Сопоставление методических подходов к определению органического углерода в отходах добычи, переработки и сжигания углей

Содержание органического углерода является одним из ключевых показателей при определении сфер использования отходов добычи, переработки и сжигания углей. Результаты его определения различными методами анализа во многих случаях несопоставимы друг с другом, что не позволяет получать достоверную информацию о составе отходов. Цель настоящего исследования заключалась в обобщении существующих методических подходов и выборе наиболее эффективного из них для определения органического углерода в пробах отходов добычи, переработки и сжигания углей. На основании проведенного обзора способов его определения в различных природных и техногенных объектах выбраны три наиболее подходящих метода. Первый основан на расчете содержания органического углерода по разности содержаний общего и карбонатного углерода, определяемых с использованием CHN-анализатора и гравиметрически соответственно; второй — на определении зольности, влаги и карбонатного углерода; третий метод включает деминерализацию пробы соляной кислотой, высушивание и прокаливание полученного остатка. В качестве объектов исследования служили пробы отходов добычи, переработки и сжигания углей с массовой долей органического углерода от 0 до 60 %. На основе полученных экспериментальных данных и с учетом возможных ограничений выбрана методика определения содержания несгоревшего углерода в золе и шлаках ТЭЦ, основанная на методе № 3. Проверена применимость разработанной методики для анализа более широкого круга объектов, включающего помимо отходов сжигания углей также отходы их добычи и переработки, продемонстрирована сопоставимость результатов с полученными другими методами, выполнена предварительная оценка метрологических характеристик. Методика может быть использована для анализа образцов сравнения, применяемых при построении градуировочных характеристик для определения органического углерода инструментальными методами, а также для установления метрологических характеристик стандартных образцов состава отходов добычи, переработки и сжигания углей.

1. Alvarez-Salgado X. A., Miller A. E. J. Simultaneous determination of dissolved organic carbon and total dissolved nitrogen in seawater by high temperature catalytic oxidation: conditions for precise shipboard measurements / Mar. Chem. 1998. Vol. 62. N 3 – 4. P. 325 – 333. DOI: 10.1016/S0304-4203(98)00037-1

2. Shao H., Dong H., Liu Y., et al. Chemiluminescence quenching capacity as a surrogate for total organic carbon in wastewater / J. Hazard. Mater. 2022. Vol. 440. 129765. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129765

3. Meador J. P. The interaction of pH, dissolved organic carbon, and total copper in the determination of ionic copper and toxicity / Aquat. Toxicol. 1991. Vol. 19. N 1. P. 13 – 32. DOI: 10.1016/0166-445X(91)90025-5

4. Rouwenhorst R. J., Jzn J. F., Scheffers W. A., van Dijken J. P. Determination of protein concentration by total organic carbon analysis / J. Biochem. Biophys. Methods. 1991. Vol. 22. N 2. P. 119 – 128. DOI: 10.1016/0165-022X(91)90024-Q

5. Zhu L., Zhou X., Liu W., Kong Z. Total organic carbon content logging prediction based on machine learning: A brief review / Energy Geosci. 2023. Vol. 4. N 2. 100098. DOI: 10.1016/j.engeos.2022.03.001

6. Alvarez G., Shahzad T., Andanson L., et al. Catalytic power of enzymes decreases with temperature: New insights for understanding soil C cycling and microbial ecology under warming / Global Change Biol. 2018. Vol. 24. N 9. P. 4238 – 4250. DOI: 10.1111/gcb.14281

7. Basile-Doelsch I., Balesdent J., Pellerin S. Reviews and syntheses: The mechanisms underlying carbon storage in soil / Biogeosciences. 2020. Vol. 17. P. 5223 – 5242. DOI: 10.5194/bg-17-5223-2020

8. Knorr W., Prentice I. C., House J. I., Holland E. A. Long-term sensitivity of soil carbon turnover to warming / Nature. 2005. Vol. 433. P. 298 – 301. DOI: 10.1038/nature03226

9. Ondrasek G., Rengel Z. Review: Environmental salinization processes: Detection, implications & solutions / Sci. Total Environ. 2021. Vol. 754. 142432. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.142432

10. Dell’Abate M. T., Canali S., Trinchera A., et al. Thermal analysis in the evaluation of compost stability: a comparison with humification parameters / Nutr. Cycling Agroecosyst. 1998. Vol. 51. P. 217 – 224. DOI: 10.1023/A:1009734816502

11. Wei S., Li Z., Sun Y., et al. A comprehensive review on biomass humification: Recent advances in pathways, challenges, new applications, and perspectives / Renewable and Sustainable Energy Rev. 2022. Vol. 170. 112984. DOI: 10.1016/j.rser.2022.112984

12. Lv B., Jiao F., Chen Z., et al. Separation of unburned carbon from coal fly ash: Pre-classification in liquid — solid fluidized beds and subsequent flotation / Process Saf. Environ. Prot. 2022. Vol. 165. P. 408 – 419. DOI: 10.1016/j.psep.2022.07.031

13. Nelson D. W., Sommers L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter / Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties. — Madison, Wisconsin, USA: John Wiley & Sons, 1983. Vol. 9. P. 539 – 579. DOI: 10.2134/agromonogr9.2.2ed.c29

14. Kucbel M., Švédová B., Raclavská H., et al. Measurement of organic and elemental carbon in the char deposits from the combustion of permitted and undesirable fuels in domestic boilers / Fuel. 2022. Vol. 319. 123749. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.123749

15. Bisutti I., Hilke I., Raessler M. Determination of total organic carbon — an overview of current methods / TrAC Trends Anal. Chem. 2004. Vol. 23. N 10 – 11. P. 716 – 726. DOI: 10.1016/j.trac.2004.09.003

16. Shetty A., Goyal A. Total organic carbon analysis in water — A review of current methods / Materials Today: Proc. 2022. Vol. 65. Part 8. P. 3881 – 3886. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.07.173

17. Paniz J. N. G., Flores E. M. M., Dressler V. L., Martins A. F. Flow injection turbidimetric determination of total organic carbon with a gas — liquid transfer microreactor / Anal. Chim. Acta. 2001. Vol. 445. N 2. P. 139 – 144. DOI: 10.1016/S0003-2670(01)01263-6

18. Nieuwenhuize J., Maas Y. E. M., Middelburg J. J. Rapid analysis of organic carbon and nitrogen in particulate materials / Mar. Chem. 1994. Vol. 45. N 3. P. 217 – 224. DOI: 10.1016/0304-4203(94)90005-1

19. Schumacher B. A. Methods for the determination of total organic carbon (TOC) in soils and sediments. — Washington: U.S. Environmental Protection Agency, 2002. — 23 p.

20. Byers S. C., Mills E. L., Stewart P. L. A comparison of methods of determining organic carbon in marine sediments, with suggestions for a standard method / Hydrobiologia. 1978. Vol. 58. P. 43 – 47. DOI: 10.1007/BF00018894

21. David M. B. Use of loss-on-ignition to assess soil organic carbon in forest soils / Commun. Soil Sci. Plant Anal. 1988. Vol. 19. N 14. P. 1593 – 1599. DOI: 10.1080/00103628809368037

22. Avgushevich I. V., Sidoruk E. I., Bronovets T. M. Standard methods for coal testing. Coal classification. — Moscow: Reklama Master, 2019. — 576 p. [in Russian].

23. Santisteban J. I., Mediavilla R., Lopez-Pamo E., et al. Loss on ignition: a qualitative or quantitative method for organic matter and carbonate mineral content in sediments? / J. Paleolimnol. 2004. Vol. 32. P. 287 – 299. DOI: 10.1023/B:JOPL.0000042999.30131.5b

24. Mu Y., Saffarzadeh A., Shimaoka T. Influence of ignition process on mineral phase transformation in municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash: Implications for estimating loss-on-ignition (LOI) / J. Waste Manag. 2017. Vol. 59. P. 222 – 228. DOI: 10.1016/j.wasman.2016.09.028

25. Styszko-Grochowiak K., Gołas J., Jankowski H., Kozinski S. Characterization of the coal fly ash for the purpose of improvement of industrial on-line measurement of unburned carbon content / Fuel. 2004. Vol. 83. N 13. P. 1847 – 1853. DOI: 10.1016/j.fuel.2004.03.005

26. Mohebbi M., Rajabipour F., Scheetz B. E. Reliability of Loss on Ignition (LOI) Test for Determining the Unburned Carbon Content in Fly Ash / World of Coal Ash (WOCA) Conference, Nashville, TN, 2015.

27. Bartonova L. Unburned carbon from coal combustion ash: An overview / Fuel Proc. Technol. 2015. Vol. 134. P. 136 – 158. DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.01.028

28. ISO 29541:2010. Solid mineral fuels. Determination of total carbon, hydrogen and nitrogen content. Instrumental method. https://www.iso.org/standard/45546.html (accessed December 27, 2022).

29. ISO 925–2019. Solid mineral fuels. Determination of carbonate carbon content. Gravimetric method. https://www.iso.org/standard/75880.html (accessed December 27, 2022).