Petroleum ChemistryPetroleum ChemistryНефтехимия0028-24213034-5626The Russian Academy of Sciences67741010.31857/S0028242124050031MVEJCHArticlesСтатьиResearch ArticleОсобенности термохимических превращений тяжелой смолы пиролиза при синтезе нефтеполимерной смолыОсобенности термохимических превращений тяжелой смолы пиролиза при синтезе нефтеполимерной смолыhttps://orcid.org/0000-0001-5592-48826449-6964ЮсевичАндрей Иосифович
Belarus

к. х. н., доцент

usevich@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8320-65707754-1530ТрусовКирилл Игоревич
Belarus
usevich@mail.ruБелорусский государственный технологический университет1510202464544746320032025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0028-2421/article/view/677410

Осуществлен синтез нефтеполимерной смолы путем термической полимеризации непредельных соединений тяжелой смолы пиролиза в автоклаве с мешалкой с последующей отгонкой непревращенных углеводородов под вакуумом. Определены кинетические параметры брутто-реакции по изменению иодного числа реакционной смеси, оценен вклад различных типов двойных связей в суммарный процесс полимеризации по данным инфракрасной спектроскопии. Методом хромато-масс-спектрометрии изучен состав дистиллятной фракции тяжелой смолы пиролиза до и после термической обработки. Определены групповой и элементный составы, физико-химические свойства вакуумного остатка тяжелой смолы пиролиза и нефтеполимерной смолы, изучены особенности их термохимических превращений методом термогравиметрии. На основе 1H и 13C спектров ЯМР установлены структурно-химические параметры исходных и вновь образующихся высокомолекулярных соединений. Предложен химизм их образования из винилароматических углеводородов, индена и его гомологов. Даны технологические рекомендации по повышению эффективности производства темных нефтеполимерных смол.

Осуществлен синтез нефтеполимерной смолы путем термической полимеризации непредельных соединений тяжелой смолы пиролиза в автоклаве с мешалкой с последующей отгонкой непревращенных углеводородов под вакуумом. Определены кинетические параметры брутто-реакции по изменению иодного числа реакционной смеси, оценен вклад различных типов двойных связей в суммарный процесс полимеризации по данным инфракрасной спектроскопии. Методом хромато-масс-спектрометрии изучен состав дистиллятной фракции тяжелой смолы пиролиза до и после термической обработки. Определены групповой и элементный составы, физико-химические свойства вакуумного остатка тяжелой смолы пиролиза и нефтеполимерной смолы, изучены особенности их термохимических превращений методом термогравиметрии. На основе 1H и 13C спектров ЯМР установлены структурно-химические параметры исходных и вновь образующихся высокомолекулярных соединений. Предложен химизм их образования из винилароматических углеводородов, индена и его гомологов. Даны технологические рекомендации по повышению эффективности производства темных нефтеполимерных смол.

пиролизтяжелая смолавинилбензолиндентермическая полимеризацияолигомерфенилтетралинтруксенПравительство РБGovernment of the Republic of BelarusYoung B., Hawkins T.R., Chiquelin C., Sun P., Gracida-Alvarez U.R., Elgowainy A. Environmental life cycle assessment of olefins and by-product hydrogen from steam cracking of natural gas liquids, naphtha, and gas oil // J. of Cleaner Production. 2022. V. 359. ID131884. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131884Лебедева М.А., Колесник В.Д., Машуков В.И., Егоров А. В. Хроматографическое определение химического состава тяжелых смол пиролиза // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 316. № 3. С. 102–105.Ristic N.D., Djokic M.R., Delbeke E.I.P., Quiroga A.G., Stevens C.V., Van Geem K.M., Marin G. B. Compositional characterization of pyrolysis fuel oil from naphtha and vacuum gas oil // Energy Fuels. 2018. V. 32. № 2. P. 1276–1286. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03242Цеунова М.А., Машуков В.И., Головко А.К. Исследование состава и строения высококипящей фракции тяжелой смолы пиролиза широкой фракции легких углеводородов // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. С. 437–444.Djokic M.R., Muller H., Ristic N.D., Akhras A.R., Symoens S.H., Marin G.B., Van Geem K.M. Combined characterization using HT-GC × GC-FID and FT-ICR MS: A pyrolysis fuel oil case study // Fuel Processing Technology. 2018. V. 182. P. 15–25. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.10.007Fatayer Sh., Poddar N.B., Quiroga S., Schulz F., Schuler B., Kalpathy S.V., Meyer G., Pérez D., Guitián E., Peña D., Wornat M.J., Gross L. Atomic force microscopy identifying fuel pyrolysis products and directing the synthesis of analytical standards // J. of the Am. Chem. Soc. 2018. V. 140 (26). P. 8156–8161. https://doi.org/10.1021/jacs.8b02525Лебедева М.А., Машуков В.И., Головко А.К. Анализ и переработка тяжелой смолы пиролиза // Химия в интересах устойчивого развития. 2012. Т. 20. С. 633–638.Юсевич А.И., Трусов К.И., Осипенок Е.М., Куземкин Д.В. Оптимизация условий термической полимеризации тяжелой пиролизной смолы с целью получения нефтеполимерных смол — мягчителей резиновых смесей // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2020. № 2. С. 56–61. https://elib.belstu.by/handle/123456789/35280Zohuriaan-Mehr V.J., Omidian Et.H. Petroleum Resins: An Overview // J. of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews. 2000. V. 40. № 1. P. 23–49. https://doi.org/10.1081/MC-100100577Лесняк В.П., Гапоник Л.В., Шиман Д.И., Костюк С.В., Капуцкий Ф.Н. Синтез, модификация и применение нефтеполимерных смол на основе мономерсодержащих пиролизных фракций // Химические проблемы создания новых материалов и технологий: Сб. ст. под ред. О. А. Ивашкевича. Вып. 3. Минск, 2008. С. 204–245. https://elib.bsu.by/handle/123456789/13348Wei Q., Chen X., He Y., Fu J., Liang J., Wei X., Wang L. Ni Nanoparticles supported on N-doped carbon nanotubes for efficient hydrogenation of C5 hydrocarbon resins under mild conditions // Microporous and Mesoporous Materials. 2022. V. 333. ID111727. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2022.111727Мельчаков И.С., Занавескин Л.Н., Максимов А.Л. Каталитический синтез алифатических нефтеполимерных смол // Химическая промышленность сегодня. 2024. № 3. С. 49–56.Rahmatpour A., Meymandi M.Gh. Large-Scale production of C9 aromatic hydrocarbon resin from the cracked-petroleum-derived C9 fraction: chemistry, scalability, and Techno-economic analysis // Organic Process Research & Development. 2020. V. 25. Issue 1. P. 120–135. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00474Wu Ch., Chen X., Fu J., Zou J., Liang J., Wei X., Wang L. ZIF-derived Co/NCNTs as a superior catalyst for aromatic hydrocarbon resin hydrogenation: Scalable green synthesis and insight into reaction mechanism // Chem. Engineering J. 2022. V. 443. ID136193. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136193Петрухина Н.Н., Захарян Е.М., Корчагина С.А., Нагиева М.В., Максимов А.Л. Гидрирование нефтеполимерных смол на сульфидных ненанесенных наноразмерных катализаторах // Наногетерогенный катализ. 2017. Т. 2. № 2. С. 127–135. https://doi.org/10.1134/10.1134/S2414215817020083 [Petrukhina N.N., Zakharyan E.M., Korchagina S.A., Maksimov A.L., Nagieva M.V. Hydrogenation of polymeric petroleum resins in the presence of unsupported sulfide nanocatalysts // Petrol. Chem. 2017. V. 57. N14. P. 1295–1303. https://doi.org/10.1134/S0965544117140080 ]Петрухина Н.Н., Захарян Е.М., Корчагина С.А., Нагиева М.В., Максимов А.Л. Гидрирование нефтеполимерных смол на сульфидных нанесенных катализаторах // Нефтехимия. 2018. Т. 58. № 1. С. 52–59. https://doi.org/10.7868/S0028242118010070 [Petrukhina N.N., Zakharyan E.M., Korchagina S.A., Nagieva M.V., Maksimov A.L. Hydrogenation of petroleum resins in the presence of supported sulfide catalysts // Petrol. Chem. 2018. V. 58. N 1. P. 48–55. https://doi.org/10.1134/S0965544118010127]Абрамов О.Н., Сидоров Д.В., Апухтина Т.Л., Храмкова В.А. Получение пекового углеродного волокна на основе нефтяного сырья // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2015. Т. 58. Вып. 5. С. 86–89.Мухамедзянова А.А., Мухамедзянов А.Т., Гимаев Р.Н., Хайбуллин А. А. Получение пластичных анизотропных пеков из продуктов термообработки тяжелой смолы пиролиза углеводородного сырья // Журнал прикладной химии. 2015. Т. 88. Вып. 8. С. 1203–1207. [Mukhamedzyanova A.A., Mukhamedzyanov A.T., Gi-maev R.N., Khaibullin A.A. Preparation of plastic anisotropic pitches from products of heat treatment of heavy tar from pyrolysis of hydrocarbon raw materials // Russian J. of Applied Chemistry. 2015. V. 88. N 8. P. 1321–1325. https://doi.org/10.1134/S1070427215080157 ]Liu J., Chen X., Xie Q., Liang D. Controllable synthesis of isotropic pitch precursor for general purpose carbon fiber using waste ethylene tar via bromination–dehydrobromination // J. of Cleaner Production. 2020. V. 271. Article 122498. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122498Chung Wen-Ya, Brahma Sanjaya, Hou Shang-Chieh, Chang Chia-Chin, Huang Jow-Lay. Petroleum waste hydrocarbon resin as a carbon source modified on a Si composite as a superior anode material in lithium ion batteries // Materials Chemistry and Physics. 2021. V. 259. Article 124011. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124011Wu Sh., Song Y., Lu Ch., Yang T., Yuan Sh., Tian X., Liu Zh. High-rate soft carbon anode in potassium ion batteries: The role of chemical structures of pitches // Carbon. 2023. V. 203. P. 211–220. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.058Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений: Пер. с англ. М.: Мир. 1965. 217 с.Бродский Е.С. Масс-спектрометрический анализ углеводородов и гетероатомных соединений нефти // В сб. “Методы исследования состава органических соединений нефти и битумоидов”. Под ред. Г. Д. Гальперина. М.: Наука, 1985. С. 57–119.Никулина Н.С., Дмитренков А.И., Никулин С.С., Власова Л.А., Санникова Н.Ю. Перспектива применения для модификации древесных материалов α-винилнафталина // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2021. № 2. С. 73–78.Gill G.B., Hawkins S., Gore P.H. Concerted and non-concerted hydrogen transfer: the thermal disproportionation of 1,2- and 1,4-dihydronaphthalenes // J. of the Chem. Soc. Chem. Communications. 1974. V. 18. P. 742. https://doi.org/10.1039/c39740000742Справочник нефтехимика. В двух томах. Т. 1. Под ред. С.К. Огородникова. Л.: Химия, 1978. 496 с.NIST Standard Reference Database Number 69. https://doi.org/10.18434/T4D303Chirico R.D., Steele W.V., Kazakov A.F. Thermodynamic properties of indan: Experimental and computational results // J. Chem. Thermodynamics. 2016. V. 96. P. 41–51. https://dx.doi.org/10.1016/j.jct.2015.12.005Chirico R.D., Steele W.V. Thermodynamic properties of 1.2-dihydronaphthalene: Glassy crystals and missing entropy // J. Chem. Thermodynamics. 2008. V. 40. Is. 5. P. 806–817. https://doi.org/10.1016/j.jct.2008.01.009Курбатов В.А. Термическая полимеризация и олигомеризация мономеров // Успехи химии. 1987. Т. LVI. Вып. 5. С. 865–887.Behar F., Beaumont V., Penteado H. Rock-Eval 6 Technology: Performances and Developments // Oil & Gas Science and Technology. 2001. V. 56. № 2. P. 111–134. https://doi.org/10.2516/ogst:2001013Zhou D., Chen X., Liang J., Wei X., Wu Ch., Li W., Wang L. High-Temperature Stability and Pyrolysis Kinetics and Mechanism of Bio-Based and Petro-Based Resins Using TGFTIR/MS // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2021. V. 60. Is. 38. P. 13774–13789. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c02535Jiang M., Wei X., Chen X., Wang L. Liang J. C9 Petroleum resin hydrogenation over a peg1000-modified nickel catalyst supported on a recyclable fluid catalytic cracking catalyst residue // ACS Omega. 2020. V. 5. Is. 32. P. 20291–20298. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02193Bozkurt A., Akbulut U., Toppare L. Conducting polymer composites of polypyrrole and polyindene // Synthetic Metals. 1996. V. 82. Is. 1. P. 41–46. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(97)80007-0Goel Sh., Mazumdar N., Gupta A. One-dimensional nanofibers of polyindene: Synthesis and characterization // J. of Polymer Research. 2010. V. 17. Is. 5. P. 639–645. https://doi.org/10.1007/s10965-009-9352-1Schnabel W., Levchik G.F., Wilkie Ch., Jiang D.D., Levchik S.V. Thermal degradation of polystyrene, poly(1.4-butadiene) and copolymers of styrene and 1.4-butadiene irradiated under air or argon with60Co-γ-rays // Polymer Degradation and Stability. 1999. V. 63. № 3 P. 365–375. https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00114-1Федотов А.В., Красновских М.П., Мокрушин И.Г. Термическая деструкция изделий из пенополистирола // Вестник Пермского университета. Химия. 2015. Вып. 2 (18). С. 102–109.Becker C.M., Biagini A.B., Forte M.M.C., Amico S.C., Vargas J.V.C., Azambuja D.S. Sulfonation and characterization of styrene-indene copolymers for the development of proton conducting polymer membranes // Polímeros. 2012. V. 22. № 4. P. 395–400. http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282012005000069Химия углеводородов нефти. В трех томах. Т. II / Под ред. Б.Т. Брукса, С.Э. Бурда, С.С. Куртца, Л. Шмерлинга / Пер. с англ. под ред. проф. М.М. Кусакова. Л.: Гостоптехиздат, 1958. 391 с.Pyase L. Gupta, Prem V. Dogra, Rakesh K. Kuchhal and Pradeep Kumar. Estimation of average structural parameters of petroleum crudes and coal-derived liquids by13C and1H n. m. r. // Fuel. 1986. V. 65. Is. 4. P. 515–519. https://doi.org/10.1016/0016-2361(86)90042-6Кривдин Л.Б. Последние достижения в области ЯМР топлив: краткий обзор // Успехи химии. 2024. Т. 93. Вып. 1. RCR5105. https://doi.org/10.59761/RCR5105Вацулик П. Химия мономеров. Т. I. Под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. 739 с.