Химики доказали, что нанопористые углеродные материалы могут быть использованы в качестве многообещающей недорогой альтернативы для хранения природного газа, который используется в качестве экологичного топлива.
В ТюмГУ нашли новый способ хранения газа для заправки автомобилей / ©Getty images
С начала 1980-х годов использование природного газа в качестве моторного топлива значительно возросло. Это связано с более высоким экономическим эффектом, а именно экономичностью природного газа (по сравнению с бензином и дизельным топливом) и заинтересованностью развитых стран в снижении своей зависимости от импортной нефти.
Кроме того, по очевидным экономическим причинам, интерес к природному газу как моторному топливу нашел отражение в социальной и экологической сфере. Это подтверждается тем, что запасы нефти постепенно истощаются, а производство попутных традиционного топлива из жидких углеводородов снижается.
Метан как основа природного газа — экологически чистый продукт сгорания. Транспортные средства, работающие на основе метана, могут снизить выбросы загрязняющих веществ, особенно в городских районах, где качество воздуха стало серьезной проблемой для здоровья.
Таким образом, метан может быть использован как альтернатива бензину для использования в качестве топлива в транспортном секторе. Однако пригодность природного газа для транспортных средств будет зависеть от возможности хранить достаточное его количество в топливном баке.
Из-за низкой критической температуры метана, а также при его транспортировке, хранении и эксплуатации сегодня транспортным средствам требуется либо его сжатие под высоким давлением, либо низкотемпературное сжижение (например, при температуре около минус 161 градуса для метана).
Это дорого и потенциально представляет серьезную опасность. Сжиженный природный газ – тот же природный газ, который хранится в при минус 161 градусе в криогенном резервуаре. Сжатый природный газ – это когда газ хранится в форме сжатого сверхкритического флюида (состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой) при комнатной температуре и давлении около 20–25 МПа. В таком состоянии сжатый природный газ используется во всем мире – на нем работает более миллиона автомобилей.
Резервуары для хранения должны представлять собой сосуды, работающие под давлением, и, как следствие, иметь ограниченную геометрию (как правило, цилиндрической формы) и достаточно большой вес (около одного кг/л для стальных резервуаров). Также для достижения столь высокого давления требуется дорогостоящее оборудование.
Вышеупомянутые проблемы могут быть решены путем достижения адекватной объемной емкости в условиях низкого давления и комнатной температуры. Ученые предлагают хранить природный газ как адсорбированный. На адсорбированном природном газе автомобили работают при более низком давлении, чем на сжатом; при этом используется более дешевое оборудование, чем для сжиженного газа.
Таким образом, адсорбированный способ — наиболее безопасный для хранения природного газа, он создает альтернативные возможности для обеспечения конкурентоспособности транспортных средств, работающих на газе.
Адсорбент — ключевое звено в этой технологии. В зависимости от его характеристик адсорбционная способность и работоспособность (используемая метаноемкость в транспортных средствах) будут различны.
Сегодня проведено множество исследований адсорбции метана с использованием различных нанопористых адсорбентов. Нанопористые углеродные материалы (например, активированный уголь, который широко используется в промышленности) относятся к коммерческим адсорбентам. Они обладают высокой удельной поверхностью и значительным объемом микропор (до 2 нм), что делает их подходящими для адсорбации природного газа.
Однако для эффективного использования нанопористых углеродных материалов в приложениях по адсорбции и хранению газа требуется, чтобы микропористый порошок имел макроскопическую форму (то есть для приложений, где доступный объем хранения ограничен), очень важно увеличить плотность упаковки порошка.
И одна из основных целей исследовательской работы химиков — минимизация объема пористой структуры (мезо-, макропор и межчастичного пространства), где не происходит адсорбции метана (поглощения его углем), при сохранении большого объема микропор.
В настоящем исследовании путем химической активации был приготовлен порошкообразный нанопористый углеродный материал, из которого был получен монолитный. А также рассмотрены важные характеристики и свойства синтезированных углеродных нанопористых структур с акцентом на применение в адсорбции и аккумулировании газов.
Полученные учеными результаты могут быть экстраполированы на различные токсичные газообразные системы, а разработанный материал нанопористых углеродных материалов может быть использован в качестве многообещающей недорогой альтернативы для их секвестрации или хранения.
Статья «Нанопористые углеродные материалы высокой плотности в качестве материала для хранения метана: решение с добавленной стоимостью» ученых ТюмГУ, Тамбовского государственного технического университета и Индии Анастасии Меметовой, Индерджита Тяги, Рамы Рао, Карри Сухаса, Наримана Меметова, Андрея Зеленина, Романа Столярова, Александра Бабкина, Виктора Ягубова, Игоря Бурмистрова, Алексея Ткачева, Владимира Богословского, Гульнары Шигабаевой, Евгения Галунина вышла в издании «Журнал химической инженерии». Работа выполнена при поддержке гранта РНФ.
