В ИФХЭ РАН выяснили, что углеродный ксерогель способен адсорбировать беспрецедентное количество метана

На большие расстояния природный газ часто перевозят в криогенных резервуарах в сжиженном состоянии при температуре минус 161 градус. Хранить газ в сжиженном состоянии выгодно. Сжиженный природный газ по энергоемкости приближается к бензину и дизелю. Плотность энергии (количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы объема) сжиженного газа в 600 раз выше его плотности энергии при нормальных условиях (при 20 градусах Цельсия и давлении в одну атмосферу).

Проблема заключается в том, что даже в самом эффективном криогенном сосуде происходит теплообмен с окружающей средой. Жидкий газ нагревается, часть его испаряется, и резкое увеличение давления в резервуаре может привести к катастрофе. Для предотвращения такой ситуации резервуары для хранения сжиженного газа оснащены системами для сброса избыточного давления. Часть ценного газового топлива выбрасывается в атмосферу и, вместо того чтобы стать источником энергии, становится причиной увеличения количества парниковых газов.

При использовании адсорбентов, улавливающих пары метана, они не выбрасываются в окружающую среду и не сжигаются, а накапливаются в резервуаре. При докритических температурах метан большей частью адсорбируется в мезопорах по механизму капиллярной конденсации. При сверхкритических температурах работают микропоры. Представляется разумным выбрать монолитный адсорбент, в объеме которого присутствуют как микро, так и мезопоры.

«Существуют самые разные типы адсорбентов: цеолиты, металл-органические каркасные структуры, активированные угли и так далее, – рассказал один из авторов работы, аспирант Александр Гринченко. – Каждый имеет свои достоинства и недостатки. Технологически эффективной адсорбционной способностью сорбента можно считать его способность запасать до 200 кубометров (НТД)/м3 газа. В этой работе на монолитном образце углеродного ксерогеля мы провели эксперименты по измерению адсорбции метана и адсорбционно-стимулированной деформации в широком диапазоне температур и давлений».

Углеродный ксерогель получен путем пиролиза органического ксерогеля, который, в свою очередь, получают путем реакции поликонденсации резорцинола и формальдегидной смолы. Меняя условия синтеза и исходные реагенты, можно регулировать его пористую структуру под конкретную задачу.

Эксперименты показали, что объемная емкость внутри микропор сравнительно невелика – 75 кубометров НТД/м3. Однако при докритических температурах в мезопорах происходит капиллярная конденсация, благодаря которой полная объемная емкость системы аккумулирования на основе ксерогеля при температуре минус 161 градус Цельсия достигает беспрецедентных значений в 540 кубометров (НТД)/м3. Адсорбционная и термическая деформация материала может препятствовать его промышленному применению. Например, в установках осушки газа при разрушении лобового слоя силикагеля эффективность осушки резко падает. Для углеродного ксерогеля этой проблемы не возникает.

«Несмотря на столь значительную величину адсорбции, адсорбционно-стимулированная деформация образца составила 0,14 процентов. Незначительным оказалось и температурное расширение образца, что говорит о возможности применить этот материал в широком диапазоне температур и давлений без потери эффективности» – пояснил Александр Гринченко.

При температуре ниже критической (минус 83 градуса Цельсия) по механизму капиллярной конденсации в мезопорах адсорбируется до 80 процентов от общего запасенного объема метана. Для выдачи газа потребителю достаточно незначительно снизить давление или повысить температуру в резервуаре.

«Стратегия развития энергетики большинства развитых и развивающихся стран включает использование природного газа (метана) в качестве топлива, – сказал руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Илья Меньщиков. – Сжижение повышает плотность газа и плотность энергии, поэтому в сжиженном виде этот энергоноситель становится эффективнее. Использование дополнительных адсорбирующих модулей для сбора избыточных паров повысят безопасность, экологичность и эффективность хранения сжиженного газа и устойчивость энергосистемы в целом». Работа поддержана Российским Научным Фондом.

ИФХЭ РАН

30 статей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук — один из ведущих химических институтов Российской академии наук. Насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук. Проводимые в ИФХЭ РАН фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия. Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу Центра Коллективного Пользования, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.

Показать больше