Академия

Подложка для мембран с минимальным сопротивлением в девять раз сократит энергозатраты на очистку природного газа

Подложка для мембран с минимальным сопротивлением в девять раз сократит энергозатраты на очистку природного газа

Рубрика Исследования

Cоздана «идеальная» подложку для мембран, которые используются для очистки природного газа от тяжёлых углеводородов. Молекулы последних 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.

Природный газ — один из основных сырьевых ресурсов в энергетике и крупнотоннажной химии. В недрах Земли есть так называемые «тяжёлые» углеводороды, то есть те, которые содержат более трёх атомов углерода в цепочке. В связи с тем, что газ добывают из всё более глубоких месторождений — более километра вглубь, — в нем увеличивается количество «тяжёлых» 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% тяжёлых углеводородов. Уменьшить их содержание в природном газе можно с помощью газоразделительных мембранных установок на основе силоксановых каучуков — кремнийсодержащих полимеров.

Изображение разработанной подложки, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа

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 тяжёлые 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 тяжёлыми 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 тяжёлых 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.

Ученые из Института нефтехимического синтеза им. 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 учёных 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 трёх тысяч нанометров. Мы стараемся найти способ сделать их тоньше и тем самым ещё больше увеличить производительность композиционных мембран», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, инженер-исследователь лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН Дмитрий Матвеев.

Источник: пресс-служба РНФ.

Новости Российской академии наук в Telegram →