161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
Документ Використання гумінових кислот з бурого вугілля при отриманні полімерів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Чжан, СяобіньДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія (16 – хімічна та біоінженерія). Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2022. Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо впливу гумінових кислот на структуроутворення розчинів полімерів на прикладі желатину, полівінілового спирту та гідроксиметилпропілцелюлози та властивості полімерних гідрогелів та біоплівок, одержаних на їх основі. Об`єкт дослідження – процес отримання полімерних гідрогелів та біоплівок на основі желатину, полівінілового спирту та гідроксиметилпропілцелюлози з використанням гумінових кислот. Предмет дослідження – гумінові кислоти, отримані з бурого вугілля та полімерна основа у вигляді желатину, полівінілового спирту та гідроксиметилпропілцелюлози для отримання полімерних гідрогелів та біоплівок, що характеризуються необхідними показниками якості. В дисертаційній роботі вирішено важливе науково-практичне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичне значення, а саме – визначені раціональні умови використання гумінових кислот для отримання гідрогелів та біоплівок на основі желатину, полівінілового спирту та гідроксиметилпропілцелюлози. В експериментальній частині роботі використані сучасні стандартизовані методи визначення властивостей бурого вугілля – технічний (Wa, Ad, Sdt, Vdaf) і елементний (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odafd) аналізи, а також хімічний аналіз (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, SO3) його золи. Крім того, визначали загальну масову частку ((HA)daft), а також вихід вільних гумінових кислот ((HA)daff). Визначали час гелеутворення, динамічну та умовну в’язкість, температуру руйнування та питому електропровідність розроблених розчинів полімерних гідрогелів та біоплівок. Показано, що модифікація полімерних гідрогелів на основі желатину гуміновими кислотами дозволяє отримати полімерні гідрогелі з підвищеним ступенем набрякання та надати їм антибактеріальні властивості, що підтверджується даними, щодо часу появи у них плісняви. Встановлено, що модифікація біоплівок на основі полівинілового спирту гуміновими кислотами дозволяє отримати міцні водостійкі плівки з антибактеріальними властивостями, а модифікація біоплівок на основі гідроксипропілметилцелюлози гуміновими кислотами дозволяє отримати міцні водорозчинні плівки з антибактеріальними властивостями для використання, як пакування для сухих харчових продуктів (хліб, крупи, горіхи та т.п.) з подовженим терміном зберігання. Статистичний аналіз отриманих результатів і розробка математичних рівнянь виконувалася за допомогою ліцензійної комп’ютерної програми Microsoft Excel. У вступі обґрунтована актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, сформульована мета та основні задачі, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація результатів роботи. В першому розділі здійснений аналітичний огляд вітчизняних та світових джерел інформації що спільній переробці вугілля та полімерних матеріалів, обґрунтовано напрям дослідження. Доведено, що формування величезної кількості полімерних відходів в світі штовхає дослідників в напрямку пошуку їх раціональної утилізації. Внаслідок розвиненою коксохімічної та паливно-енергетичної промисловості, одним з напрямків використання полімерних відходів може їх спільне коксування (газифікація) з вугіллям. Одним з найбільш перспективним спільним використанням полімерів з вугіллям є отримання на їх базі полімерних матеріалів, що відрізняються більш високою доданою вартістю. Показано, що найбільш перспективним видається напрямок застосування бурого вугілля для одержання гумінових речовин та кислот і подальшого отримання полімерів і різного типу матеріалів на їх основі. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей бурого вугілля. Наведено результати визначення технічного та елементного аналізу, загальної масової частки та виходу вільних гумінових кислот, а також хімічного складу золи досліджених зразків золи бурого вугілля. Ретельно розглянуті методики визначення виходу гумінових кислот, часу гелеутворення, динамічної в`язкості, умовної в`язкості, температури руйнування, питомої електропровідності, водопоглинання, відносного подовження при розриві міцності при розриві, ступеня набрякання гідрогелей та виконання мікроскопічних досліджень. За допомогою комп’ютерної програми STATISTICA були розроблені експериментально-статистичні математичні моделі (рівняння регресії). Оцінка адекватності моделі проводиться з використанням таких параметрів: середня відносна похибка апроксимації (εі); коефіцієнт детермінації (Ri2); Критерій Фішера (Fi) та критерій статистики (irF). У третьому розділі розглянуто родовища, показники якості та маркування бурого вугілля України. Встановлено, що балансові запаси бурого вугілля в Україні розташовані в Дніпропетровській, Житомирській, Закарпатській, Кіровоградській, Харківській та Черкаській областях та становлять (тис т): категорій А+В+С1 – 2593359; категорії С2 – 299181. Серед існуючих класифікацій найбільш придатна для розподілу бурого вугілля України Міжнародна кодова система бурого вугілля, яка регламентована в ISO 2950:1974 «Brown coal and lignites – Classification by types on the basis of total moisture content and tar yield». Враховуючи той факт, що видобуток бурого вугілля в Україні з 2011 по 2020 роки коливався від 2 до 15 тис т на рік, пошук та розробка неенергетичних методів його використання є дуже перспективним науковим та практичним завданням. У четвертому розділі досліджували використання гумінових кислот для отримання полімерних гідрогелів на основі харчового желатину. Встановлено вплив на умовну в’язкість полімерних гідрогелів, отриманих з харчового желатину та гумінових кислот, наступних чинників: вміст гумінових кислот (0–15 %); часу гелеутворення (0–15 хвилин); вихід летких речовин з вихідного вугілля (Vd=29,1–43,7 %); вміст вуглецю у вихідному вугіллі (Cdaf=60,71–80,83 %); вміст кисню у вихідному вугіллі (Odafd=10,9–29,12 %).Встановлено вплив вмісту гумінових кислот (0–15 %), отриманих від вихідного вугілля, що характеризується різними показниками якості (Vd=29,1–43,7 %; Cdaf=60,71–80,83 %; Odafd=10,9–29,12 %) на температуру топлення, температуру деструкції та час гелеутворення полімерних гідрогелів. Визначено, що наявність частинок бурого вугілля, які залишилися у гумінових кислотах, суттєво спричиняє зменшення процесів структуроутворення у полімерних гідрогелів, перешкоджаючи утворенню у них просторової структурної мережі. Встановлено, що модифікація гуміновими кислотами полімерних гідрогелів на основі желатину призводить до конформаційної зміни вторинної структури желатину. Вперше отримані полімерні гідрогелі на основі желатину модифіковані гуміновими кислотами з підвищеним ступенем набряканням та антибактеріальними властивостями, що підтверджується даними за показником часу появи плісняви у них. Розроблена технологічна схема одержання полімерних гідрогелів на основі желатину модифікованих гуміновими кислотами та встановлена загальна економічна ефективність модифікація їх гуміновими кислотами на рівні рентабельності 30 %. У п’ятому розділі досліджували використання гумінових кислот для модифікації біоплівок на основі полівінілового спирту та гідроксипропілметилцелюлози. Досліджено вплив вмісту гумінових кислот (0–15 %), отриманих з 3 типів бурого вугілля (Vd=29,1–43,7 %; Cdaf=60,71–80,83 %; Odafd=10,9–29,12 %) на показники умовної в`язкості та питомої електропровідності розчинів полівінілового спирту та гідроксипропілметилцелюлози. Встановлено, що введення всіх досліджуваних типів гумінових кислот у розчини полівінілового спирту та гідпроксиметилцелюлози спричинює зменшення умовної в'язкості. Можна зазначити, що їх розчинна дія може потенційно полегшити подальші процеси отримання тонких і міцних біодеградабельних плівок. Збільшення тривалості взаємодії розчину полівінілового спирту та гідроксиметилцелюлози з гуміновими кислотами, отриманих з 3 типів бурого вугілля, а також їх кількості призводить до підвищення їх умовної в`язкості та питомої електропровідності. Розроблені відповідні ESMM для прогнозування умовної в`язкості та питомої електропровідності розчинів полівінілового спирту та гідроксиметилцелюлози з гуміновими кислотами. Встановлено, що наявність конгломератів крупністю більше 1 мм у гумінових кислотах уповільнює процеси структуроутворення запобігаючи утворенню просторової сітчастої структури. Показано, що при модифікації полівінілового спирту гуміновими кислотами розвивається диполь-дипольна взаємодія у вигляді водневого зв’язку між гідроксильною групою ланцюгів полівінілового спирту та гідроксильними та карбоксильними групами гумінової кислоти. Також встановлено, що гумінова кислота була успішно зшита з гідроксипропілметилцелюлозою шляхом багатоточкової взаємодії з карбоксильною групою гумінової кислоти. Вперше отримані міцні водостійкі біоплівки з антибактеріальними властивостями на основі полівинілового спирту та міцні водорозчинні плівки з антибактеріальними властивостями на основі гідроксипропілметилцелюлози модифіковані гуміновими кислотами з подовженим терміном зберігання. Розроблені технологічні схеми одержання полімерних гідрогелів на основі желатину модифікованих гуміновими кислотами та біоплівок на основі полівінілового спирту та гідроксипропілметилцелюлози модифікованих гуміновими кислотами та встановлена загальна економічна ефективність модифікація їх гуміновими кислотами на рівні рентабельності 30 %.