Ксенон (Xe) - это самый редкий на планете газ. Его извлекают из воздуха, но так можно получить только небольшое количество продукта по высокой себестоимости, поэтому ксенон используют лишь в исключительных случаях и часто в люксовых сегментах производства. Ученые из РХТУ и НГТУ предложили альтернативный способ добычи Xe из природного газа, которым редчайший газ можно получать в высоких концентрациях при низких затратах и с использованием простых установок. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of natural gas science and engineering.
Схематическое представление подхода.
Мировое потребление ксенона ежегодно растет на 15-20 %. Его применяют в лазерной, электронной, светотехнической, космической, атомной и других высокотехнологичных отраслях. Ксеноновые фары светят мощнее и служат дольше; анестезия на основе ксенона удобнее и безопаснее токсичных препаратов или закиси азота; а ракета с ксеноновым топливом улетит в более долгий космический полет. Однако несмотря на преимущества этого благородного газа ксенон до сих пор широко не используется.
Все дело в высокой себестоимости получения ксенона, т.к. на Земле его добывают из воздуха, а в воздухе его очень мало: в 1 м3 содержится всего лишь 0.08 мл ксенона. С помощью промышленной технологии низкотемпературной ректификации (то есть выделения из жидкого воздуха) можно получить газ чистотой 99.9995 % стоимостью 1.15 тыс. руб. за литр. Такое производство может быть экономически обоснованным только при очень больших объемах. Поэтому ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева и НГТУ им. Р.Е. Алексеева предложили альтернативную технологию получения ксенона - не из воздуха, а из природного газа, который иногда содержит от 0.15 об. % ксенона, что на четыре порядка выше, чем в воздухе.
В мире уже запатентовано несколько технологий выделения ксенона из природного газа, но ни одна из них до сих пор не дошла до промышленного применения в связи с многостадийностью процесса, сложностью задействованной аппаратуры, а также низкой концентрацией ксенона в конечном продукте. Ученые РХТУ и НГТУ предложили более эффективный путь, основанный на использовании газогидратов - твердых кристаллических соединений молекул воды и газов, которые образуются в условиях повышенного давления и существуют при температурах, превышающих температуру замерзания воды.
“Разные компоненты природного газа имеют разные давления диссоциации в кристаллогидратах. Поэтому, регулируя давление и температуру, можно поэтапно выпускать из этих кристаллов разные газы, - рассказывает один из авторов работы, руководитель лаборатории SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ, профессор Илья Воротынцев. - Именно на этом свойстве кристаллогидратов основан наш подход, с помощью которого мы извлекли из модельной смеси газов, имитирующих природный газ, 93.05 % ксенона”.
Вертолёты с ксеноном
Ученые проводили эксперименты на модельной газовой смеси из метана (94.85 об.%), углекислого газа (5.00 об. %) и ксенона (0.15 об. %) при температурах -1°С и 1°С. Исследователи испытывали разные режимы, и лучшие результаты показала непрерывная мембранно-газогидратная кристаллизация, которую проводили в реакторе объёмом 4.17 л, разделенном полупроницаемой мембраной на две части с высоким и низким давлением. В отсек высокого давления помещали природный газ и воду, которые превращались в гидраты. Далее ученые постепенно меняли температуру и давление и поэтапно выпускали из гидратов углекислый газ и метан через мембрану в другую полость, при этом ксенон с водой оставались в гидратах. После они окончательно разрушали газовые кристаллы, еще раз меняя термобарические условия - в результате вода оставалась на дне этой полости, а над ней концентрировался ксенон.
Главные преимущества нового способа выделения ксенона – это низкие затраты энергии, простота экспериментальной установки и ее масштабируемость, высокая эффективность газоразделения, а также отсутствие разрушающих реагентов. По оценкам исследователей, технология позволит в несколько раз снизить себестоимость получения ксенона. «Точных расчётов по стоимости добычи пока привести не можем, так как все будет зависеть от конкретных условий: концентрации ксенона в месторождении природного газа, местонахождения самих скважин. Но даже с учетом транспортных расходов, если мы будем вывозить вертолетами газ из Сибири до железнодорожных платформ, себестоимость его будет как минимум в 2 раза ниже газа, полученного из воздуха», - отмечает Илья Воротынцев.
Ученые не сомневаются, что технология непрерывной мембранно-газогидратной кристаллизации найдет промышленное применение на месторождениях природного газа РФ и поможет России значительно увеличить количество производимого ксенона, а в дальнейшем расширить границы его применения. В продолжение работы коллектив планирует экспериментально исследовать технологию на образцах природного газа, добытых из настоящих месторождений, и подобрать оптимальные условия для повышения степени извлечения ксенона.
Статья: Mariya S. Sergeeva et al, Xenon recovery from natural gas by hybrid method based on gas hydrate crystallisation and membrane gas separation, Journal of Natural Gas Science and Engineering (Q1), 2020, DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103740
Источник информации и фото: РХТУ им. Д.И. Менделеева
