненти моторних і котельних палив, розчинники, синтетичний і енергетичний гази, сорбенти, бездимне тверде паливо тощо (В.О.Тамко, В.М.Шевкопляс). Одержано низку авторських свідоцтв. Але карколомні події початку 90-х років не дозволили втілити у практику вже розроблений до стадії установки піролізу технічний проект.

В ці ж роки отримані унікальні дані про речовинний склад і властивості мацералів (компонентів різного ґенезу) органічної маси вугілля (к.г.-м.н Г.П.Маценко), які мають важливе значення при виборі методів використання твердих горючих копалин. Видано «Короткий словник з петрографії вугілля» (Г.П.Маценко, Т.Г.Шендрік).

Участь у вирішенні проблем довкілля.

Наприкінці 90-х років ХХ століття загальні екологічні проблеми світу і насамперед донецького промислового регіону змусили вуглехіміків Інституту спрямувати свій науковий потенціал на розробку шляхів утилізації колосальної кількості різних вуглецевмісних відходів (полімерів, деревини, нафтових, коксохімічних тощо). З тоого часу і дотепер у відділі розробляються методи сумісної конверсії 2-х і 3-х компонентних систем: вугілля (вітчизняних бурого та низькометаморфізованого кам’яного), нафтовідходів і відходів деревини (лігнін, деревна тріска) та відходів коксохімічної промисловості (В.О.Тамко, Т.Г.Шендрік, С.Б. Любчик, Ю.В.Тамаркіна, В.М.Шевкопляс). 

Метою сумісної конверсії різної за походженням сировини є одержання продуктів різного агрегатного стану (газоподібне та рідке паливо, твердий залишок) з новими складом та властивостями, а також одночасне скорочення відходів, що займають великі площі та забруднюють довкілля. Одержані результати та їх оприлюднення на міжнародних конференціях стали добрим підґрунтям для об’єднання зусиль науковців різних країн. З 1998 по 2002 р. відділ приймав участь у виконанні міжнародного проекту Європейської програми ІNCO-COPERNICUS (PL №978009) «Wood Biomass and Wastes Upgrading: development and application of clean processes for chemicals, oils and carbon production». Ідея щодо перспективності одночасної утилізації різних видів вуглецевої сировини (низькоякісного вугілля, деревини, нафтовідходів), яка частково реалізована у проекті ІНКО-Копернікус, була розвинута завдяки програмі «НАТО в ім’я миру» (проект «Новый подход к переработке отходов в селективные адсорбенты тяжелых металлов», SfP № 977984 (2002-2006 гг). Результатами виконання проекту стало видання спільних україно-європейських праць, проведення в Києві Advanced Research Workshop (ARW) (семінар експертів з питань охорони довкілля) та видання монографії «Recent advances in adsorption processes for environmental protection and security». Edited by J.P. Mota, S.B. Lyubchik. – Springer: 2006. – 192 c. Завдяки проекту розроблено та запропоновано прийоми спільної утилізації рідких (нафтовідходи) та твердих (низькосортне вугілля, лігнін, лузга соняшника) відходів, які дозволяють варіюванням сировини й режиму активації одержувати високопоруваті матеріали із заданими властивостями – певним співвідношенням мезо- і мікропор та високими адсорбційними характеристиками.

Актуальність проблеми сприяла успішному перебігу проекту, що крім суто наукових доробків додатково надало Інституту понад 1 млн. грн. позабюджетних коштів для досліджень і придбання обладнання, а також дозволило створити разом із партнерами (ЗАТ «Електрод», м. Донецьк) пілотну установку для одержання сорбентів із залученням викопного вугілля. Наразі у зв’язку з подіями у Донецьку доля цієї установки невідома.

Завдяки згаданим проектам встановлено загальні закономірності термохімічного суміщення вуглецевмісних відходів і вугілля в процесах одержання продуктів різного технічного призначення (сорбентів підвищеної міцності й ефективності, а також рідких продуктів («вугільної нафти») з високим вмістом цінних легких фракцій). В тому числі для процесів суміщення різних видів сировини знайдено технологічно значущі ефекти неаддитивності виходу цільових продуктів, хімічного (кислоти, луги, окиснювачі), промотування реакцій конденсації та процесу розвитку поруватості твердого продукту (В.О.Тамко, Т.Г.Шендрік, В.В.Симонова, В.О.Кучеренко та ін.).

Протягом 2006-2012 рр. відділ співпрацював з інститутами СВ РАН в межах Інтеграційного проекту НАНУ – СВ РАН «Анализ проблем и разработка технологий комплексного конкуренто способного энерготехнологического использования угля», зокрема за темою «Термохімічна сумісна конверсія вугілля та вуглецьвмісних відходів у «вугільну нафту» та високопоруваті матеріали». За результатами співпраці опубліковано монографію «Глубокая переработка бурых углей с получением жидких топлив и углеродных материалов» Т.Г.Шендрік, О.М.Осипов) та видано понад 20 фахових наукових праць.

Науково-освітні видання.

Серед вітчизняних науково-освітніх проектів, в яких активно брали участь науковці – вуглехіміки  ІнФОВ НАНУ – видання «Гірнича енциклопедія», «Мала гірнича енциклопедія» та «Гірничий енциклопедичний словник» (В.І.Саранчук, Т.Г.Шендрік, Г.П.Маценко (2001-2014 рр.), «Основи фізики і хімії горючих копалин» (В.І. Саранчук) (2003, 2008 р.), «Транскордонні проблеми токсикології довкілля» (Т.Г.Шендрік) (2008). 

Здобутки перших років ХХ1 ст.

На початку ХХI сторіччя у відділі започатковано системні дослідження процесу конверсії викопного вугілля в нанопоруваті матеріали (НПМ), що можуть бути застосовані у сучасних технологіях очистки водних розчинів, промислових газів та для розділення газових сумішей. Вдосконалено відомий метод лужної активації (одержано патент України на корисну модель), що включає тепловий удар суміші ТГК – луг, дозволяє отримати адсорбент с розвинутою поверхнею при зменшеному співвідношенні луг/ТГК і досить широкими можливостями застосування (В.О.Кучеренко, Ю.В. Тамаркіна, Т.Г.Шендрік). Синтезовано нові вуглецеві адсорбенти з розвинутою нанопоруватістю та питомою поверхнею в межах 1000-2000 м2/г. Вивчено їхні адсорбційні властивості по відношенню до газоподібного водню та деяких екотоксикантів (іони важких металів, фенол, хлорфеноли, барвники (Т.Г.Шендрік, В.В.Симонова, Л.М. Ісаєва, О.С  Грибанова) та тест-сполук (криптон, ксенон, газоподібні йод та йодистий метил (Т.Г.Шендрік, В.Г.Колобродов (НТЦ «ХПІ»), що моделюють склад забруднення повітря при роботі атомних електростанцій (АЕС) [28, 29]. Порівняння результатів щодо ефективності НПМ у різних адсорбційних процесах з промисловими аналогами показало переважаючі якості нових НПМ (за виключенням механічної міцності). 

Синтезовані за розробленим методом НПМ з піролізованої деревної тріски апробовано (разом з О.В.Кузьміним, Національний університет харчових технологій, м. Київ) у процесах виробництва лікеро-горілчаних виробів. Одержано низку патентів на винахід щодо одержання та застосування таких НПМ для згаданої галузі харчової промисловості («Спосіб виробництва активного вугілля із карбонізату деревини», «Спосіб виробництва пористих вуглецевих матеріалів із піролізованих деревних відходів», «Спосіб виробництва горілки», «Спосіб виробництва коньяку» тощо). Застосування активного вугілля із деревних відходів, що утворюються після копчення харчових продуктів, адаптоване до технології лікеро-горілчаного виробництва, що дозволяє покращити смакові якості горілчаних виробів, прискорити процес дозрівання коньячних спиртів і знизити собівартість готової продукції, зменшити кількість означених відходів. 

Результати наукових досягнень з адсорбції важких металів отриманими у відділі сорбентами з різної вуглецевої сировини (разом з проф. А.С.Алємасовою, ДонНУ) покладено в основу розробки методики покращення метрологічних характеристик електротермічного сорбційно-атомно–абсорбційного визначення Pb(ІІ) і Cd (ІІ) у водних розчинах. Методика впроваджена у вимірювальній лабораторії УкрНДІсіль для порівняльного аналізу кухонної солі, природних розсолів і вод; вона рекомендована для включення в міждержавний стандарт №13685 «Соль кухонная пищевая. Методы испытаний». Методики мають значний соціальний ефект, оскільки на відміну від існуючих використовують нетоксичні хімічні реагенти, мають більшу експресність та кращі метрологічні характеристики. 

Завдяки тісній співпраці з промисловими підприємствами Донеччини відділ мав змогу спрямувати свій науковий потенціал для вирішення потреб коксохімічного виробництва. Співробітниками відділу (В.О.Тамко, В.І.Саранчук) було визначено вплив деяких сполук бору на реакційну здатність та міцність металургійного коксу з метою досягнення показників, притаманних коксу класу «Преміум», що успішно експортується в далеке зарубіжжя. Розроблена технологія післяпічної обробки доменного коксу обраними реагентами з метою підвищення його гарячої механічної міцності (CSR) і зниження реакційної здатності (CRI) (за участі технічного директора ПрАТ «Макіївкокс» І.В.Золотарьова). Запатентовано способи одержання доменного коксу з індексами, що відповідають міжнародним стандартам (CSR-56-70%, CRI до 25-30%). Спосіб реалізується шляхом хімічної модифікації поверхні готового коксу розчинами боратів із застосуванням поверхнево-активних речовин (ПАР) різної природи (В.О.Тамко, Т.Г.Шендрік, В.В.Симонова) [33, 34, 35] (див. фото патентів). Розроблену методику підвищення якості металургійного коксу застосовано на ПрАТ «Макіївкокс», що дало значний економічний ефект та дозволило суттєво розширити сировинну базу коксування.

Науково-координаційна діяльність відділу. 

Помітною була роль відділу і Інституту в координації досліджень з хімії твердих горючих копалин в Радянському Союзі. За активної участі відділу хімії вугілля з 1984 по 1991 рр. у Донецьку регулярно проводились Всесоюзні конференції й семінари з міжнародної участю з проблемам дослідження структури ТГК, створення ефективних методів утилізації низькосортного вугілля, одержання з ТГК рідкого палива й гумінових препаратів, а також з проблем і перспектив каталізу у вуглехімії. 

Ці форуми відіграли помітну роль у підвищенні рівня використання хімічного потенціалу твердих горючих копалин не тільки України, а й всього СРСР.

З ініціативи ІнФОВ НАНУ як головного інституту у СРСР за пріоритетною програмою «Паливо» у 1993 році була створена довгострокова програма міжнародного співробітництва PICS-119 CNRS – ECOTECH «Вуглецеві адсорбенти. Вуглехімія. Охорона довкілля» (А.Ф.Попов, В.І.Саранчук, Т.Г.Шендрік). У рамках програми вуглехіміки ІнФОВ виконали актуальні дослідження у наукових центрах Болгарії, Польщі, Франції. Свого часу співробітники відділу були активними учасниками міжнародних форумів (Coal Science – 95, 97, CARBON – 96, 98, 2000, 2002, New Carbon and Composite Materials – 2000, 2003, 2004 та ін.).

Визнання провідної ролі ІнФОВ ім. Л.М.Литвиненка НАН України та відділу хімії вугілля при експертизі потенціалу вітчизняних ТГК та технологічного і енергетичного їх застосування обумовило нашу участь практично у всіх науково-практичних конференціях, що проводилися вже на теренах незалежної України. 

Фахівці відділу протягом 2000-2019 рр. постійно приймають участь у міжнародних форумах з питань екології, енергозбереження та раціонального використання ТГК в ранзі доповідачів, керівників секцій та модераторів пленарних засідань.

Участь у редакційних колегіях фахових видань.

Багатогранні знання, великий досвід, наукова активність  та експертні якості фахівців відділу у галузі структури, генезису, модифікації, екологічно дружнього використання горючих копалин обумовили їхню участь у редакційних колегіях фахових журналів України та РФ. Проф. В.І.Саранчук довгі роки свого творчого життя був членом редакційної колегії головного журналу вуглехіміків СРСР та близького зарубіжжя – «Химии твердого топлива». Професори Л.Ф.Бутузова і Т.Г.Шендрік дотепер є членами редакційної колегії «УглеХимического журнала». 

Проф. Т.Г.Шендрік приймає діяльну участь у роботі редакційних колегій низки журналів: Journal Scientific Bulletin of National Mining University, м Дніпро; «Экология и промышленность» м. Харків; Журнал Сибирского Федерального Университета. Химия», м. Красноярськ, РФ, журналу «Донецький вісник наукового товариства ім. Т.Г. Шевченка», була членом Організаційного і Програмного комітетів міжнародних наукових конференцій «Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития» (дотепер), «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», «Catalytic and Thermochemocal Conversions of Natural Organic Polymers», «Recent advances in adsorption processes for environmental protection and security» та ін. 

Професор В.І. Саранчук протягом декількох каденцій був членом Експертної Ради ВАК при КМ України з хімічних наук, а проф. Т.Г.Шендрік з 2008 р. і дотепер працює членом Експертної ради з хімічних наук ДАК МОН України за спеціальністю 02.00.13 – нафтохімія і вуглехімія.  . 

Науково-технічна допомога відділу підприємствам регіону.

Останніми довоєнними роками створилося і зміцніло співробітництво колективу з Держпідприємством «Укруглекачество» щодо визначення змін якості вугілля, яке зберігається на складах шахт, збагачувальних фабрик та подається на спалювання до ТЕС. Але події на сході країни зруйнували (призупинили) це плідне співробітництво, яке давало змогу попередити корупцію та некомпетентне використання ТГК в енергетиці країни. 

Основні наукові напрями

  • вивчення реакційної здатності викопного вугілля і графіту та розробка процесів їх термохімічної конверсії в нанопоруваті адсорбенти, сполуки інтеркалювання, гумати металів, індивідуальні органічні речовини (бензолкарбонові кислоті, карбазол, тиофен та ін.)
  • дослідження властивостей продуктів термохімічної конверсії вугілля та графіту

Область наукових інтересів: вуглехімія, хімія твердих горючих копалин

Досліджено:

  • закономірності лужної конверсії бурого вугілля в нанопоруваті вуглецеві матеріали та їх властивості і адсорбційна здатність по відношенню до сполук-єкотоксикантів
  • зміни реакційної здатності і міцності металургійного коксу внаслідок його низькотемпературної обробки сполуками бору
  • закономірності утворення рідких горючих і газових продуктів з низькометаморфізованого вугілля та їх сумішей з вуглецьвмісними промисловими відходами

Одержано:

  • нові вуглецеві адсорбенти з розвинутою нанопоруватістю та питомою поверхнею в межах 1000-2000 м2/г, що можуть застосовуватись в якості електродних матеріалів для іоністорів та адсорбентів для очищення водного та повітряного середовища від екотоксикантів
  • модифікований сполуками бору металургійний кокс з підвищеною міцністю після реакції з діоксидом вуглецю (СRI) та зниженою реакційною здатністю (СRI)
  • зразки рідких продуктів як потенційних компонентів моторних палив

Встановлено:

  • адсорбційні властивості буровугільного нанопоруватого матеріалу по відношенню до газоподібного водню та сполук – екотоксикантів: іони важких металів, фенол, хлорфеноли та тест-сполуки, що моделюють забрудників повітря робочої зони АЕС (криптон, ксенон, газоподібні йод та йодистий метил)
  • реакційну здатність та міцність коксу, модифікованого сполуками бору
  • характеристики рідких продуктів термохімічної конверсії ТГК та їх сумішей з відходами

Розроблено:

  • новий метод лужної активації, що включає тепловий удар суміші вугілля – луг і дозволяє отримати адсорбент з високо розвинутою поверхнею при зменшеному співвідношенні луг/вугілля
  • новий спосіб одержання коксу підвищеної якості

Застосовано:

  • метод підвищення якості металургійного коксу в промисловості (ПрАТ «Макіївкокс»);
  • нанопоруваті матеріали з піролізованої тріски деревини для очищення лікеро-горілчаних виробів.

За 5 останніх років науковцями відділу опубліковано 25 статей, отримано 5 патентів України, вийшли друком 2 монографії.Найважливіші публікації за останні 5 років:

  1. Preparation of nanoporous adsorbents from brown coal using alkali activation and thermal shock / Tamarkina Yu.V., KucherenkoV.A., Shendrik T.G., Mysyk R.D., Tsyba N.N. // Химия, физика и технология поверхности. – 2012. Т.3 – №2. – С. 133-141.
  2. Conversion of Alexandriya brown coal into microporous carbons under alkali activation / Tamarkina Yu.V., Shendrik T.G., KucherenkoV.A., Khabarova T.V. // Журнал Сибирского федерального ун-та (СФУ). Химия. – 2012. –т.5. – №1. – С. 24-35.
  3. Химическая модификация смесей угля и нефтеотхода как подход к повышению выхода летучих продуктов / Симонова В.В., Кучеренко В.А., Шендрик Т.Г. // Вопросы химии и химической технологии, 2012, №4.-С.95-100
  4. Alkaline activation of the coals of different ranks / Tamarkina Yu.V., KucherenkoV.A., Shendrik T.G. // Solid Fuel Chemistry.-2013. – V.47. – №1. P.1-6.
  5. Конверсия химически модифицированных углей и углеродсодержащих отходов в жидкие продукты / Шендрик Т.Г., Кучеренко В.А., Симонова В.В // Журнал СФУ. Химия, 2013, том 6, №3, С.251-265
  6. Образование алканов С14 при щелочной активации бурого угля / Тамаркина Ю.В., Тамко В.А., Кучеренко В.А., Шендрик Т.Г. // Журн. прикл. химии – 2013.- Т. 86, вып. 12. – С. 1-7.
  7. Щелочная активация углей и углеродных материалов / Кучеренко В.А., Тамаркина Ю.В., Шендрик Т.Г. // Химия твердого топлива – 2014. – № 4. – С. 40-48.
  8. Надмолекулярная структура активированных углей, полученных щелочной активацией ископаемых углей разной степени метаморфизма / Вишневский В.Ю., Кучеренко В.А. // Вопросы химии и химической технологии. – 2014. – Т.5-6(98). – С. 4-8.
  9. Взаимосвязь газовыделения и порообразования при щелочной активации бурого угля / Кучеренко В.А., Тамаркина Ю.В., Шендрик Т.Г. // Химия твердого топлива – 2015. – № 2. – С. 34-40.
  10. Sypramolecular Compounds as Precursors of Active Carbon (Review) / Kucherenko V.A., Tamarkina Y.V., Shendrik T.G. // Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1. – 2015(8). Р. 99-128.