Сотрудники Томского политехнического университета (ТПУ) представили инновационную технологию очистки дымовых выбросов от углекислого газа. Их методика базируется на использовании газовых гидратов — необычных соединений, которые в науке часто называют «горящим льдом».
Екатерина Григорьева
Источник фото: пресс-служба Томского политехнического университета (ТПУ)
Как работает технология и почему это выгодно?
Главная особенность подхода — способность воды образовывать кристаллическую структуру, которая, как капсула, захватывает молекулы газа. В ходе лабораторных испытаний выяснилось, что такая система позволяет улавливать до 98% CO₂ из реальных выхлопов промышленных предприятий. При этом уловленный газ можно повторно использовать в производственном цикле, что делает технологию не просто экологичной, но и экономически привлекательной.
Разработка велась при финансовой поддержке федеральной программы «Приоритет-2030», которая реализуется в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Научные результаты опубликованы в авторитетном журнале Journal of Environmental Chemical Engineering (квартиль Q1, импакт-фактор 7.5).
В чем недостатки существующих методов очистки?
Современная промышленность, как правило, полагается на три основных способа фильтрации CO₂:
- криогенную (низкотемпературную) дистилляцию;
- химическую абсорбцию;
- физическую адсорбцию.
Однако все они имеют существенные минусы: высокое энергопотребление, необходимость закупки дорогостоящих реагентов и агрессивное воздействие на оборудование, которое нередко приводит к коррозии металла.
В чем секрет томской разработки?
Инженеры из ТПУ предложили заменить химически активные вещества на обычную воду. Процесс выглядит следующим образом: дымовой газ пропускают через водную среду в реакторе, где формируются гидраты. Решетка из молекул воды связывает молекулы CO₂, в то время как другие примеси (оксиды азота, серы, угарный газ, метан) остаются снаружи. На финальном этапе гидрат нагревают, высвобождая чистый углекислый газ, пригодный для хранения или дальнейшей переработки.
Как подчеркивает руководитель лаборатории газовых гидратов Инженерной школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Шлегель, этот метод не только экологичен, но и энергоэффективен: расход энергии на единицу массы уловленного CO₂ примерно в два раза ниже по сравнению с традиционной абсорбцией. Это делает всю процедуру заметно дешевле.
Экспериментальные испытания на реальных типах топлива
Чтобы доказать работоспособность гидратной технологии, ученые провели серию опытов. Они имитировали промышленный дым, сжигая образцы трех основных видов ископаемого топлива:
- Природный газ.
- Мазут (нефтяное топливо).
- Каменный уголь.
Полученную газовую смесь подавали в реактор с водой по циклической схеме: после удаления остатков непрореагировавшего газа в установку поступала новая порция. Такой подход позволил добиться максимального насыщения гидратной структуры.
Ключевые результаты: цифры и факты
Лабораторный анализ показал высокую эффективность метода:
- Для выбросов от природного газа — степень очистки достигла 98,2%.
- Для мазута — эффективность составила 92,7%.
- Для угля — 92,0% (в среднем более 92% для всех типов).
Кроме того, исследователи проверили чистоту полученных гидратов. Выяснилось, что самым «чистым» является гидрат из природного газа (содержит 95,6% CO₂ и не включает оксиды серы). Мазутные и угольные гидраты требуют дополнительной доочистки, так как их чистота составила 92,6% и 92,2% соответственно.
Практическое внедрение: от формул к масштабированию
На основе собранных данных специалисты вывели математическую модель процесса. Теперь они могут с высокой точностью прогнозировать:
- необходимый объем реакторного пространства;
- требуемое количество дымовой смеси и температуру реакции;
- время, затрачиваемое на отделение CO₂ в промышленных масштабах.
Это позволяет масштабировать технологию, подготавливая ее к внедрению на реальных энергетических объектах. К работе над проектом были привлечены эксперты Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ.