Исследователи из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН впервые изучили возможность использования гуминовых кислот в качестве катализатора для синтеза гидратов. Эти кислоты — экологичный и доступный материал — заметно ускоряют процесс гидратообразования. Статья об этом опубликована в международном журнале Chemical Engineering Science.
Газовые гидраты внешне похожи на лед, при этом один кубический метр гидрата вмещает до 170 кубометров газа, что сопоставимо с заполненным традиционным стальным баллоном. Благодаря эффекту самоконсервации покрытый тонкой коркой льда массивный кусок гидрата способен долго храниться при отрицательных температурах и атмосферном давлении.
«Гидратная технология может использоваться при разделении газов. Например, возьмем природный газ, содержащий небольшую долю редкого и дорогого гелия (такой состав встречается, скажем, на Ковыктинском месторождении). Поскольку основной компонент природного газа — метан, его можно превратить в гидрат, тогда значительная часть метана перейдет в твердую форму, а газовая фаза обогатится гелием. То есть получается гелиевый концентрат — смесь с бо́льшим содержанием гелия, чем в исходном газе. Извлекать чистое вещество при такой концентрации становится гораздо проще и дешевле, чем непосредственно из исходного природного газа. Эта технология позволяет эффективно выделять газы даже при небольших концентрациях, упрощая и ускоряя процессы переработки природных ресурсов», — рассказывает заведующий лабораторией клатратных соединений ИНХ СО РАН доктор химических наук Андрей Юрьевич Манаков.
В большинстве случаев газовые гидраты образуются при взаимодействии воды и газа. Если в реактор залить чистую воду и создать необходимое давление газа, то на поверхности контакта газа и воды вырастает плотная пленка гидрата, изолирующая их друг от друга. Процесс останавливается, в гидрат при этом переходит только небольшая часть воды. Приходится использовать мешалки, барботирование (процесс пропускания газа через жидкость мелкими пузырьками для улучшения перемешивания и контакта фаз) и другие, обычные для химической технологии уловки. Это сложно технически и энергозатратно. Плюс к этому возникают дополнительные осложнения вроде налипания гидрата на мешалку и стенки реактора, блокирования мешалки.
Однако есть и другой вариант решения проблемы: в воду заранее добавляется специальное вещество-катализатор. Благодаря ему гидрат образуется в виде рыхлой массы, обеспечивающей большую и непрерывно обновляющуюся поверхность контакта газа с водой. За счет этого удается достичь почти полного превращения воды в гидрат. Ученые рассмотрели один из возможных вариантов таких каталитических добавок — гуминовые кислоты.
«В качестве катализаторов уже исследовано много веществ. Мы взялись за гуминовые кислоты, потому что были обоснованные предположения о возможности их влияния на образование гидрата и опыт работы с ними. Гуминовые кислоты достаточно дешевые, поскольку находятся в составе почв, торфов и углей, из которых они легко экстрагируются. К тому же они экологичны», — отметил Андрей Манаков.
Использованные в работе гуминовые кислоты экстрагировали слабыми растворами щелочей из мехактивированного (обработанного механическим способом) бурого угля. Полученные растворы применили для получения гидрата метана. Ученые использовали автоклавы собственной разработки. Они оборудованы окнами для визуального наблюдения за образованием гидрата. Это позволило более глубоко понять механизм процесса. Кроме растворов гуминовых кислот, для сравнения проводили аналогичные эксперименты с чистой водой и раствором додецилсульфата натрия (SDS) — широко применяемого поверхностно-активного вещества, которое одновременно наиболее изучено и эффективно как катализатор образования гидратов. Хуже всего гидрат образовывался из чистой воды — за сутки прореагировало менее 5%. Ожидаемо хороший результат показал SDS — более 90% прореагировавшей воды за час. Гуминовые кислоты показали сравнимую эффективность — около 80%. Несмотря на несколько меньшую эффективность относительно SDS, гуминовые кислоты имеют несколько преимуществ: они безвредны для окружающей среды и легкодоступны, так как присутствуют в природе повсеместно.
«Использовать SDS для ускорения образования гидратов впервые предложила тюменская группа исследователей около 30 лет назад. Было обнаружено, что его добавки изменяют форму роста гидратов: вместо обычной изолирующей пленки появляются объемные структуры, существенно повышающие долю воды, превращающейся в гидрат. Рост интереса к гидратным технологиям привел ученых к поиску новых веществ, обладающих подобной активностью. Сейчас становится понятным, что более или менее эффективными могут оказаться самые разнообразные по своей природе добавки. Интересный и курьезный пример — китайская группа исследователей, успешно использовавшая заваренный зеленый чай для выращивания гидратов. Можно надеяться, что в будущем удастся разработать практичные и экономически выгодные гидратные технологии на основе эффективных каталитических добавок», — прокомментировал ученый.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Ирина Баранова
Информация предоставлена УППНД СО РАН
Источник фото: ru.123rf.com
