Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева, Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева и Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского разработали новый метод очистки природного газа от примесей, в котором одновременно используются мембранные технологии и новый абсорбент на основе ионной жидкости. Исследователи продемонстрировали, что таким методом можно получать высокочистый метан с концентрацией до 99,998 %. Результаты работы опубликованы в журнале Separation and Purification Technology, кратко о них сообщила пресс-служба РХТУ.
Основной компонент природного газа — метан, повсеместно используемый как в промышленности, так и в бытовых целях. Но, помимо него, в природном газе содержатся примеси, такие как диоксид углерода и сероводород, которые снижают теплотворную способность, провоцируют образование газовых гидратов и коррозию трубопроводов, а также создают другие проблемы. Поэтому природный газ необходимо очищать от них еще до подачи в трубопровод. Кроме того, помимо метана, так можно получать еще и сырье для химической промышленности, к примеру, почти 90 % мирового производства серы приходится на обработку сероводорода, выделенного из природного газа.
В промышленности для очистки природного газа чаще всего используют растворы аминов. При этом в процессе очистки их нагревают и охлаждают, используя сложную установку из множества модулей. Сейчас ищут альтернативные способы очистки природного газа — например, с применением различных мембранных технологий. Авторы нынешнего исследования предложили совместить мембранный подход с использованием высокоэффективных абсорбентов. В одном аппарате создаются две полости, разделенные мембраной, на которую сверху нанесен абсорбент. В полость над мембраной подается неочищенный природный газ — он барботируется через абсорбент, который почти беспрепятственно пропускает молекулы CH4, но задерживает H2S и CO2. В результате на выходе из абсорбента получается чистый метан, который по отдельному каналу выводят из надмембранной полости, а внутри абсорбента остаются H2S и CO2, которые отводятся в полость под мембраной за счет разницы давления: в полости над мембраной оно выше, чем в полости под мембраной.
Российские исследователи уже применяли такой метод для самых разных задач, а в этой работе они сконцентрировались именно на очистке природного газа и синтезировали новый абсорбент на основе ионной жидкости (так называют жидкость, полностью состоящую из ионов, — например, расплав соли при температуре выше температуры плавления).
«В абсорбенте должны растворяться, а потом отводиться кислые газы, и поэтому к нему несколько противоречивые требования: с одной стороны, сорбент у нас должен быть с хорошей сорбционной емкостью, то есть должен хорошо брать молекулы газов, а с другой стороны, он должен их и хорошо отдавать, чтобы H2S и CO2 испарялись через мембрану, — рассказывает один из авторов работы Илья Воротынцев, заведующий лаборатории "SMART полимерных материалов и технологий" РХТУ. — Мы протестировали много всего и, наконец, в этой работе нашли такой оптимальный вариант с ионной жидкостью. В результате мы без снижения давления в непрерывном режиме получали метан, очищенный до уровня 99,998 об. %».
Для нового метода была нужна ионная жидкость, в которой почти не растворяется метан и хорошо растворяются диоксид углерода и сероводород. В этой роли выступил синтезированный учеными индазолид тригексилтетрадецилфосфония, где за счет объемного аниона индазолида значительно снижена растворимость метана. Синтезированная ионная жидкость использовалась в смеси с одним из классических абсорбентов для очистки природного газа на основе аминов — так, с одной стороны, получилось снизить суммарную стоимость абсорбента, а с другой — значительно повысить его эффективность. Селективность такой смеси для пар газов CO2/CH4 и H2S/CH4 составила 62 и 107 соответственно. Эта величина показывает производительность системы с точки зрения разделения газов — то есть поток H2S через единичную площадь нового абсорбента в сто с лишним раз меньше, чем поток CH4.
Главной частью экспериментов было определение эффективности очистки природного газа от сероводорода и углекислого газа. Исходная смесь подавалась в аппарат, а на выходе измерялась чистота потока метана. Из бинарной смеси CH4/H2S (изначальное содержание H2S — 5 об. %) получался метан чистотой в 99,998 об. %, а из смеси CH4/CO2 (изначальное содержание CO2 — 20 об. %) — 93,34 об. %. В других работах, посвященных мембранной очистке природного газа, по словам ученых, такой чистоты еще никто не достигал. Таким образом, совместное использование мембраны и абсорбента позволило значительно повысить эффективность процесса. По сравнению же с промышленными методами очистки природного газа аминами, новый подход не только экономичнее, но и экологичнее: аминовые абсорбенты постепенно загрязняются и подлежат утилизации, а в методе российских химиков абсорбент на основе ионной жидкости непрерывно очищается за счет диффузии газов через мембрану под действием перепада давления.
