Российские химики создали и отработали технологию очистки газовых смесей от углекислого газа
Учёные Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) вместе с коллегами из Нижегородского государственного технического университета им. Н. И. Алексеева (НГТУ) разработали новую технологию газоразделения, которая позволяет производить очистку газовых смесей от двуокиси углерода. Для этого используются особые кристаллические соединения — газовые гидраты, способные впитывать CO2 в объёме, в 170 раз превышающем собственный. Новая технология поможет улавливать углекислый газ, который выделяют тепловые электростанции. Оптимизация такой разработки для массового внедрения в промышленных масштабах не только снизит количество вредоносных отходов на объектах ТЭК, но и позволит трансформировать выбросы в полезные химические продукты, которые будут использовать в дальнейших технологических цепочках. Результаты исследования опубликованы в журнале Separation Science and Technology.
За прошедшее столетие концентрация CO2 в атмосфере увеличилась почти вдвое, что уже привело к ощутимому повышению температуры на планете. Сокращение выбросов на объектах энергетики, поиск новых путей к решению проблемы декарбонизации экономики и попытка трансформировать вредоносные выбросы в полезные химические продукты — первоочередные научные задачи коллектива российских химиков из РХТУ и НГТУ.
В настоящее время для улавливания углекислого газа в ТЭЦ чаще всего применяется химическая адсорбция, при которой CO2 продувается через холодные растворы аминоспиртов и концентрируется в колонне в результате обратного процесса — десорбции. Особое внимание отрасли привлекают и потенциальные альтернативы, такие как мембранная сепарация газа, криогенная дистилляция, адсорбция под давлением и абсорбция жидкости.
В своём новом исследовании российские учёные из РХТУ и НГТУ экспериментировали с ещё одним решением — технологией газовой кристаллизации, позволяющей внедрять эффективные методы газоразделения. При наличии определённых добавок и создании определённых условий, включающих изменение давления и температуры, в газовой смеси образуются кристаллические соединения, впитывающие исключительно углекислый газ.
Новый гибридный (совмещённый) метод с использованием газовых гидратов при участии поверхностно-активных веществ (ПАВ) и соли бромида тетрабутиламмония (TBAB) позволяет очищать воздух и получать качественный химический продукт в виде чистой углекислоты, объясняет научный руководитель исследования, профессор, доктор технических наук, и. о. ректора РХТУ Илья Воротынцев.
«У нас уже была разработана эффективная технологическая схема выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ с непрерывной мембранной колонной. Уникальность же нового метода в том, что газовый гидрат обладает высокой ёмкостью и селективностью. Поэтому единичный объём газового гидрата способен вмещать в себя до 170 объёмов газа. Для крупнотоннажной химии, для массового внедрения как мембранных, так и газогидратных технологий, необходимы сами мембранные модули. Такие модули разрабатывают американские, европейские, китайские компании, которые работают с действительно большими объёмами. На территории России есть несколько производств, где создаётся довольно большое количество модулей, но всё же у нас такое производство пока не носит массовый характер. Без сомнения, можно сказать, что нашей стране таких мощностей недостаточно, а за такими технологиями будущее», — поясняет профессор Илья Воротынцев.
В ходе исследования учёными были использованы модульная газовая смесь, имитирующая воздух в ТЭЦ, два распространенных ПАВ Tween80 и SDS, которые испытывались в различных концентрациях и интенсифицировали все переходные процессы за счёт увеличения площади контакта газовой среды с поверхностью гидратообразователей, а также соль TBAB, позволяющая снижать давление в смеси в 5—7 раз. Для образования газовых гидратов создавались особые условия: эксперименты проводились в реакторе периодического действия с перемешиванием при постоянной температуре около 0°C (273,55 К) и начальном давлении 2,1 МПа.
Разрушение газовых гидратов в ходе экспериментов происходило во время нагрева смеси: высвобождались упомянутые 170 объёмов CO2 и происходил резкий скачок давления. По мнению Ильи Воротынцева, этот перепад также можно использовать в практических целях, в том числе для снижения нагрузок на компрессорные установки. При этом сам углекислый газ, отмечает учёный, получился уже чистым, готовым к транспортировке, хранению, дальнейшему использованию и любой последующей трансформации.
«Газогидратные технологии — в принципе свежее решение. Ранее такие процессы, наоборот, блокировались. Внедрялись ингибиторы, подавляющие появление газогидратов. Вспомним аварию в Мексиканском заливе, когда затонула платформа Deepwater Horizon и был поврежден трубопровод, по которому перетекала нефть с морского дна. При высоком давлении и низкой температуре на глубине возникли прекрасные условия для формации газовых гидратов, накопивших большое количество метана, что и предотвратило закупоривание пробоины», — говорит Илья Воротынцев.
Илья Воротынцев напомнил, что метод и технология использования газовых гидратов для очистки фторида серы и тетрафторида углерода были созданы и внедрены ранее его отцом Воротынцевым Владимиром Михайловичем. Новая технология лаборатории Ильи Воротынцева полных аналогов не имеет. Этого удалось достигнуть, в том числе благодаря внедрению особых инжиниринговых решений и их совмещению в одной технологической схеме, отмечает учёный. Также он указал на синергетический эффект новой технологии в отношении снижения энергопотребления:
«В сравнении с классическими методами кристализации, ректификации и дистилляции мембранный метод и так уже является энергосберегающим, а тут снижение энергопотребления происходит и за счёт правильного распределения газовых магистралей в технологической схеме, и оптимизации целого ряда параметров».