Ученые из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН впервые провели исследование возможности применения гуминовых кислот в роли катализатора при синтезе гидратов. Гуминовые кислоты, представляющие собой экологически безопасный и широко распространенный материал, значительно повышают скорость образования гидратов. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в международном журнале Chemical Engineering Science .
Газовые гидраты имеют вид, напоминающий лед, и один кубический метр такого гидрата может содержать до 170 кубометров газа, что сопоставимо с объемом газа в обычном стальном баллоне. Благодаря свойству самосохранения, массивный кусок гидрата, покрытый тонким слоем льда, может сохраняться в течение длительного времени при отрицательных температурах и атмосферном давлении.
«Гидратная технология находит применение в процессах разделения газов. В качестве примера можно рассмотреть природный газ, содержащий небольшое количество дорогостоящего гелия, например, добываемый на Ковыктинском месторождении. Поскольку метан является основным компонентом природного газа, его можно преобразовать в гидрат, что приводит к переходу значительной доли метана в твердое состояние и обогащению газовой фазы гелием. Таким образом, формируется гелиевый концентрат — смесь с повышенной концентрацией гелия по сравнению с исходным газом. Получение чистого гелия при такой концентрации становится более простым и экономичным, чем непосредственно из природного газа. Эта технология позволяет эффективно извлекать газы даже при низких концентрациях, что упрощает и ускоряет переработку природных ресурсов, — отмечает заведующий лабораторией клатратных соединений ИНХ СО РАН, доктор химических наук Андрей Юрьевич Манаков.
Газовые гидраты обычно формируются в результате взаимодействия воды и газа. При подаче чистого газа в реактор, содержащий воду, и создании требуемого давления на границе раздела фаз возникает плотная пленка гидрата, препятствующая дальнейшему контакту. В результате процесс прекращается, и в гидрат включается лишь незначительное количество воды. Для поддержания процесса применяются различные методы, типичные для химической технологии, такие как перемешивание и барботирование, предназначенное для улучшения контакта фаз. Этот подход сложен в техническом плане и требует значительных затрат энергии. Кроме того, возникают дополнительные трудности, включая образование отложений гидрата на мешалке и стенках реактора, что может привести к ее заклиниванию.
Существует альтернативный подход к решению данной задачи: в воду предварительно добавляют специальный катализатор. Этот компонент способствует формированию гидрата в виде пористой структуры, что обеспечивает большую и постоянно обновляющуюся площадь соприкосновения газа и воды. Это позволяет практически полностью преобразовать воду в гидрат. Исследователи изучили один из потенциальных вариантов каталитических добавок — гуминовые кислоты.
«Много веществ уже было изучено на предмет их способности выступать в роли катализаторов. Выбор гуминовых кислот был обусловлен предположениями об их влиянии на формирование гидрата, а также опытом работы с ними. Андрей Манаков подчеркнул, что гуминовые кислоты являются доступным по цене материалом, поскольку содержатся в почвах, торфах и углях, из которых их легко извлекают. Он также добавил, что они экологически безопасны.
Для извлечения гуминовых кислот, использованных в работе, применяли слабые растворы щелочей из мехактивированного бурого угля. Полученные растворы использовали для синтеза гидрата метана. Для проведения исследований ученые использовали автоклавы собственной конструкции, оснащенные окнами, позволяющими визуально наблюдать за образованием гидрата. Это обеспечило более глубокое понимание механизма протекания процесса. В качестве контрольных образцов, наряду с растворами гуминовых кислот, проводились аналогичные эксперименты с использованием чистой воды и раствором додецилсульфата натрия (SDS) – широко распространенного и хорошо изученного поверхностно-активного вещества, демонстрирующего высокую эффективность в качестве катализатора образования гидратов. Наименьшая степень гидратации наблюдалась при использовании чистой воды, при этом за сутки прореагировало менее 5%. SDS показал ожидаемо высокие результаты – более 90% воды прореагировали всего за час. Гуминовые кислоты продемонстрировали сопоставимую эффективность, приблизительно 80%. Несмотря на несколько меньшую эффективность по сравнению с SDS, гуминовые кислоты обладают рядом преимуществ: они безопасны для окружающей среды и широко распространены в природе.
«Около 30 лет назад тюменские ученые первыми предложили использовать SDS для ускорения формирования гидратов. Исследования показали, что добавление этого вещества изменяет способ роста гидратов: вместо обычной тонкой пленки формируются объемные структуры, что значительно увеличивает количество воды, включаемой в гидрат. Растущий интерес к гидратным технологиям стимулировал поиск новых соединений, демонстрирующих аналогичную активность. В настоящее время становится ясно, что для этой цели могут подойти самые разные вещества. Примечательный случай – китайские исследователи, которые успешно применяли заваренный зеленый чай для выращивания гидратов. В перспективе можно ожидать создания практичных и экономически целесообразных гидратных технологий, основанных на эффективных каталитических добавках, — отметил ученый.
Материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Ирина Баранова
Информация предоставлена УППНД СО РАН