«Идеальная» подложка для мембран в 9 раз сократит энергозатраты на очистку природного газа

Ученые создали «идеальную» подложку для мембран, которые используются для очистки природного газа от тяжелых углеводородов. Такие молекулы нужно удалять, поскольку они могут конденсироваться в трубопроводе, что будет негативно сказываться на его работе. Новая подложка из полисульфона обладает идеальным сопротивлением, то есть практически не препятствует транспорту газа через газоразделительную мембрану. Это поможет более чем в 9 раз сократить энергетические затраты на разделение природного газа и повысит скорость его очистки более чем в два раза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.

Природный газ — один из основных сырьевых ресурсов в энергетике и крупнотоннажной химии. В недрах Земли есть так называемые «тяжелые» углеводороды, то есть те, которые содержат более трех атомов углерода в цепочке. В связи с тем, что газ добывают из все более глубоких месторождений — более километра вглубь, — в нем увеличивается количество «тяжелых» углеводородов. При этом доля таких соединений не должна превышать 1,5%, иначе газ под большим давлением может конденсироваться в трубопроводе и тем самым ухудшать его работу. Однако в добытом газе может быть до 35% тяжелых углеводородов. Уменьшить их содержание в природном газе можно с помощью газоразделительных мембранных установок на основе силоксановых каучуков — кремнийсодержащих полимеров.

Мембраны в составе таких установок состоят из плотного разделяющего слоя и пористой подложки. Разделение через селективный слой происходит благодаря разной проницаемости компонентов природного газа. То есть нежелательные компоненты газовой смеси, например тяжелые углеводороды, проходят через мембранный газоразделительный слой в десятки раз быстрее по сравнению с метаном, основным горючим элементом для топлива. После разделяющего слоя смесь метана с тяжелыми углеводородами проходит через пористую подложку, которая в идеале не должна создавать препятствий движению газа. Это необходимо для быстрого отвода прошедших через селективный слой углеводородов и увеличения скорости очистки природного газа. Очищенный от тяжелых углеводородов метан далее транспортируется через трубопровод на продажу. Раньше считалось, что у подложки есть только механическая функция поддержки разделительного слоя, но на самом деле эффективность газоразделительной мембраны также во многом зависит и от производительности подложки.

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) разработали подложку из полисульфона — серосодержащего полимера — для газоразделительной мембраны, которая обладает низким сопротивлением транспорту газа. Разработанная подложка представляет собой полые внутри волокна, напоминающие трубочки, с толщиной стенки 300 микрометров (примерно в 10 раз толще человеческого волоса). Чтобы мембрана имела минимальное сопротивление, авторы оптимизировали структуру поверхности волокон вблизи внутреннего канала. Этого удалось достичь за счет того, что внутрь подложки подавали предельные углеводороды: пентан, гексан и гептан.

Новая методика позволила получить подложки из полисульфона с рекордно высокой газопроницаемостью в 10 раз превосходящей газопроницаемость аналогичных пористых половолоконных подложек, описанных в литературе. Так, например, за час через подложку площадью 1 квадратный метр при нормальном атмосферном давлении проходит 95 тысяч литров углекислого газа. Разработка ученых поможет увеличить более чем в два раза производительность композиционных мембран и более чем в девять раз снизить затраты энергии на разделение природного газа.

«Наша лаборатория сейчас разрабатывает не только подложки, но и новые материалы селективных слоев для газоразделительных мембран. На данный момент используются селективные слои с достаточно большой толщиной, порядка трех тысяч нанометров. Мы стараемся найти способ сделать их тоньше и тем самым еще больше увеличить производительность композиционных мембран», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Матвеев, инженер-исследователь лаборатории полимерных мембран Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.