Ионная жидкость помогла очистить природный газ с небывалой эффективностью

Российские химики предложили новый метод очистки природного газа от примесей. Его эффективность достигает 99,998%, при этом способ гораздо экологичнее используемых сегодня в промышленности. Исследование опубликовано в журнале Separation and Purification Technology.

Природный газ, один из важнейших сырьевых ресурсов, состоит в основном из метана (CH₄), но также содержит в себе примеси кислых газов, таких как сероводород (H₂S) и углекислый газ (CO₂). Эти соединения негативно влияют на теплотворную способность, вызывают коррозию трубопровода и создают другие эксплуатационные проблемы. Поэтому природный газ необходимо очистить от примесей еще до транспортировки через трубопровод. Это важно не только для газовой отрасли, но и для химической промышленности, так как почти 90% мирового производства серы приходится на обработку полученного из природного газа сероводорода. Но современные способы очистки природного газа дороги и неэкологичны, поэтому ученые ищут новые технологии. Одним из перспективных вариантов является применение мембранных технологий.

Российские ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, НГТУ им. Р.Е. Алексеева и ННГУ им. Н.И. Лобачевского предложили совместить мембранный подход с использованием высокоэффективных абсорбентов. Их метод заключается в следующем: в одном аппарате создаются две полости, которые разделены мембраной с нанесенным на нее абсорбентом. В полость над мембраной подается неочищенный природный газ, который попадает в абсорбент. Он беспрепятственно пропускает молекулы метана, но задерживает сероводород и углекислый газ. В результате чистый метан свободно выходит через отдельный канал, тогда как примеси остаются в абсорбенте. Затем с помощью давления сероводород и углекислый газ сквозь мембрану отводятся в нижнюю полость. Это звучит достаточно просто, но процесс был бы невозможен без подходящего абсорбента. Российские ученые смогли синтезировать его на основе ионной жидкости.

«В абсорбенте должны растворяться, а потом отводиться кислые газы, и поэтому к нему несколько противоречивые требования: с одной стороны, сорбент у нас должен быть с хорошей сорбционной емкостью, то есть должен хорошо брать молекулы газов, а с другой стороны, он должен их и хорошо отдавать, чтобы CO₂ и H₂S испарялись через мембрану. Мы протестировали много всего и наконец в этой работе нашли такой оптимальный вариант с ионной жидкостью. В результате мы без снижения давления в непрерывном режиме получали метан, очищенный до уровня 99,998%», — рассказал один из авторов работы, заведующий лаборатории «SMART полимерных материалов и технологий» РХТУ Илья Воротынцев.

Ионная жидкость, синтезированная учеными, называется тригексилтетрадецилфосфония индазолид. Исследователи изучили ее состав с помощью метода ядерного магнитного резонанса и измерили плотность, вязкость и растворимость в ней метана, сероводорода и углекислого газа, то есть максимальную концентрацию газов, которую может набрать новый абсорбент. Ученым была нужна такая ионная жидкость, в которой метан бы почти не растворялся, а углекислый газ и сероводород, наоборот, растворялись очень хорошо. Этого удалось добиться за счет использования объемного аниона индазолида, который очень сильно снижал растворимость CH₄, но не влиял на H₂S и CO₂. Полученную ионную жидкость исследователи использовали в сочетании с одним из классических абсорбентов для очистки природного газа на основе аминов. Так им удалось снизить суммарную стоимость вещества и повысить его эффективность. Испытания на практике показали, что из смеси метана (95% смеси) и сероводорода (5%) получался метан с чистотой в 99,998%, а из смеси метана (80%) и углекислого газа (20%) — 93,34%.

По словам ученых, никто еще не достигал такой чистоты при использовании мембранной очистки природного газа. Причем их способ оказался не только эффективен, но и экологичен по сравнению с традиционными промышленными методами. Дело в том, что обычно используемые аминовые абсорбенты постепенно загрязняются и подлежат утилизации, а в методе российских химиков абсорбент на основе ионной жидкости непрерывно очищается за счет диффузии газов через мембрану под действием перепада давления. По словам ученых, их способ на 30–40% экологичнее промышленного аналога.

«Ключевой результат работы в том, что в едином массообменном аппарате с применением достаточно традиционного аминного агента и добавки новой ионной жидкости мы получили очистку от 93 до 99,998%, то есть, по сути, получили высокочистый метан из природного газа, загрязненного кислыми газами. При этом без воздействия температурного поля, то есть без дополнительных затрат энергии. Наш мембранный аппарат можно легко совместить с газовыми трубопроводами, принципиально не меняя никаких технологий. По сути, просто встроить его в трубопровод, или сделать bypass-технологию — ведь мы можем очищать природный газ в непрерывном режиме со скоростями потока такими же, как в газопроводах, а также почти без снижения давления. Какой поток на входе — такой и на выходе», — рассказал Воротынцев. Ученые теперь собираются провести аналогичные эксперименты для тройных смесей газов. Также они надеются, что их метод найдет применение в промышленности.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.