Экологически безопасные соединения с катионом аммония позволят получить «спрессованный» метан

Ученые впервые получили гидраты метана — одну из форм его хранения в твердом виде — с помощью экологически безопасных соединений с катионом аммония. Обычно для этого используют токсичные для человека и плохо распадающиеся в природе вещества. Новые молекулы оказались не менее эффективны, чем аналоги, а их промышленное применение поможет сделать метановую энергетику безопаснее. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Green Chemistry.

Метан — основной компонент природного газа, образующийся при разложении органических веществ. Это доступное и дешевое топливо, однако его сложно хранить и перевозить из-за взрывоопасности и летучести, то есть способности легко испаряться. Выгоднее всего хранить метан в виде гидратов — кристаллов, где газ заключен в «ячейки» из молекул воды. В такой «упаковке» метан уложен компактно, и при этом практически не возникает рисков его утечки и возгорания.

Традиционно гидраты метана получают с помощью поверхностно-активных веществ — соединений, которые снижают натяжение между молекулами и связывают метан с водой. Однако большинство таких веществ плохо разлагаются в окружающей среде и оказываются токсичными для человека — их концентрация в воздухе может вызывать раздражение дыхательных путей и кожи, а при попадании в воду они наносят вред рыбам. Поэтому, чтобы сократить негативное влияние топливной энергетики на природу, исследователи ищут способы создания «зеленых» реагентов для интенсификации получения гидратов метана. Например, ранее ученые создали поверхностно-активное вещество на основе касторового масла и олеиновой кислоты, однако, возможно, существуют более эффективные альтернативы.

Химики из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) с коллегами синтезировали гидраты метана с помощью экологически безопасных поверхностно-активных веществ, содержащих катионы лития, натрия, калия, аммония, этаноламмония и диэтаноламмония. Ранее эти соединения не рассматривались для получения гидратов метана, поскольку их поверхностно-активные свойства были плохо изучены. Более ранние исследования показали, что эти соединения нетоксичны для живых организмов, поэтому они будут безопасны при последующем использовании в промышленности.

Исследователи поместили тестовые растворы, содержащие воду и поверхностно-активные вещества, в камеру с повышенным давлением и пропустили через них метан. Полученные смеси выдерживали под давлением при комнатной температуре, а затем охлаждали до 2ºC в течение часа, чтобы получить гидрат метана в виде небольших неровных гранул.

Авторы определили, что поверхностно-активные вещества с катионами аммония, этаноламмония и диэтаноламмония помогли «упаковать» 92–94% метана в гидраты. С такой же эффективностью работают применяемые соединения-аналоги, однако их требуется примерно в 250 раз больше. Вещество на основе касторового масла и олеиновой кислоты, предложенное ранее в качестве «зеленой» альтернативы, также уступает новым соединениям по эффективности. Таким образом, предложенные авторами вещества позволят сделать «упаковку» метана экономичнее.

Исследователи также доказали, что все предложенные поверхностно-активные вещества за четыре недели в пробирке на 65–89% разложились до неорганических остатков, не загрязняющих почву и воду. Это подтверждает их безопасность для окружающей среды.

Кроме того, ученым удалось решить еще одну проблему: раньше при высвобождении метана из гидратов выделялось много пены из-за быстрого превращения твердых кристаллов в газ. В результате метан приходилось дополнительно очищать от пены, что приводило к потере 25% его объема. Предложенные поверхностно-активные вещества снизили пенообразование почти в два раза и позволили извлечь более 90% заключенного в гидраты газа.

«На следующем этапе проекта мы планируем изучить, как ароматические группы в составе поверхностно-активных веществ влияют на образование гидратов метана. Мы намерены оценить стабильность получаемых гидратов и проверить, сколько газа можно вместить в единицу объема такого гидрата. Параллельно мы хотим разработать новые методы создания экологически безопасных поверхностно-активных веществ, чтобы повысить устойчивость и масштабируемость технологий хранения метана в форме газовых гидратов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Абдолреза Фархадиан, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов Казанского (Приволжского) федерального университета.

В исследовании также участвовали сотрудники Университета Бойнорда (Иран), Университета науки и технологий Циндао (Китай), Шэньчжэньского университета технологий (Китай) и Кумского университета медицинских наук (Иран).