Ученые молодежной лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета разработали биопромоторы гидратообразования на основе аминокислот и глюконовой кислоты.
О преимуществах хранения и транспортировки природного газа в виде газовых гидратов и разработанном в КФУ новом «стимуляторе роста» этих твердых кристаллических соединений, внешне напоминающих лед, рассказал младший научный сотрудник НИЛ Гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов ИГиНГТ Шамиль Гайнуллин.
«Природный газ остается одним из ключевых источников энергии, но его хранение и перевозка до сих пор связаны с серьезными техническими трудностями. Обычно для этого используют либо сжижение газа при очень низких температурах, либо сильное сжатие при высоком давлении. Оба пути требуют сложной инфраструктуры, больших энергозатрат и повышенных требований к безопасности. Один из наиболее безопасных способов хранения метана – в форме газовых гидратов, там он находится в связанном виде», – пояснил молодой ученый.
Гидратная технология в качестве альтернативы традиционным способам хранения и транспортировки природного газа, по словам исследователя, может использоваться там, где строительство трубопровода или работа со сжиженным природным газом экономически нецелесообразны.
Представители лаборатории уже несколько лет работают над повышением эффективности этой технологии.
«Главное препятствие, с которым мы сталкиваемся, – медленная кинетика. Гидрат начинает образовываться поздно, либо растет медленно, либо вода превращается в гидрат не полностью, – поясняет Шамиль Гайнуллин. – Кроме того, на границе газа и воды может образовываться плотная гидратная пленка, которая мешает дальнейшему контакту фаз и тормозит процесс еще сильнее».
Для ускорения процесса гидратообразования используются различные промоторы, чаще всего – поверхностно-активные вещества (ПАВ), но у них существует ряд недостатков.
«Ускорять образование гидрата метана способны аминокислоты. При этом они биоразлагаемые, нетоксичные и не способствуют пенообразованию, как традиционные ПАВ. К сожалению, эти вещества уступают классическим промышленным промоторам, – сообщил Ш. Гайнуллин. – Мы провели химическую модификацию аминокислот с целью повышения их эффективности и изучили новые соединения, синтезированные на основе аминокислот и глюконовой кислоты».
Он отметил, что природное, биосовместимое соединение глюконовая кислота было выбрано в качестве модификатора, во-первых, ввиду своей экологичности, а во-вторых, потому что содержит много гидроксильных групп, способных образовывать водородные связи и влиять на организацию молекул воды, что, в свою очередь, способно ускорить процесс начала гидратообразования.
«Важный аспект – простота синтеза, – отметил он. – Исходный реагент – глюконо-δ-лактон. Эта легкодоступная пищевая добавка E 575 позволяет проводить одностадийный синтез в воде, в мягких условиях и без стадий очистки, и получать растворы-промоторы непосредственно на месте использования. Сложное химическое оборудование не требуется».
Влияние синтезированных биопромоторов на процесс образования гидратов метана исследовали в автоклавах высокого давления в статических и динамических условиях, а также с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, визуального наблюдения, гранулирования, тестирования на стабильность, молекулярной динамики и квантово-химического моделирования.
Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Batteries and Energy Storage.
«Главный вывод заключается в том, что новая группа биопромоторов заметно ускорила образование гидрата метана даже при очень низкой концентрации: процентное содержание массы компонента в смеси составило 0,05. В экспериментах гидратообразование в присутствии этих соединений запускалось примерно за 19 – 25 минут, тогда как в присутствии такого известного ПАВ, как SDS, – за 54 минуты, а для немодифицированных аминокислот время составляло около 45 минут. Иными словами, новые соединения срабатывали быстрее и раньше запускали процесс. При этом они не только ускоряли старт, но и обеспечивали высокий выход гидрата: в динамических условиях степень превращения воды в гидрат достигала 88–96 процентов, а поглощение метана доходило до 0,160 моль на моль воды».
В ходе исследования также было установлено, что полученные гидратные пеллеты обладают высокой плотностью, механической прочностью и устойчивостью при хранении метана, подчеркнул исследователь.
«Гидраты, полученные в присутствии классических ПАВ при выделении газа сильно пенятся, что делает технологию менее удобной в промышленном применении. В созданных нами системах на основе аминокислот и глюконовой кислоты такого эффекта не наблюдается ни при образовании гидрата, ни при его разложении», – заметил он.
Конкурентными преимуществами полученных соединений являются: природное происхождение, простота и дешевизна их синтеза, высокая гидрофильность и хорошие кинетические характеристики.
Источник: Минобрнауки России
