Для Югры и других нефтедобывающих регионов актуальна не только добыча нефти, но и эффективная переработка тяжелых остатков. Ученые обратили свое внимание на асфальт сольвентной деасфальтизации — тяжелый нефтяной остаток, образующийся при переработке нефти. Сложное строение и склонность к коксованию — образованию твердого остатка при нагреве — затрудняют его переработку традиционными методами. Однако такие нефтяные остатки содержат большое количество углерода, который можно использовать повторно.
Исследователи обрабатывали материалы из побочного продукта нефтепереработки при токе 100 А в течение 30 секунд в электродуговой плазме постоянного тока без вакуума. При таких условиях возникают очень высокие локальные температуры, из-за чего сложные тяжелые молекулы распадаются, а содержащийся в них углерод превращается в полезный углеродный материал. Результаты исследования опубликованы в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processing.
Происходит это при обычном атмосферном давлении, без специализированных вакуумных насосов или закачки газа. Отсутствие вакуумной системы упрощает конструкцию лабораторной установки и потенциально может облегчить дальнейшее масштабирование технологии.
«Плазменное воздействие длится около 30 секунд и приводит к образованию графитоподобного углерода. Одновременно происходит удаление значительной части водорода, кислорода, серы и других гетероатомов. По данным CHNS/O-анализа, содержание серы уменьшилось с 6,24 % до 1,56 %, а содержание кислорода — с 1,35 % до менее 0,01 %. На данном этапе мы подтвердили работоспособность метода в лабораторных условиях — технология эффективно “очищает” материал, оставляя на выходе графитоподобный углерод. Для практического применения необходимо разработать непрерывную подачу сырья, систему газоочистки, определить энергопотребление и ресурс оборудования», — отмечает одна из участниц проекта Валентина Егорова, младший научный сотрудник Научно-образовательного центра Института естественных и технических наук СурГУ.
Полученный материал специалисты использовали как сырье для получения карбидов кремния и хрома — твердых и жаростойких соединений. Синтез ученые проводили с помощью электродуговой плазмы при 200 А в течение 60 секунд.
«Содержание углерода в продукте достигло 96,94 %, а потеря массы при нагреве до 1030 °C составила 2,74 %, что свидетельствует о высокой термической устойчивости. В материале были обнаружены графитоподобные области, углеродные нанообъекты сферической формы и полиэдрические частицы графита. Полученный углерод мы использовали для синтеза карбидов: содержание карбида кремния составило 85 % после отжига, а содержание карбида хрома — 84 %», — подчеркивает Егорова.
Карбид кремния отличается высокой твердостью и устойчивостью к нагреву; его применяют в шлифовальных материалах, огнеупорах, нагревателях и электронной технике. Карбид хрома используют в защитных покрытиях и деталях, работающих в условиях износа и высоких температур. В быту и промышленности такие материалы встречаются в абразивных кругах, тормозных системах, режущем инструменте и электронных устройствах.
Для нефтедобывающих регионов разработанный метод ученых открывает возможность рассматривать подобные остатки не только как отходы, но и как дополнительный источник углеродного сырья. В дальнейшем это может способствовать уменьшению объемов накопления отходов, расширению ассортимента продукции нефтеперерабатывающих предприятий и развитию региональных производств в области углеродных и керамических материалов.
«Югра располагает значительными объемами углеродсодержащего сырья, включая тяжелые остатки нефтепереработки. Наша задача — научиться не просто утилизировать их, а получать из них полезные материалы. Проведенное исследование показывает, что такой подход принципиально возможен: нефтяной остаток может стать сырьем для графитоподобного углерода и карбидов, применяемых в современной промышленности», — акцентирует Юлия Петрова, руководитель проекта, кандидат химических наук, доцент, директор Института естественных и технических наук СурГУ
Следующий этап — исследование других видов нефтяных остатков, в том числе нефтешламов и асфальтосмолопарафиновых отложений, увеличение загрузки реактора электродуговой плазмы постоянного тока и разработка непрерывного режима обработки. Ученым предстоит более точно определить состав газообразных продуктов, повысить выход и чистоту карбидных фаз, оценить энергозатраты и ресурс электродов. Отдельное направление — испытание полученных материалов в качестве сорбентов, компонентов покрытий и прекурсоров для керамических материалов.