Сотрудники Казанского федерального университета (КФУ) создали новые составы для ускоренного формирования газовых гидратов — промоторы, которые отличаются эффективностью и безопасностью для окружающей среды, сообщает пресс-служба вуза.
Ирина Медведева
Полученные гидратные пеллеты обладают высокой плотностью, механической прочностью и устойчивостью при хранении метана. Источник: КФУ
Молодежная группа по гидратным технологиям
Специалисты молодежной научной группы по гидратным технологиям, занимающейся утилизацией и хранением парниковых газов в Институте геологии и нефтегазовых технологий КФУ, предложили эти новые ускорители процесса гидратообразования.
Данная лаборатория была открыта Министерством науки и высшего образования РФ в 2021 году в рамках национального проекта «Наука и университеты». Руководит ею заведующий кафедрой разработки месторождений трудноизвлекаемых углеводородов ИГиНГТ, а также глава научного направления по методам повышения нефтеотдачи и нефтепромысловой химии НЦМУ «Рациональное освоение жидких углеводородов планеты» Михаил Варфоломеев.
Зачем нужно газ превращать в гидраты
Перевод природного газа в гидратное состояние считается перспективным способом его сохранения и перевозки. Гидратные технологии подразумевают превращение газа в твердый кристаллический материал, похожий на лед, который состоит из молекул газа и воды.
«При высоком давлении и низкой температуре молекулы газа размещаются внутри пустот каркасов, образованных молекулами воды. Один объем гидрата способен вместить около 160 объемов газа. Перевод газа в гидраты — это эффективный метод хранения и доставки природного газа», — пояснил Михаил Варфоломеев.
Младший научный сотрудник лаборатории Юлия Чиркова отметила, что при добыче нефти на месторождениях образуется небольшое количество попутного нефтяного газа. Чаще всего его просто сжигают, так как сжатие или сжижение таких объемов нерентабельно.
«Гидратный метод легко адаптируется под разные масштабы, поэтому с его помощью можно превращать попутный нефтяной газ в газогидраты, перевозить и применять как топливо. Это гораздо экологичнее, чем его сжигать. К тому же многие небольшие населенные пункты в России до сих пор не имеют доступа к газу из-за экономической нецелесообразности прокладки трубопроводов в удаленных регионах. Гидратный способ транспортировки и хранения газа может решить эту проблему. В Японии он уже хорошо себя зарекомендовал», — сообщила она.
По словам Юлии, на нефтяном месторождении газ с помощью специального оборудования можно перевести в гидрат и спрессовать. Полученные гидратные гранулы затем перевозятся различными видами транспорта.
Что мешает внедрению гидратного метода
Основным препятствием для широкого внедрения гидратных технологий, как отметил Михаил Варфоломеев, является медленная скорость образования и роста гидратов. Для ускорения этого процесса используются специальные добавки — промоторы.
Одна из ключевых задач исследователей лаборатории — поиск химических соединений, которые ускоряют переход газов в конденсированное состояние и позволяют получать гидраты в больших объемах.
На данный момент молодым ученым КФУ удалось создать несколько новых реагентов для ускорения гидратообразования. Они превосходят по эффективности и экологичности широко используемый сегодня додецилсульфат натрия (SDS). Эти ускорители уже успешно прошли лабораторные испытания.
Промоторы помогут ускорить образование гидратов
Участники исследования рассказали о двух типах перспективных активаторов роста газогидратов, разработанных в КФУ, — это производные аминокислот и анионные поверхностно-активные вещества (ПАВ).
«Созданные нами промоторы на основе производных аминокислот не относятся к поверхностно-активным веществам, в отличие от большинства применяемых аналогов. Многие ПАВ токсичны и при разложении гидратов образуют большое количество пены, что затрудняет их использование. Наши соединения лишены этих недостатков. К тому же они работают эффективнее ПАВ», — рассказал лаборант-исследователь лаборатории гидратных технологий Шамиль Гайнуллин.
Эксперименты в автоклаве высокого давления показали, что все производные аминокислот значительно улучшают кинетику образования гидрата метана. Результаты опубликованы в журнале Energy & Fuels.
Учёные преобразование аминокислот путём их химического изменения с присоединением глюконовой кислоты. Данное вещество было использовано как экологически безопасное, а также благодаря его свойству воздействовать на структурирование водной среды посредством образования водородных связей.
Ключевым достоинством методики явилась её технологическая доступность: применяемый исходный компонент (пищевая добавка E 575) даёт возможность осуществлять синтез в одну стадию непосредственно в водной среде. Это исключает необходимость в специализированной аппаратуре и многоэтапной очистке, позволяя получать готовые растворы-промоторы на месте проведения работ.
Для ускорения формирования газогидратов ученые КФУ также впервые применили перспективный класс карбоксисульфированных поверхностно-активных веществ (CSS). Данные об исследовании этих ПАВ были представлены в статье в журнале ACS Applied Energy Materials.
«Оптимальными промоторами среди карбоксисульфированных ПАВ, на наш взгляд, являются реагенты с бутильными и додецильными фрагментами в молекуле. Опыты в автоклаве высокого давления подтвердили, что гидрофильно-гидрофобный баланс существенно влияет на их промотирующую способность. С ростом длины алкильной цепи (увеличением гидрофобности) эффективность возрастает, пока образец не перестает хорошо растворяться в воде», — объяснил ведущий научный сотрудник лаборатории Роман Павельев.
Младший научный сотрудник лаборатории Абдолреза Фархадиан добавил, что карбоксисульфированные ПАВ хорошо изучены — они входят в состав многих шампуней и моющих средств. Эти вещества нетоксичны, безопасны для человека и животных, а также быстро разлагаются в природе.
Ближайшие перспективы работы
В настоящее время молодые ученые работают над увеличением эффективности промоторов и снижением пенообразования при разложении газогидратов. Важную роль в этом процессе сыграет уникальная лабораторная установка для синтеза и исследования искусственного образования гидратов, которую КФУ планирует создать в этом году совместно с промышленными партнерами.
Полученные научные результаты помогут газифицировать небольшие населенные пункты России, осваивать малые и средние месторождения, а также отказаться от сжигания попутного нефтяного газа на местах добычи, что снизит выбросы парниковых газов в атмосферу.
Больше о достижениях ученых Казанского федерального университета можно узнать, прочитав статью о том, что используя изотопные индикаторы, специалисты вуза раскрыли детали процесса «подземной переработки» нефти под воздействием каталитического гидротермального метода.