Новости

14 ноября, 2023 13:02

«Идеальная» подложка для мембран в 9 раз сократит энергозатраты на очистку природного газа

Ученые создали «идеальную» подложку для мембран, которые используются для очистки природного газа от тяжелых углеводородов. Такие молекулы нужно удалять, поскольку они могут конденсироваться в трубопроводе, что будет негативно сказываться на его работе. Новая подложка из полисульфона обладает идеальным сопротивлением, то есть практически не препятствует транспорту газа через газоразделительную мембрану. Это поможет более чем в 9 раз сократить энергетические затраты на разделение природного газа и повысит скорость его очистки более чем в два раза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.
Источник: fanjianhua/Freepik

Природный газ — один из основных сырьевых ресурсов в энергетике и крупнотоннажной химии. В недрах Земли есть так называемые «тяжелые» углеводороды, то есть те, которые содержат более трех атомов углерода в цепочке. В связи с тем, что газ добывают из все более глубоких месторождений — более километра вглубь, — в нем увеличивается количество «тяжелых» углеводородов. При этом доля таких соединений не должна превышать 1,5%, иначе газ под большим давлением может конденсироваться в трубопроводе и тем самым ухудшать его работу. Однако в добытом газе может быть до 35% тяжелых углеводородов. Уменьшить их содержание в природном газе можно с помощью газоразделительных мембранных установок на основе силоксановых каучуков — кремнийсодержащих полимеров.

Мембраны в составе таких установок состоят из плотного разделяющего слоя и пористой подложки. Разделение через селективный слой происходит благодаря разной проницаемости компонентов природного газа. То есть нежелательные компоненты газовой смеси, например тяжелые углеводороды, проходят через мембранный газоразделительный слой в десятки раз быстрее по сравнению с метаном, основным горючим элементом для топлива. После разделяющего слоя смесь метана с тяжелыми углеводородами проходит через пористую подложку, которая в идеале не должна создавать препятствий движению газа. Это необходимо для быстрого отвода прошедших через селективный слой углеводородов и увеличения скорости очистки природного газа. Очищенный от тяжелых углеводородов метан далее транспортируется через трубопровод на продажу. Раньше считалось, что у подложки есть только механическая функция поддержки разделительного слоя, но на самом деле эффективность газоразделительной мембраны также во многом зависит и от производительности подложки.


Изображение разработанной подложки, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Источник: Matveev et al. / Separation and Purification Technology, 2023

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) разработали подложку из полисульфона — серосодержащего полимера — для газоразделительной мембраны, которая обладает низким сопротивлением транспорту газа. Разработанная подложка представляет собой полые внутри волокна, напоминающие трубочки, с толщиной стенки 300 микрометров (примерно в 10 раз толще человеческого волоса). Чтобы мембрана имела минимальное сопротивление, авторы оптимизировали структуру поверхности волокон вблизи внутреннего канала. Этого удалось достичь за счет того, что внутрь подложки подавали предельные углеводороды: пентан, гексан и гептан.

Новая методика позволила получить подложки из полисульфона с рекордно высокой газопроницаемостью в 10 раз превосходящей газопроницаемость аналогичных пористых половолоконных подложек, описанных в литературе. Так, например, за час через подложку площадью 1 квадратный метр при нормальном атмосферном давлении проходит 95 тысяч литров углекислого газа. Разработка ученых поможет увеличить более чем в два раза производительность композиционных мембран и более чем в девять раз снизить затраты энергии на разделение природного газа.

«Наша лаборатория сейчас разрабатывает не только подложки, но и новые материалы селективных слоев для газоразделительных мембран. На данный момент используются селективные слои с достаточно большой толщиной, порядка трех тысяч нанометров. Мы стараемся найти способ сделать их тоньше и тем самым еще больше увеличить производительность композиционных мембран», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Матвеев, инженер-исследователь лаборатории полимерных мембран Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
24 апреля, 2024
Компьютерное зрение сможет точнее выявлять рак по характеру клеточного узора
Ученые предложили подход к анализу микрофотографий клеточных слоев, который позволяет в два раза у...
23 апреля, 2024
Люди каменного века умели использовать окружающий ландшафт для своих целей
Ученые впервые подробно описали рельеф местности на момент обитания людей на стоянках Быки на терр...