В Новосибирске разработали новую технологию искусственного получения газовых гидратов. Она поможет эффективно изготавливать большие объёмы этих структур за короткий промежуток времени.

Газовые гидраты полезны для опреснения и очистки воды, улучшения экологической обстановки, транспортировки газов и других задач. О новом способе рассказал старший научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН кандидат технических наук Антон Викторович Мелешкин на международной конференции «Динамические процессы в каталитических структурах» в Тюменском государственном университете.

Газовые гидраты представляют собой соединения, образующиеся из воды и газов (за исключением водорода). В этих структурах молекулы воды формируют трёхмерные полости, в которые помещаются молекулы газа. Интересной особенностью газовых гидратов является то, что процесс их образования не является химической реакцией, фактически это фазовый переход, где газ удерживается в полостях исключительно благодаря силам Ван-дер-Ваальса. Внешне они очень похожи на снег или дроблёный лёд.

«Одно из впечатляющих свойств газовых гидратов — способность хранить большое количество газа. В частности, в одном объёме газогидрата метана может содержаться до 170 объёмов газообразного метана. Поэтому транспортировка природного газа — одно из перспективных направлений использования газовых гидратов. Когда сжиженный природный газ транспортируют в танкерах, его температура поддерживается на уровне −162 °С. Если бы мы использовали газогидратную форму, это позволило бы снизить требования к температуре хранения до −20 °С. Такой подход был бы особенно выгоден для северных регионов. Кроме того, гидраты можно использовать для опреснения и очистки воды. Для этого в замораживаемую солёную воду вводят гидратообразующий газ, отделяют кристаллы газогидрата от рассола, отмывают их, плавят и получают пресную воду», — сказал Антон Мелешкин.

Основные технологии, используемые в настоящее время для опреснения воды, включают шоковую дистилляцию и обратный осмос. Шоковая дистилляция основана на процессе испарения: морскую воду нагревают до кипения, в результате чего образуется водяной пар, который затем конденсируется, превращаясь в дистиллированную воду. Однако этот метод имеет значительные недостатки. Во-первых, он не обеспечивает достаточной глубины очистки воды. Во-вторых, для его работы требуется большое количество энергии, так как вода обладает высокой теплоёмкостью, что делает способ неэффективным для крупных промышленных установок, где важна экономия ресурсов. Обратный осмос является более современным методом опреснения. Там используются специальные мембраны, которые пропускают только чистую воду, задерживая соли и другие примеси. Несмотря на высокую эффективность этого метода, он также имеет свои ограничения. Мембраны могут быть дорогостоящими и подвержены засорению, что требует регулярного обслуживания и может привести к высоким эксплуатационным расходам. Кроме того, для работы системы необходимо поддерживать высокое давление, что также увеличивает энергозатраты.

Главной научной новизной разработки является инновационный метод получения самого газового гидрата из морской воды. Обычно при создании гидратов используют химические или кинетические промоутеры (химические добавки, ускоряющие процесс гидратообразования или снижающие термобарические условия его получения). Процесс очистки воды значительно затрудняет использование добавок. Существующие методы получения газового гидрата, такие как перемешивание, барботаж (пропускание газа через воду) и распыление мелких капель воды в газовой среде, имеют множество недостатков. Прежде всего, это связано с низкой скоростью гидратообразования, что, в свою очередь, приводит к низкой производительности технологий, основанных на этих методах. Новый способ создания газовых гидратов, который придумали учёные ИТ СО РАН, имеет высокую энергоэффективность, поскольку никаких дополнительных воздействий на газожидкостную систему не требуется, только одновременный нагрев и охлаждение рабочей секции.

«Суть нашего метода создания гидратов заключается в том, что в установке поддерживается одно давление, однако температура по высоте установки разная. Ключевой особенностью метода является использование процесса кипения газа, который сжижается на стенках экспериментальной установки и кипит на подогреваемом дне. Это решение позволяет справляться с несколькими задачами. Во-первых, поверхность пузырьков постоянно обновляется благодаря кипению и последующей конденсации газа. Во-вторых, в установку вводится большое количество газа, поскольку он находится в сжиженном состоянии. Наконец, при высвобождении газа температура в пузырьке оказывается наименьшей, почти равной температуре насыщения. Наложение этих факторов приводит к тому, что на всплывающих пузырьках и формируются гидраты. Если условия были правильно подобраны, на поверхности воды начнет активно расти газогидратная шапка, после извлечения и отжима которой получается чистая вода. При этом остается очень концентрированный раствор, откуда также можно отобрать полезные элементы», — отметил учёный.

В основном специалисты в своих экспериментах используют фреон R-134а или элегаз. Хотя углекислый газ также применяется, у него есть значительные недостатки. Например, на одну молекулу СО₂ приходится шесть молекул воды, тогда как фреон R-134а способен захватывать 17 молекул воды на одну молекулу газа. Кроме того, для образования гидратов фреон R-134а и элегаз требуют меньшего давления. В сжиженном состоянии они тяжелее воды, что позволяет им сразу опускаться на дно камеры при попадании в воду.

Свои исследования учёные проводят в сотрудничестве с лабораторией клатратных соединений Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН. Лаборатория оснащена современным измерительным оборудованием, автоклавами для получения газовых гидратов и камерами для визуализации их роста. 

«В рамках совместной работы мы проводим исследования на лабораторных ячейках с визуализацией, там исследуются аспекты сложной кинетики роста газогидратных структур. Уже после полученные знания мы переносим на укрупнённые установки объёмом более десяти литров, тем самым масштабируя процесс. Когда исследования будут завершены, мы сможем заявить о наличии лабораторного образца установки. Следующим шагом будет создание прототипа — демонстратора технологии», — отметил соавтор работы научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Алексей Каусарович Сагидуллин. 

Исследование проведено в рамках проекта, поддержанного грантом РНФ № 22-79-10330.

Текст: Полина Щербакова.
Источник: «Наука в Сибири».