Сотрудники лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии  им. А.Н. Фрумкина РАН разработали технологию синтеза монолитного углеродного адсорбента с развитой микромезопористой структурой для использования в криогенных условиях.

Одно из возможных применений нового материала — улавливание паров сжиженного природного газа в системах криогенного хранения и транспортировки. Эксперименты показали, что новый адсорбент вблизи температуры кипения метана вмещает до 380 литров газа на литр системы хранения. Это больше, чем при тех же условиях запасают известные перспективные сорбенты.

Известно, что при обращении со сжиженным (при температуре минус 161 градус) природным газом, при его хранении и транспортировке, неизбежно образуется отпарной газ. По экологическим и экономическим соображениям выброс отпарного газа в атмосферу или факельное его сжигание нежелательны. Традиционно при помощи компрессоров пары возвращают в цикл сжижения либо направляют в качестве топлива в энергетические установки, в том числе для собственных нужд. Однако данные подходы не всегда применимы.

Например, в системах хранения сжиженного природного газа, предназначенных для малых потребителей, модуль возврата паров метана не всегда предусмотрен. Поскольку уровень потребления газа у них часто не является постоянным, пары метана могут представлять проблему и приводить к негативным последствиям. Поэтому необходимо разрабатывать современные и эффективные решения для утилизации паров.

В последнее время большое значение приобретает технология адсорбционного аккумулирования природного газа, которая предполагает использование в системе хранения специального пористого сорбента. Эта технология разрабатывается как более энергоэффективная и пожаро- и взрывобезопасная альтернатива хранению газа в компримированном (сжатом) виде, поскольку таким образом удаётся аккумулировать сопоставимое или большее количество газа при гораздо более низких давлениях (3,5—7 МПа) по сравнению со сжатым газом.

Для сжиженного газа адсорбционная технология может быть не альтернативой, а дополнением к существующей инфраструктуре. Добавление адсорбционного модуля не только позволяет сохранить выделившийся газ, но и повышает безопасность. Важно отметить, что адсорбционная технология может быть особенно эффективной при докритических температурах (ниже минус 83 градусов). Наличие в структуре материала мезопор (шириной от 2 до 50 нм) значительно увеличивает его адсорбционную ёмкость в криогенных условиях. При этих температурах в мезопорах происходит капиллярная конденсация, при которой плотность адсорбируемого газа доходит до плотности жидкой фазы. Поэтому такой адсорбент способен запасти намного больше метана.

Для производства нового адсорбента учёные использовали отходы древесины. Сначала сырьё было карбонизировано (пережжено в уголь), затем уголь подвергся двухступенчатой активации. На первом этапе было создано большое количество микропор, которые на второй ступени активации были преобразованы в мезопоры. После активации проводилось формование готового адсорбента в монолитные блоки. Изготовленные блоки успешно прошли испытания в составе опытного аккумулятора, что подтвердило эффективность адсорбента для сбора испаренного метана. Помимо самого адсорбента, авторами была предложена концептуальная технологическая схема для аккумулирования отпарного газа.

«Мы предлагаем синергетическое решение, при котором адсорбционная технология становится частью инфраструктуры для хранения и транспортировки сжиженного природного газа и повышает её надежность, эффективность и безопасность», — сказал один из авторов работы, сотрудник лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН, аспирант Александр Гринченко.

Природный газ — единственный вид ископаемого топлива, потребление которого в будущем будет не сокращаться, а расти. Это связано с его относительной дешевизной и значительно меньшим выбросом вредных веществ при потреблении по сравнению с углём и нефтью. В «Стратегии научно-технического развития Российской Федерации» среди приоритетов указаны переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике и повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья. Новые современные технологии для добывающей и энергетической отрасли отвечают поставленным задачам и являются в высшей степени актуальными.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант N 22-73-00184. Работа опубликована в Journal of Chemical & Engineering Data.

Текст: Ольга Макарова.
Источник: ИФХЭ РАН.