На современных промышленных предприятиях применяются разные технологии улавливания углекислого газа. Среди самых распространенных — криогенная дистилляция, физическая и химическая адсорбция. Однако эти методы требуют значительных энергозатрат, дорогостоящих реагентов и часто приводят к коррозии оборудования.
Ученые Томского политеха предложили технологию, которая позволяет «поймать» углекислый газ в смеси дымовых газов. Для этого они предложили использовать газовые гидраты — соединения газа в водной оболочке. Благодаря своей кристаллической решетке гидрат «запирает» углекислый газ внутри себя, оставляя другие газы снаружи. Затем такой гидрат можно регазифицировать и получить концентрированный CO₂, пригодный для дальнейшего использования или хранения. Исследование поддержано федеральной программой Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы ученых опубликованы в журнале Journal of Environmental Chemical Engineering (Q1, IF: 7,5).
«В дымовых газах содержится смесь газов кислорода, оксида азота, серы, угарного газа, метана и других примесей. Их можно не просто фильтровать и утилизировать, но и эффективно использовать. Предложенная нами технология может максимально эффективно, дешево и неэнергозатратно выделять углекислый газ из дымовых газов при сжигании традиционных видов топлива. Поскольку вместо дорогих реагентов мы используем воду. По нашим оценкам, такой подход требует примерно вдвое меньше энергии на единицу массы CO₂, чем у аналогичных технологий, что соответственно уменьшает стоимость улавливания по сравнению с традиционной абсорбцией», — отмечает один из авторов исследования, заведующий лабораторией газовых гидратов ИШФВП ТПУ Никита Шлегель.
Политехники экспериментально проверили разработанную технологию. Для этого они получили дымовую смесь от сжигания трех распространенных видов топлива — угля, мазута и природного газа. Ее ученые подавали в реактор с водой для образования гидрата. После образования гидрата политехники удаляли непрореагировавший газ и снова подавали в реактор порцию дымовой смеси. Это позволяло максимально заполнять гидратную решетку газом.
Исследования полученных из дымовых смесей гидратов показали, что они способны улавливать углекислый газ с эффективностью свыше 92%. Отдельно для дымовых выбросов природного газа этот показатель достиг 98,2%, для мазута — 92,7%, для угля — 92%.
Отдельно политехники проанализировали состав полученных гидратов. Результаты показали, что гидраты из дымовых выбросов от сжигания угля содержат 92,2% углекислого газа, от природного газа — 95,6%, от мазута — 92,6%. При этом выбросы природного газа дали наиболее чистый гидрат, поскольку в его составе отсутствовал оксид серы. Гидраты от угля и мазута приходилось дополнительно «очищать».
На основе полученных результатов политехники вывели математические уравнения, которые позволяют рассчитать состав газовой смеси, объем реактора, объем подаваемой дымовой смеси и температуру, а также спрогнозировать время на разделение CO₂ из дымовых газов в промышленных условиях. Это позволит в будущем масштабировать технологию.
В исследовании принимали участие ученые Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха.