Хранение и транспортировка метана станут безопаснее и эффективнее
Ученые разработали экологичное поверхностно-активное вещество на основе касторового масла и олеиновой кислоты. Оно способствует образованию гидрата метана — кристаллов, в которых газ заключен в «ячейки», создаваемые молекулами воды. Такое соединение помогает образовывать гидраты эффективнее синтетического аналога, а полученные кристаллогидраты способны хранить метан в течение 15 дней при температурах ниже нуля. Благодаря этому разработка может служить для безопасной и «зеленой» транспортировки метана, который используется в качестве «бытового» газа, промышленного сырья и рассматривается как потенциальное топливо будущего. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science.
Метан — основной компонент природного газа, который образуется при разложении органических веществ. Этот углеводород — один из основных топливных источников энергии, но его хранение и транспортировка требуют сложных и дорогостоящих технологий, так как он легко воспламеняем и летуч. Широко используется метод сжижения — превращение метана из газа в жидкость, чтобы он занимал в 600 раз меньше места, — или сжатие, то есть уменьшение его объема под высоким давлением. Альтернативным способом хранения могут стать гидраты метана — кристаллические соединения, в которых молекулы газа заключены в «ячейки», сложенные из молекул воды. Такой способ хранения отличается от сжижения тем, что молекулы метана вместе с водой находятся в твердом состоянии.
Гидраты обладают высокой емкостью: так, в одном кубическом метре гидрата помещается до 180 кубических метров метана. Кроме того, в гидратах метан устойчив при более мягких условиях (атмосферном давлении и температуре), чем сжиженный или сжатый газ. Однако такой способ хранения и транспортировки пока не нашел широкого применения из-за того, что образование гидратов идет с меньшей скоростью, чем происходит сжижение газа, а нагревание или снижение давления приводит к их разрушению.
Ученые из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань), Университета Бойнорда (Иран) и Хэнаньского технологического университета (Китай) разработали новое поверхностно-активное вещество — биосурфактант — на основе гидроксилированного олеата (соли органической кислоты, в которую добавили гидроксильную группу), позволяющее эффективно формировать стабильные гидраты метана.
Для создания биосурфактантов исследователи использовали экологически безопасные, доступные и дешевые исходные материалы — касторовое масло и олеиновую кислоту. Поэтому предлагаемый метод образования гидратов метана не будет оказывать негативного воздействия на окружающую среду по сравнению с широко используемыми для этой же цели синтетическими поверхностно-активными веществами, например, додецилсульфатом натрия, который известен своей токсичностью.
Исследователи сравнили эффективность нового биосурфактанта и синтетического додецилсульфата натрия. Оказалось, что в присутствии соединения на основе гидроксилированного олеата 95% воды превращаются в гидрат, тогда как при использовании додецилсульфата натрия это значение не превышает 92%. Кроме того, биосурфактант повышает емкость гидрата: всего в один его объем (например, литр) удается поместить до 162 объемов метана (соответственно, 162 литра). Это примерно на 3% больше, чем у синтетического образца. Помимо этого, формируются более плотные и стабильные гранулы гидратов, которые удерживают метан даже после 15 дней хранения при температуре −5°C.
Все эти преимущества биосурфактанта связаны с наличием у него гидроксильной группы в молекуле. Она улучшает его взаимодействие с водой и метаном, а также способствует образованию более устойчивой кристаллической решетки гидрата. Кроме того, гидроксилированный олеат устойчив к нагреванию, сохраняет свои свойства даже при 90°C и позволяет создавать гидраты из морской воды, что устраняет необходимость дорогостоящих процессов опреснения. Эти результаты помогут активнее использовать технологию твердого природного газа и поддержат развитие экологически чистой химии.
«Хранение метана в форме гидрата снижает риск утечек. Это критически важно для предотвращения выбросов парниковых газов в атмосферу, которые способствуют глобальному изменению климата. Наше исследование поможет усовершенствовать и масштабировать технологии хранения метана, сделав их более экологически устойчивыми и эффективными», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Абдолреза Фархадиан, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов Казанского (Приволжского) федерального университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Разместила: Ирина Усик