Каменноугольная смола

Каменноугольная смола — это высоковязкая чёрная или тёмно-коричневая жидкость с характерным запахом, побочный продукт коксования каменного угля. Представляет собой сложную многокомпонентную смесь органических соединений, преимущественно ароматических углеводородов, их производных и гетероциклических веществ. Является ценным сырьём для химической промышленности, из которого получают более 300 различных продуктов, включая нафталин, антрацен, фенолы, креозот и пек.

История

Первые упоминания о каменноугольной смоле относятся к XVII веку, когда в Англии и Германии начали экспериментировать с сухой перегонкой угля для получения светильного газа. В 1681 году немецкий алхимик Иоганн Иоахим Бехер описал процесс получения «каменноугольного масла». Однако промышленное значение смола приобрела в XIX веке, с развитием коксохимического производства. В 1840-х годах в Великобритании начали выделять из смолы бензол, толуол и ксилол, которые использовались как растворители и для синтеза анилиновых красителей. В 1856 году Уильям Генри Перкин синтезировал из каменноугольной смолы первый синтетический краситель — мовеин, что положило начало анилинокрасочной промышленности. В России первое коксохимическое производство было запущено в 1880-х годах на Донбассе, и к началу XX века каменноугольная смола стала основным источником ароматических углеводородов для химической индустрии.

Производство

Каменноугольная смола образуется в процессе коксования каменного угля — нагревания угля до 900–1100 °C без доступа воздуха в коксовых печах. При этом происходит термическое разложение (пиролиз) угля с выделением летучих продуктов, которые конденсируются в виде смолы и надсмольной воды. Выход смолы составляет около 3–5 % от массы исходного угля, в зависимости от его марки и условий коксования. Типичный состав сырой смолы включает следующие фракции (по массе):

• Лёгкое масло (температура кипения до 170 °C) — 5–10 %: бензол, толуол, ксилолы, стирол.
• Среднее масло (170–230 °C) — 10–15 %: фенол, крезолы, нафталин, пиридин.
• Тяжёлое масло (230–270 °C) — 15–20 %: нафталин, метилнафталины, аценафтен.
• Антраценовое масло (270–360 °C) — 20–25 %: антрацен, фенантрен, карбазол, флуорен.
• Пек (остаток после отгонки масел) — 40–50 %: высокомолекулярные полициклические ароматические углеводороды.

После первичной перегонки смолы получают отдельные фракции, которые затем подвергают ректификации, кристаллизации, экстракции и другим процессам для выделения чистых компонентов.

Состав и свойства

Каменноугольная смола содержит более 10 000 различных соединений, из которых идентифицировано около 500. Основные классы веществ:

• Ароматические углеводороды: бензол, нафталин, антрацен, фенантрен, пирен, хризен.
• Гетероциклические соединения: пиридин, хинолин, акридин, карбазол, тиофен.
• Фенолы: фенол, крезолы, ксиленолы, пирокатехин.
• Азотсодержащие соединения: анилин, пиррол, индол.
• Серосодержащие соединения: тионафтен, дибензотиофен.

Физико-химические свойства:

• Плотность: 1,15–1,25 г/см³ (при 20 °C).
• Температура кипения: от 80 °C (лёгкие фракции) до 400 °C и выше (пек).
• Вязкость: высокая, зависит от содержания пека.
• Растворимость: практически нерастворима в воде, хорошо растворима в органических растворителях (бензол, толуол, эфир).
• Токсичность: содержит канцерогенные вещества (например, бензол, бензпирен, полициклические ароматические углеводороды).

Применение

Каменноугольная смола служит сырьём для производства широкого спектра продуктов:

Химическая промышленность

• Нафталин — используется для синтеза фталевого ангидрида, инсектицидов, красителей и пластификаторов.
• Антрацен — применяется в производстве антрахиноновых красителей, а также как сырьё для синтеза антрацена (используется в органических полупроводниках).
• Фенол и крезолы — идут на производство фенолформальдегидных смол, антиоксидантов, лекарственных средств (например, аспирина).
• Пиридин и хинолин — используются в фармацевтике, производстве гербицидов и растворителей.
• Креозот — смесь фенолов и ароматических углеводородов, применяется для пропитки древесины (шпалы, столбы) для защиты от гниения и насекомых.

Строительство и дорожное хозяйство

• Каменноугольный пек — используется как связующее для производства электродной массы, анодов для алюминиевой промышленности, а также в составе дорожных покрытий и кровельных материалов.
• Каменноугольная смола (в виде эмульсии) — применяется для гидроизоляции фундаментов, трубопроводов и резервуаров.

Металлургия

• Пек — является основным компонентом для производства углеродных электродов, используемых в электролизе алюминия и в сталеплавильных печах.

Медицина

• Каменноугольная смола (в очищенном виде) — входит в состав мазей и шампуней для лечения псориаза, экземы и себорейного дерматита (например, препарат «Коллоидная каменноугольная смола»). Однако её применение ограничено из-за канцерогенности.

Экологические и токсикологические аспекты

Каменноугольная смола и её производные признаны опасными для здоровья человека и окружающей среды. Основные риски:

• Канцерогенность: Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует каменноугольную смолу как канцероген 1-й группы (доказано для человека). Длительный контакт с креозотом и пеком повышает риск рака кожи, лёгких и мочевого пузыря.
• Токсичность: При вдыхании паров смолы возможны раздражение дыхательных путей, головные боли, тошнота. При попадании на кожу — химические ожоги и дерматиты.
• Экологическая опасность: Утечки смолы на коксохимических заводах приводят к загрязнению почвы и грунтовых вод полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), которые медленно разлагаются в природе.

В России обращение с каменноугольной смолой регулируется Федеральным законом «Об охране окружающей среды» и санитарными нормами (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03). На предприятиях коксохимии обязательны герметизация оборудования, вентиляция и использование средств индивидуальной защиты.

Альтернативы и современное положение

С середины XX века каменноугольная смола постепенно вытесняется продуктами нефтехимии, которые дешевле и чище. Например, бензол и толуол в основном получают из нефти, а не из смолы. Однако смола остаётся незаменимым источником для некоторых соединений, таких как нафталин, антрацен и пек, которые трудно или экономически невыгодно выделять из нефти. В России крупнейшими производителями каменноугольной смолы являются коксохимические заводы в городах: Новокузнецк, Магнитогорск, Череповец, Липецк и Нижний Тагил. В 2020-х годах объём производства каменноугольной смолы в России составлял около 1,5–2 млн тонн в год, большая часть которого перерабатывается на специализированных смолоперерабатывающих заводах.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1990–1998.
• Справочник коксохимика: в 6 т. / под ред. А. К. Шелкова. — М.: Металлургия, 1964–1971.
• ГОСТ 10200-83 «Смола каменноугольная. Технические условия».
• Международное агентство по изучению рака (МАИР). Монографии по оценке канцерогенных рисков для человека. Том 100F: Каменноугольная смола. — Лион, 2012.
• Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов».