Исследователи впервые синтезировали гидраты метана — твердую форму природного газа — применяя экологически безвредные аммониевые соединения. Разработанная методика дает возможность эффективно «запечатывать» взрывоопасное топливо в ледяные кристаллические структуры, не используя токсичные реагенты, применяемые в прошлом. Итоги работы, выполненной при поддержке Российского научного фонда (РНФ), размещены в издании Green Chemistry.
Специалисты-химики из Казанского федерального университета (КФУ) совместно с иностранными партнерами предложили применять для формирования гидратов метана производные аммония, а именно этаноламмоний и диэтаноламмоний, как сообщается в пресс-релизе РНФ.
Метан представляет собой недорогое и распространенное топливо, однако его хранение и транспортировка традиционно связаны с угрозой утечек или воспламенения. Наиболее экономичным и надежным методом перевозки считается преобразование газа в гидраты. Эти кристаллы состоят из молекул воды, формирующих своеобразные «ячейки», которые прочно удерживают газ внутри. В таком уплотненном состоянии метан занимает минимальный объем и не поддерживает горение.
Тем не менее, для интенсификации процесса соединения газа и воды в кристалл ранее повсеместно использовались токсичные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они опасны для здоровья людей, провоцируют кожные раздражения и приводят к гибели aquatic organisms при сбросе в водные экосистемы.
Авторы инновационного исследования рекомендовали заменить традиционные ПАВ на соединения аммония: этаноламмоний и диэтаноламмоний. Хотя эти вещества ранее не рассматривались для подобных целей, экспериментальные данные продемонстрировали их высокую результативность. Новые реагенты позволили включить в гидратную структуру 92–94% метана. Этот показатель сравним с результатами от применения токсичных промышленных аналогов, однако безопасные соединения оказались даже более эффективными — их требуется в 250 раз меньше по количеству.
Помимо повышения безопасности хранения, научный коллектив решил еще одну существенную проблему. Обычно при обратной конверсии гидрата в газообразное состояние возникает обильная пена, что приводит к потере до 25% объема топлива. Предложенные соединения сократили пенообразование практически вдвое, обеспечив извлечение свыше 90% метана. Также испытания подтвердили экологическую безопасность разработки: в течение четырех недель в лабораторных условиях вещества разложились на 65–89%, превратившись в безвредные неорганические компоненты.
В ближайших планах ученых — изучение влияния ароматических групп в составе реагентов на процесс гидратообразования, а также проверка стабильности полученных кристаллов. Это необходимо для масштабирования технологии и перевода газовой энергетики на принципиально новый, безопасный для окружающей среды уровень.
Ранее издание Наука Mail.ru сообщало, что томские исследователи обнаружили эффективный метод программирования свойств графена для использования в электронике.
По нашей просьбе при содействии пресс-службы РНФ ученые ответили на вопросы журнала «Химагрегаты»:
— Какие этапы предусматривает новая технология «прессования»метана? Если можно, поподробнее.
Получение гидрата метана в статических условиях в специальной установке [DOI 10.1007/s10553-024-01744-4], далее термоциклирование через точку плавления льда, чтобы уплотнить и увеличить конверсию воды в гидрат. Далее гидратная масса прессуется в этой же установке по методике описанной в статье выше.
— Как долго может храниться метан, спрессованный указанным способом?
Срок хранения метана в гидратной форме существенно зависит от условий получения пеллет и используемых добавок. В научной литературе имеются данные о длительном хранении гидратных пеллет, полученных в присутствии термодинамических промоторов, — до шести месяцев и более при соблюдении соответствующего температурного режима и эффекта самоконсервации.
В рамках нашего исследования гидратные пеллеты формируются с добавлением малых количеств биосурфактантов, которые выполняют роль кинетических промоторов — ускоряют процесс гидратообразования и способствуют более полному включению метана в кристаллическую структуру гидрата.
На текущем этапе работы мы изучаем стабильность полученных пеллет в диапазоне от 5 до 10 суток хранения.
— Какие требования к материалу емкости для хранения и к самому процессу?
Материал ёмкости должен быть устойчив к длительному воздействию умеренно низких температур (от −5 до −20 °C) и выдерживать давление порядка 20–30 бар. Этим критериям отвечают, например, нержавеющие стали или специализированные низкотемпературные сплавы, применяемые в криогенной и холодильной технике.
Конструктивно ёмкость представляет собой термоизолированный резервуар, аналогичный по принципу рефрижераторной установке, оснащённый системой поддержания заданного температурного режима.
— Возможно ли перемещение «спрессованного» метана по трубопроводу на большие расстояния?
Транспортировка метана в гидратной форме по трубопроводу на большие расстояния теоретически возможна, однако требует выполнения ряда условий.
Прежде всего, на всём протяжении трубопровода необходимо поддерживать термобарический режим, обеспечивающий стабильность гидратов (пониженные температуры и повышенное давление). Кроме того, для предотвращения агломерации гидратных частиц и образования пробок целесообразно использовать несущую среду — жидкость-носитель (например, нефть или водную эмульсию с добавлением ингибиторов), которая поддерживает гидратные частицы во взвешенном состоянии и обеспечивает их равномерное перемещение по трубопроводу. Таким образом, с инженерной точки зрения задача решаема, но сопряжена со значительными техническими и энергетическими затратами на поддержание необходимых условий транспортировки
*** Российский научный фонд создан в 2013 году по инициативе Президента России. РНФ поддерживает значимые фундаментальные и прикладные исследования в интересах науки, экономики и общества.
На основе компетентной экспертизы Фонд выявляет наиболее перспективные научные проекты, поддерживает молодое поколение исследователей и стимулирует интерес общества к науке.
С 2014 года Фонд поддержал 27 тысяч проектов на общую сумму 300 миллиардов рублей. В работе над проектами приняли участие 80 тысяч исследователей из 84 регионов России.