Введение к работе
Актуальность проблемы. На рубеже XXI века особенно актуальным становится вопрос об использовании различных техногенных отходов в качестве сырья, в частности, для наукоемких процессов. Одной из наиболее важных экологических проблем энергетики остается переработка зол и шлаков ТЭС, низкий уровень утилизации которых связан в первую очередь с переменным химическим, фракционным и фазовым составом. Наиболее перспективными в этом отношении представляется развитие процессов, включающих стадию выделения компонентов энергетических зол стабилизированных по составу при высоких температурах сжигания угля. Одним из таких компонентов являются магнитные микросферы, практическая ценность которых определяется микросферическим дизайном, высокой концентрацией соединений железа со структурой ферритовых шпинелей, что открывает возможность их использования в качестве эффективных термостабильных катализаторов окисления. Однако, существующие в настоящее время способы выделения магнитных микросфер ориентированы на получение магнитных концентратов неопределенного состава, что не позволяет прогнозировать их каталитические свойства.
В связи с этим разработка способа выделения магнитных микросфер постоянного состава, детальное исследование их свойств, в том числе каталитических, является актуальным как с научной, так с и практической точек зрения.
Цель работы заключалась в разработке процесса выделения магнитных микросфер постоянного состава из энергетических зол, детальном исследовании состава и морфологии узких фракций магнитных микросфер, изучении особенностей минералообразования при их формировании, а также исследование их каталитической активности в реакциях глубокого окисления и окислительной конденсации метана.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХХТ СО РАН по темам: «Разделение ультрадисперсных техногенных отходов во взвешенном восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом» и «Изучение природы центров
активации окислителей (кислорода и закиси азота) на оксидных катализаторах в процессе окислительной конденсации метана (ОКМ)» по программе СО РАН «Разработка теоретических основ катализа и новых поколений катализаторов и каталитических процессов».
Научная новизна. Впервые из энергетических зол, полученных от
сжигания бурого ирша-бородинского и каменного кузнецкого углей,
двустадииным процессом, включающим магнитную сепарацию и разделение в
гидродинамическом режиме, выделены магнитные микросферы постоянного
состава. Проведено детальное исследование состава и морфологии узких
фракций магнитных микросфер. Установлена зависимость морфологии глобул
и величины модуля основности стеклофазы при формировании магнитных
микросфер. і
При изучении каталитических свойств исходных магнитных микросфер впервые показано, что активной фазой в реакции окислительной конденсации метана является дефектная шпинель на основе. Fe.Mg.MnKpeppnTa. Установлено, что рост концентрации Fe2* вшпинельной фазе приводит к линейному увеличению селективности образования С2-продуктов с одновременным снижением селективностей образования оксидов углерода в реакции окислительной конденсации метана при 1123 К и линейному снижению скорости глубокого окисления при 793 К. Впервые показано, что фторирование стеклокристаллических микросфер приводит к образованию оксифторидных комплексов, стабилизирующих железо в состоянии Fe2* и препятствующих его окислению до гематита в условиях высокотемпературного окислительного превращения метана. Исследование каталитических свойств исходных магнитных микросфер в интервале температур 630-910 К позволило предположить, что активность новых стеклокристаллических систем в реакции глубокого окисления метана аддитивно определяется свойствами двух фаз: а-РвгОз и (Fe,Mg,Mn)Fe20«.
Практическая ценность. Детальная характеристика физико-химических свойств магнитных микросфер постоянного состава позволяет прогнозировать их каталитические свойства и использовать в качестве дешевых катализаторов высокотемпературных процессов окислительного превращения метана, экологически безопасного сжигания всех видов топлива и органических
техногенных отходов. Выделение магнитных микросфер из энергетических зол позволяет сократить в среднем на 10% объем складируемых на золоотвапах отходов, значительно снижает в них содержание железа, что в свою очередь положительно сказывается на технологических свойствах золы и расширяет сферу возможных направлений ее промышленного использования.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Third Workshop «С, - Сз hydrocarbon conversion» (Krasnoyarsk, 1997), научно-практической конференции и выставке "Достижения науки и техники -развитию города Красноярска" (Красноярск, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи, 4 тезисов, заявка на патент, получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Во введении обосновывается актуальность темы и ставятся задачи исследования.
