Наименование темы научной, научно-технической программы
BR24992921 «Разработка инновационных технологий получения новых органических веществ и композитных материалов из отходов угледобывающих и углехимических предприятий Казахстана» (2024-2026 г.г.)
Актуальность
Казахстан обладает богатым угольным ресурсом и входит в топ-10 мировых стран-лидеров по подтвержденным запасам угля, которые составляют 34,2 миллиарда тонн (4% от общемирового объема), что покрывает потребности республики в этом ценном сырье более чем на 250 лет. В настоящее время угольная промышленность страны полностью обеспечивает металлургическую промышленность Казахстана коксом и решает вопрос теплоснабжения населения, а также способствует выработке около 70% электроэнергии. Концепцией развития топливно-энергетического комплекса Казахстана предусмотрено, что рынок угля как топлива в ближайшие годы будет снижаться в связи с развитием альтернативных «зеленых» технологий и возобновляемых источников энергии.
Острым вопросом республики является высокая потребность в продукции, которую можно получить из угля и углеотходов. В общей сложности путем переработки на основе каменного топлива можно произвести свыше 400 различных востребованных на рынке товаров с высокой добавленной стоимостью (стоимость которых может быть в 20-30 раз дороже цены на уголь).
Цель программы
Запланированные исследования по данной Программе направлены на решение важной стратегической задачи для Казахстана – повышения уровня глубокой переработки угля, углеотходов и продуктов коксохимического производства с целью получения углеродсодержащих материалов с добавленной стоимостью. Эти исследования объединяют четыре научные направления: разработка технологии получения электродного кокса из каменноугольной смолы – отхода коксохимического производства; получение композитных сорбентов из углеотходов для очистки водных ресурсов от нефти и нефтепродуктов; создание металл-углеродных катализаторов с применением современных углеродных материалов; целенаправленный синтез новых биоактивных соединений на основе нафталина – продукта коксохимического производства. Выполненные исследования будут способствовать росту технологического развития современной углехимической промышленности Казахстана и достижению его углеродной нейтральности, согласно недавно разработанной Стратегии Казахстана.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения указанных исследований и решения поставленных задач будет обеспечен комплексный подход в достижении цели программы – разработке научных основ инновационных технологий по глубокой переработке угля и углеотходов с применением углеродных наноматериалов и современных методов синтеза с использованием ультразвуковой и микроволновой активации, с рекомендациями по дальнейшему внедрению полученных результатов.
За счет дальнейшей коммерциализации полученных результатов можно будет не только удовлетворить спрос внутреннего рынка химическими продуктами, обеспечить импортозамещение, увеличить экспортный потенциал республики, но и способствовать устойчивому социально-экономическому развитию Казахстана.
Научный руководитель Программы – заслуженный деятель науки РК, академик НАН РК, доктор химических наук Мулдахметов Зайнулла Мулдахметович. Автор более 550 научных публикаций, в т.ч. 14 монографий, 19 авторских свидетельств СССР и патентов РК. Под его научным руководством защищены 10 докторских и 31 кандидатская диссертации. Индекс Хирша по базе Web of Science равен 4. ORCID https://orcid.org/0000-0001-9497-2545. Scopus ID: 6701756613. Researcher ID Web of Science: FMV-1516-2022.
Реализация Программы осуществляется по 4-м направлениям:
Научный руководитель 1-го направления – Ордабаева Айгуль Танирбергеновна – к.х.н., заведующая лабораторией Химии угля (ХУ). Индекс Хирша в базе данных Web of Science равен 2, в базе Scopus – 3. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4413-1163, Researcher ID (Web of Science): AAE-6960-2022, Author ID (Scopus): 6602445641. Опыт работы по направлению более 30 лет.
Члены исследовательской группы:
1. Мейрамов М.Г., к.х.н., главный научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2498-6516
2. Газалиев А.М., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2161-0329
3. Шайкенова Ж.С., магистр, научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID http://orcid.org/0000-0001-8440-6056
4. Ким С.В., постдокторант, научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-6044-9438
Научный руководитель 2-го направления – Жакина Алма Хасеновна – к.х.н., доцент, заведующая лабораторией Химии полимеров (ХП). Автор более 250 печатных научных работ, из них 15 патентов РК. Индекс Хирша в базе данных Web of Science равен 3. ORCID https://orcid.org/0000-0001-5724-2279 . https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24559696600
Члены исследовательской группы:
1. Животова Т.С., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0002-0793-4653
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6602225408
2. Рахимова Б.Б., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2662-536X
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6507186762
3. Василец Е.П., магистр, научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0003-2242-486X
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57219400724
4. Арнт О.В., магистр, научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0002-8996-4572
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57219400016
5. Әлжанқызы А., магистр, младший научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID https://orcid.org/0000-0001-5790-8659
6. Жакин А.М., постдокторант, младший научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID https://orcid.org/0000-0002-5940-7097
Научный руководитель 3-го направления – Иванова Нина Михайловна – д.х.н., профессор, заведующая лабораторией Электрокатализа и квантовохимических исследований (ЭКХИ). Автор свыше 300 научных трудов. Индекс Хирша по базе Web of Science равен 4. Ссылка на профиль в базе Scopus: http://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=26659806600.
ORCID https://orcid.org/0000-0001-8564-8006
Члены исследовательской группы:
1. Соболева Е.А., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-1089-367X
2. Зиновьев Л.А., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-8612-1043
3. Висурханова Я.А., магистр химии, научный сотрудник лаборатории ЭКХИ, PhD-докторант. ORCID https://orcid.org/0000-0001-7279-1145
Научный руководитель 4-го направления – Нуркенов Оралгазы Актаевич, д.х.н., профессор, заведующий лабораторией Синтеза биологически активных веществ (СБАВ). Индекс Хирша по базе данных Web of Science равен 9. Автор свыше 550 научных трудов. ORCID https://orcid.org/0000-0003-1878-2787 .
Члены исследовательской группы:
1. Фазылов С.Д., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4240-6450
2. Нурмаганбетов Ж.С., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-0978-5663
3. Сейлханов О.Т., магистр, научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-2322-8863
4. Карипова Г.Ж., магистр, научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-3896-6156
5. Кожанова А.М., магистр, научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-1048-9749
6. Мендибаева А.Ж., докторант, младший научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0001-6123-3340
7. Сыздыков А.К., докторант, младший научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0009-0008-9124-7821
Задачи программы на 2024 год
1. Определение состава компонентов каменноугольной смолы коксохимпроизводства «Кармет». Получение пека из каменноугольной смолы коксохимпроизводства «Кармет». Определение характеристик пека: нерастворимые в толуоле и в хинолине, температура размягчения, содержание летучих, зольность и др. Установление состава фракций растворимых в толуоле и в хинолине.
2. Разработка методов получения новых композитных сорбентов, модифицированных углеродными наноматериалами.
3. Получение химически модифицированных форм графена, изучение их строения.
4. Разработка новых биологически активных оснований Шиффа на основе 1-нафталина и их супрамолекулярных комплексов методом инкапсулирования натуральными олигосахаридами.
Полученные результаты за 2024 год
1. Впервые разработанным методом ГЖХ анализа был определен состав компонентов органической составляющей каменноугольной смолы из 2-х отвалов и свежей смолы коксохимпроизводства. Получен каменноугольный пек вакуумной перегонкой смолы «Кармет». Выход составил 90 г (45%). Определены основные характеристики полученного пека, которые по всем основным показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к пекам марки «В» для электродного производства в соответствии с ГОСТ 10200-2017. Данная марка пека может применяться в алюминиевой промышленности. Установлен состав фракций в пеке, растворимых в толуоле и хинолине с помощью метода ГЖХ анализа.
2. Осуществлено окисление многостенных углеродных нанотрубок (производство Sigma Aldrich). Установлено, что ультразвуковое воздействие в незначительной мере увеличивает количество реакционных центров, пригодных для дальнейших химических взаимодействий. В то время как воздействие более сильным окислителем приводит к раскрытию боковых цепей и увеличению химической активности за счет появления новых реакционных центров (карбоксильные и гидроксильные группы). Проведена серия синтезов композитов на основе гуминовой кислоты и окисленных многостенных углеродных нанотрубок. Варьируя соотношение компонентов установлено, что оптимальным соотношением является ГК:ОНТ = 100:1. Осуществлен синтез композита ГК+ОНТ методом in situ (без выделения промежуточного продукта). Данный метод позволяет получить композит, который по свойствам не уступает аналогу, полученному стандартным методом, а исключение из процесса синтеза стадии промывки окисленных нанотрубок делает метод in situ более ресурсосберегающим и менее энергозатратным. Методом электронной микроскопии изучен рельеф поверхности синтезированных композитов. Установлено, что ультразвуковое диспергирование позволяет добиться гомогенизации реакционной смеси и равномерного распределения окисленных многостенных углеродных нанотрубок на поверхности гуминовой кислоты. Используя метод инфракрасной спектроскопии установлен состав и определены реакционные центры синтезированных композитов. Синтезированные композиты будут использованы в дальнейших исследованиях в качестве сорбционного материала для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов.
3. Модифицированными методами Хаммерса на основе двух видов графита синтезированы оксиды графена, определено содержание в них кислородсодержащих групп, изучено их строение и морфологические особенности. Оксиды графена GO1 и GO3 восстановлены с использованием гидразингидрата с образованием восстановленных оксидов графена rGO1 и rGO3, что подтверждено выполненными анализами ИК спектроскопии и данными РФА. Их удельная площадь поверхности составила 36.5 ± 0.6 м2/г для rGO1 и 86.6 ± 0.7 м2/г для rGO3. С целью получения N-допированных образцов восстановленного оксида графена и дальнейшего применения их в качестве носителей металлов-катализаторов осуществлена термическая обработка сухих смесей оксида графена GO1 с меламином и дициандиамидом в соотношениях 1:1 и 1:2 при температуре 450оС, выбранной по результатам термогравиметрических анализов. Установлено формирование N-допированных композитов восстановленного оксида графена с невысоким содержанием азота (~7.5%) в случае использования меламина и композитов с высоким содержанием азота (~30%) при использовании дициандиамида в качестве исходного источника азота. Термическая обработка смеси GO1+ДЦДА (1:1) приводит к частичной полимеризации промежуточных продуктов конденсации ДЦДА и образованию графитоподобного нитрида углерода, g-C3N4.
4. Впервые на основе 1-аминонафталина методом химической трансформации его строения осуществлен синтез 5 новых оснований Шиффа с выходами 47-92%. Новые вещества могут являться перспективными промежуточными синтонами в поиске и синтезе новых биологически активных веществ. Разработаны методы получения супрамолекулярных клатратных комплексов синтезированных новых Шиффовых оснований 1-аминонафталина с натуральным олигосахаридом β-циклодекстрином. Реакции проводились при различных модульных соотношениях «гость-хозяин» (1:1, 1: 2, 1:3 и 1:4) путем нагревания их в водно-спиртовой среде при их различных соотношениях (30:70; 60:40; 70:30) и температуре 70-80оС в течение 3-5 часов. Установлено, что выходы водорастворимых клатратов зависят от растворимости исходных продуктов в среде вода:спирт, наибольшие выходы новых продуктов (70,5-85%) образовывались при модуле рецептора и субстрата 1:2. Полученные соединения представляют собой белые кристаллические вещества. Строение полученных супрамолекулярных комплексов включений новых Шиффовых оснований с β-циклодекстрином изучено методами УФ-, ИК- и ЯМР-1Н, 13С-спектроскопии, а также данными двумерного спектра HMQC (1H-13C). По данным спектроскопического анализа установлено, что клатратообразование происходит в результате включения субстратов во внутреннюю гидрофобную полость рецептора. Наибольшее изменение химических сдвигов протонов (ЯМР1Н, 13C, δ, м.д.) в процессе образования супрамолекулярных комплексов происходит с внутренними протонами Н-3 и Н-5 циклодекстриновой полости. Проведен биопрогноз биологических свойств синтезированных новых оснований Шиффа с применением программы прогноза спектра биологической активности химических соединений PASS. Показано, что новые производные 1-аминонафталина с достаточно высокой долей вероятности могут проявить себя как ингибиторы дегидро-L-гулонатдекарбоксилазы, глюкозооксидазы, глутатионтиолэстеразы, пролиламинопептидазы, фальципаина, инсулизина. Синтезированные соединения могут найти применение в медицине в качестве субстрата CYP2E1, стимулятора усвоения 5-гидрокситриптамина и для лечения фобических расстройств.