Қазақстан Республикасының білім жəне ғылым министрлігі

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

127 

 

УДК 541.128.13 

 

1,2

Каирбеков Ж.К., 

1,2

Ермолдина Э.Т., 

1,2

Джелдыбаева И.М.

*

, 

1,2

Сманова Б.С. 

 

1

ДГП НИИ Новых химических технологий и материалов,  

2

РГП Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан 

*Е-mail: 

us.niinhtm@mail.ru

  

 

Оптимизация процесса извлечения гуминовых кислот из угля 

 

Методом вероятностно-детерминированного планирования  эксперимента  на  основе 

нелинейной  множественной  корреляции  определены  оптимальные  условия  экстракции 

гуминовых  кислот  (ГК)  из  угля  месторождения  «Куньмин»  (КНР).  Составлено 

обобщенное 

многофакторное 

уравнение 

Протодьяконова. 

Проведенные 

экспериментальные данные подтверждают адекватность математической модели процесса 

и ее можно использовать для регулирования технологического режима и прогнозирования 

коррекции выхода гуминовых кислот.  

Ключевые слова: оптимизация, гуминовые кислоты, уголь, экстрагент 

 

 

1,2

Қайырбеков Ж.Қ., 

1,2

Ермолдина Э.Т., 

1,2

Джелдыбаева И.М., 

1,2

Сманова Б.С., 

 

1

ЕМК Жаңа химиялық технологиялар мен материалдар ҒЗИ,  

2

РМК әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті, Алматы қ., Қазақстан 

 

Көмірден гумин қышқылдарын алу үрдісін оңтайландыру 

 

Тәжірибені  жоспарлаудың  ықтималды-анықталған  әдісі  бойынша  көптік  сызықты 

емес  түзетулер  негізінде  “Куньмин”  кен  орнының  көмірінен  гумин  қышқылын 

экстракциялаудың 

оңтайлы 

шарттары 

анықталған. 

Жалпылама 

көпфакторлы 

Протодьяконов  теңдеуі  құрылған.  Келтірілген  тәжірибелік  мәліметтер  үрдістің 

математикалық  моделінің  баламалығын  дәлелдейді  және  оны  технологиялық  режимді 

реттеуге, гумин қышқылының шығымын түзетуді болжауға қолдануға болады. 

Түйін сөздер: оңтайландыру, гумин қышқылы, көмір, экстрагент. 

 

 

1,2

Kairbekov Zh.K., 

1,2

Yermoldina E.T., 

1,2

Jeldybayeva I.M., 

1,2

Smanova B.S. 

 

ASE Scientific Research Institute of New Chemical Technologies and Materials  

RSE al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan 

 

Optimization process of extraction  of humic acids from coal 

 

The  method  of  the  probability  determined  scheduling  of  an  experiment  on  the  basis  of  a 

non-linear multiple correlation determined optimum conditions of extraction of the humic acids 

(HA)  from  coal  of  the  Kunming  field  (People's  Republic  of  China).  The  generalized 

multifactorial  equation  of  Protodyakonov  is  worked  out.  The  carried-out  experimental  datas 

confirm  adequacy  of  mathematical  model  of  process  and  it  can  be  used  for  regulation  of  the 

technological mode and prediction of correction of an exit of humic acids.  

Keywords: optimization, humic acids, coal, extragent 

 

 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

128 

 

Введение 

 

В основе существующих технологий переработки угля лежат принципы экстракции 

полезных  веществ  органическими  экстрагентами  различной  полярности.  Из  торфа, 

представляющего  собой  высокомолекулярную  гидрофильно-липофильную  систему, 

выделение  экстрактивных  веществ  затруднено,  посколько  они  образуют  в  нем  микро-  и 

макроструктуры с прочными связями. Состав, свойства и содержание гуминовых кислот 

(ГК),  представляющих  собой  полисопряженные  системы  с  широким  спектром 

функциональных  групп,  зависят  от  исходного  сырья,  способов  их  выделения  и  очистки 

[1]. 

Эксперимент 

 

В  качестве  объекта  исследования  для  процесса  извлечения  гуминовых  кислот  был 

выбран  уголь  (У)  месторождения  «Куньмин»  (Китайская  Народная  Республика)  со 

следующими физико-химическими характеристиками: W

a

 – 15,4%, A

d

 – 7,8%, V

daf 

– 34,7%, 

C

daf 

–  62,1%,  H

daf 

–  5,3%,  N

daf 

+  O

daf

  –  24,5%,  S

daf

  –  0,3%.  Для  определения  оптимальных 

параметров  извлечения  ГК  проведены  лабораторные  опыты  с  использованием  метода 

вероятностно-детерминированного  планирования  эксперимента  [1].  С  этой  целью  нами 

были исследованы четыре основных фактора, влияющих на выход ГК (таблица 1).  

 

Результаты и обсуждения 

 

Таблица 1 – Исследуемые факторы и их уровни 

Факторы 

Уровни 

1 

2 

3 

4 

Х

1 

– температура, К

 

293 

313 

333 

353 

Х

2 

– время экстракции, мин. 

30 

60 

90 

120 

Х

3 

– концентрация  щелочи, % 

1,0 

2,0 

3,0 

4,0 

Х

4 

– массовое соотношение уголь: щелочь 

1:100 

2:100 

3:100 

4:100 

 

Была  создана  матрица  четырех  факторов  при  четырех  уровнях.  Планирование 

экспериментальной работы согласно матрице показано на таблице 2. 

 

Таблица 2 – Матрица планирования эксперимента 

 

X

1 

X

2 

X

3 

X

4 

Y

экс

, % 

Y

выч

, % 

293 

30 

1,0 

1 

23,7 

23,2 

313 

60 

2,0 

2 

33,0 

33,6 

333 

90 

3,0 

3 

34,8 

35,2 

353 

120 

4,0 

4 

45,6 

32,5 

293 

60 

3,0 

4 

24,4 

20,6 

313 

30 

4,0 

3 

19,0 

29,8 

333 

120 

1,0 

2 

52,6 

48,4 

353 

90 

2,0 

1 

37,4 

39,2 

293 

90 

4,0 

2 

40,2 

35,1 

313 

120 

3,0 

1 

55,9 

27,9 

333 

30 

2,0 

4 

26,2 

36,3 

353 

60 

1,0 

3 

36,0 

39,5 

293 

120 

2,0 

3 

52,5 

36,1 

313 

90 

1,0 

4 

37,5 

22,6 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

129 

 

333 

60 

4,0 

1 

40,8 

44,8 

353 

30 

3,0 

2 

27,0 

46,6 

 

Значения функций, соответствующие каждому фактору, представлены в таблице 3. 

 

Таблица 3 – Экспериментальные данные каждой функции 

 

Факторы 

Уровни 

Среднее Y

ср

, % 

1 

2 

3 

4 

Y

1 

– К

 

35,4 

36,3 

38,6 

36,7 

36,7 

Y

2 

– мин 

23,9 

33,5 

37,7 

51,9 

36,7 

Y

3 

- % 

37,4 

37,2 

35,5 

36,4 

36,6 

Y

4 

– г 

37,7 

38,2 

35,8 

33,4 

36,2 

 

По  данным  таблицы  3  построены  графики  частных  зависимостей  извлечения 

гуминовых кислот из угля от исследуемых факторов (рисунок). 

 

 

 

Рисунок - Зависимость выхода гуминовых кислот от температуры (а), от 

продолжительности извлечения (б), от концентрации щелочи (в), от соотношения 

уголь:щелочь (г) 

 

Для  описания  кривой методом  наименьших квадратов  проводился  подбор  и  расчет 

эмпирических формул. Уравнения частных зависимостей приведены в таблице 4. 

 

 

 

 

 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

130 

 

Таблица 4 – Вычисленные данные каждой функции 

 

Функция 

Уровень 

Среднее 

значение, 

Y

ср,

 

% 

1 

2 

3 

4 

Y

1

= 0,001Х

3

1

+0,1544Х

1

-6,6515Х

1

+108,6 

29,33 

25,58 

49,35 

52,64  39,23 

Y

2

= 0,0015Х

2

2

-0,1617Х

2

+34,056 

30,56 

29,75 

31,65 

36,25  32,05 

Y

3

= 4,4125Х

3

3

-33,85Х

2

3

+75,638Х

3

-13,15 

33,05 

38,03 

28,25 

30,20  32,38 

Y

4

=3,6812Х

2

4

+16,024Х

4

+19,931 

32,27 

37,25 

34,87 

25,13  32,38 

 

Пользуясь  коэффициентом  нелинейной  множественной  корреляции,  были 

проверены значения каждой из функции. 

 

где, Y

эксп  

– результаты эксперимента;  

Y

теор 

– теоретически вычисленное значение; 

Y

сред

 

 

– среднее экспериментальное значение; 

 

где, N

  

– количество описанных факторов; 

К – количество участвовавших факторов; 

 

При  данных  условиях,  N  =  4,  К  =  1,  потому  что  учитывается  только  воздействие 

одного фактора.  

Результаты вычисления коэффициента нелинейной множественной корреляции и его 

значимость представлены в таблице 5. 

 

Таблица 5 – Коэффициенты корреляции отдельных функций и их значимости 

Функция 

Y

1 

Y

2 

Y

3

 

Y

4

 

R 

0,998 

0,7688 

0,988 

0,8805 

t

R 

432,58 

3,26 

71,73 

6,79 

Значимость 

значимо 

значимо 

значимо 

значимо 

 

После  проведения  всех  экспериментальных  измерений  согласно  матрице  было 

получено  общее  уравнение,  описывающее  выход  гуминовой  кислоты  в  процессе 

экстракции из бурого угля. 

В  уравнение  были  включены  значения  факторов,  соответствующие  каждому  из  16 

матричных  экспериментальных  работ,  и  для  каждой  работы  были  включены  значения 

функций,  представленные  в  таблице  4  и  рассчитаны  выходы  гуминовой  кислоты  для 

каждого из экспериментов. 

Таким  образом,  были  определены  оптимальные  условия  экстракции  гуминовой 

кислоты из угля, которые соответсвуют следующим значениям: 

2

2

1

)

(

)

1

(

)

(

)

1

(

1

орт

эксп

n

x

теор

эксп

n

Y

Y

K

N

Y

Y

N

R





















2

1

1

2













R

K

N

R

t

R

3

4

2

4

4

,

32

931

,

19

024

,

16

3,6812Х

*

15

,

13

3

638

,

75

2

3

85

,

33

3

3

4125

,

4

*

056

,

34

2

1617

,

0

2

2

0015

,

0

*

6

,

108

1

6515

,

6

2

1

1544

,

0

3

001

,

0























Х

Yn

X

X

X

X

X

X

X

X

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

131 

 

Х

1

 – температура экстракции – 333К; 

Х

2

 – время проведения экстракции – 120мин; 

Х

3

 – концентрация щелочи – 1,0%; 

Х

4

 – отношение угля к щелочи – 2:100; 

 

Для  повышения  выхода  гуминовых  кислот  мы  обработали  уголь  8М  раствором 

азотной кислоты при температуре 353К по отношении кислоты к углю 5:1 [2]. Окисление 

проводили в течение 3 часов. Результаты окисления представлены в таблице 6.  

Выход  гуминовой  кислоты  при  этом  увеличился  на  26,2%.  Основной  причиной 

можно  считать  увеличение  содержания  кислородсодержащих  соединений  в  процессе 

окисления угля. 

 

Таблица  6  –  Влияние  процесса  окисления  угля  азотной  кислотой  на  выход  гуминовой 

кислоты 

Уголь 

Масса 

угля, г 

Т, К 

Концентрация, 

экстрагента % 

Длительность 

эксперимента 

Выход гуминовой 

кислоты, % 

Начальный 

2,0 

333 

1,0 

120 

55,0 

Окисленный  2,0 

333 

1,0 

120 

81,2 

 

Метод  ИК-спектроскопии  широко  используется  для  анализа  угля  и  ГК. 

Преимуществами  метода  являются  информативность  по  функциональному  составу, 

экспресность  и  возможность  анализа  веществ  без  дополнительного  фракционирования. 

Это  позволяет  получать  более  достоверную  информацию  о  строении  макромолекул 

угольных мацералов. Данные ИК-спектроскопии приведены в таблице 7. 

В  спектрах  исходного,  окисленного  угля  и  гуминовых  кислот  полученных  из 

окисленного угля, обнаружены полосы поглощения характерным метильным группам при 

бензольном кольце 2930 – 2910 см

-1

и алканам 2880-2860 см

-1

. 

В  не  окисленных  гуминовых  кислотах  эти  спектры  поглощения  не  обнаружены. 

Соли вторичных аминов имеют соответствующую полосу поглощения в интервале 2700-

2250 см

-1

, они обнаружены во всех образцах кроме исходного угля. Полосы поглощения 

при длинах волн 1850 – 1650 см

-1

 соответствует карбонильным и карбоксильным группам, 

присутствующим в окисленных образцах и в ГК. 

 

Таблица  7  –  Характеристика  ИК-спектров  исходного,  окисленного  угля  и  гуминовых 

кислот,  полученных  из  углей  (с  -  сильные  полосы,  ср.  –  средние  полосы,  сл.-  слабые 

полосы) 

Поглощение 

Исх. Уголь 

ГК 

УО 

ГКО 

ν

as

(CH

3

) 

2930 – 2910 cр 

- 

2930 - 2910 ср 

2930 – 2910 ср 

ν

s

(CH

2

) 

2880 – 2860 ср 

- 

2880 – 2860 ср 

2880 – 2860 ср 

ν

s

(NH

3

), втор. 

Амины 

- 

2700 – 2250 ср 

2700 – 2250 ср 

2700 – 2250 сл 

ν (C=О) 

- 

1850-1650 сл 

1850 – 1650 с 

1850-1650 с 

ν (C=C) 

1680 – 1600 с 

1680 – 1600 с 

1680 – 1600 с 

1680 – 1600 с 

δ

s

(CH) 

1450-1300 сл 

1450 - 1300 сл 

1450 - 1300 сл 

1450 – 1300 сл 

δ

s

(CH

3

)

 

 

1385-1370 ср 

1385-1370 сл 

- 

- 

ν (COC) 

1280 – 1200 ср 

1280 – 1200 с 

1280 – 1200 ср 

1280 – 1200 с 

ν (C-O) 

1200 – 1160 ср 

- 

1200 – 1160 ср 

1200 – 1160 с 

ν

as

(COC) 

- 

1150 – 1050 сл 

- 

1150 – 1050 ср 

δ(CH) 

900  - 650 с 

900 – 650 ср 

- 

900 – 650 сл 

δ(SH) 

500 – 575 ср 

500 – 575 ср 

500 – 575 ср 

- 

 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

132 

 

В спектре исходного угля и ГК присутствуют полосы поглощения характерные 1680 

– 1600 см

-1

 и 1385-1370 см

-1

 для бензоидных структур, которые отсутствуют в окисленных 

образцах. В спектрах гуминовых кислот четко видны полосы поглощения 1280 – 1200 см

-1

 

ν(COC) эфирных связей. Кроме того, в спектрах изученных веществ присутствуют полосы 

поглощения 900-650см

-1

 характерных для аренов, также обнаружены полосы поглощения 

500-575см

-1 

органических сульфидов и дисульфидов. 

 

Заключение 

 

Таким образом, сравнительное исследование ИК-спектров угля и гуминовых кислот, 

выделенных  различными  способами,  показало  их  однотипность  по  функциональным 

группам соединений, что свидетельствует об общей модели построения молекул. 

 

 Список литературы 

 

1 Лиштван И.И. Гуминовые вещества в биосфере. // М.: Наука, 1993. – 236 с. 

2  Молдыбаев  А.Б.,  Кричевский  Л.А.  Применение  методики  рационального 

планирования  эксперимента  в  процессе  окисления  бурого  угля  Майкубенского 

месторождения // Химия твердого топлива. - №6. – 1981. – С. 20-22. 

 

 

References 

 

1 Lishtvan I.I. Humic substances in the biosphere [Guminovye veshestva v biosfere] // М.: 

Science, 1993. – 236 p. 

2  Moldybaev  A.B.,  Krichevskiy  L.A.  Application  of  the  method  of  rational  design  of 

experiments  in  the  oxidation  of  brown  coal  deposits  Maikuben  [Primenenie  metodiki 

racional’nogo  planirovaniya  experimenta  v  processe  okisleniya  burgoo  uglya  Maikubenskogo 

mestorozhdeniya] // Solid Fuel Chemistry. -No 6. – 1981. – P. 20-22. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

133 

 

УДК 541.128 

 

1,2

Каирбеков Ж.К., 

1,2

Голодов В.А., 

1,2

Джелдыбаева И.М.*, 

жүктеу/скачать 31,15 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: