Российские ученые создали адсорбенты, способные запасти вдвое больше природного газа

На фото: компактированные адсорбенты

Российские ученые создали компактированные адсорбенты на основе металл-органических каркасных структур, способные запасти в 2-3 раза больше природного газа метана. Адсорбированный природный газ может использоваться в автомобильной промышленности, новых системах газоснабжения для малых потребителей, в энергоустановках робототехнических систем и беспилотных летательных аппаратах. 

Постоянно возрастающие потребности в природном газе требуют новых технологических решений. На данный момент в области хранения и транспортировки природного газа используются технологии сжиженного природного газа (при криогенных температурах) и компримированного природного газа (при высоких давлениях). Обе технологии требуют создания специальной инфраструктуры и энергоемкого оборудования. На их применение существует ряд ограничений, в том числе из-за низкой эффективности и проблем с безопасностью.

Ученые из лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН разработали технологию получения функционального адсорбента высокой плотности на основе циркониевой металл-органической каркасной структуры (МОКС). Работа выполнена  при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Эксперименты показали, что сосуд объемом 100 мл, снаряженный компактированным адсорбентом, может запасти до 10-12 л метана в интервале давлений от 2 до 4 Мпа. Это в 2-3 раза больше, чем для емкости без адсорбента, заполняемого сжатым метаном. Кроме того, в процессе заправки такого баллона адсорбентом температура системы повышается не более чем на 15 градусов, что значительно меньше, чем в баллонах, загруженных, например, активированными углями.

Адсорбционное аккумулирование — сравнительно новый и перспективный способ хранения и транспортировки природного газа до потребителя. При адсорбционном аккумулировании природный газ заполняет поры адсорбента и находится в нем в связанном (сорбированном) состоянии в поле дисперсионных сил. Перспективные адсорбционные системы могут аккумулировать до 200 л газа на 1 л объема системы при температурах от -40 до +50 градусов. Заправка систем производится при более низких давлениях, что снижает энергозатраты по сравнению, например, с компримированным природным газом. При хранении адсорбированного метана потерь топлива не происходит, а поддержание системы не требует энергозатрат. Адсорбированный газ отличается повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, поскольку находится в связанном состоянии в порах адсорбента.

«Дальнейший прогресс в синтезе адсорбентов, вероятнее всего, может быть обеспечен через соединение двух путей развития: функционализации, направленной на увеличение энергии адсорбции и сорбционной емкости, и придания этим материалам функциональной формы (гранулы, блоки) для конкретного  применения. Результаты нашего исследования позволили разработать технологию синтеза и последующего компактирования адсорбентов на основе металл-органического каркасного полимера без деградации его пористой структуры, в результате чего улучшается применимость нового материала для систем хранения адсорбированного природного газа», — говорит заместитель руководителя инженерно-технического центра ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Илья Меньщиков.

Формованные блоки адсорбента на основе циркониевого металл-органического каркаса были получены путем компактирования с добавлением специальных связующих веществ. Подбор оптимальных условий формования (давления и связующего) позволяет более чем в два раза увеличить плотность адсорбента при минимальном разрушении структуры пор. 

В насыпном адсорбенте до 50% полезного объема системы теряется в пространстве между гранулами. Соответственно, даже если теоретически адсорбент аккумулирует в два раза больше газа, чем сосуд без адсорбента, то в реальной системе этого преимущества не будет. Поэтому путь компактирования адсорбента в монолитные блоки намного эффективнее.

Металл-органические каркасные структуры выгодно отличаются от других пористых материалов тем, что структуру, размер и форму пор адсорбента можно подобрать для решения конкретной задачи. Большое разнообразие металлов, лигандов и их сочетаний, а также способы дополнительной функционализации МОКС в процессе и после синтеза позволяют регулировать пористость и доступность центров адсорбции метана. Синтезировать такие материалы можно полностью из реактивов отечественного производства.

«Фундаментальные исследования закономерностей адсорбции имеют важное прикладное значение для выбора эффективного сорбента, при использовании которого будут достигнуты максимальная плотность хранения и оптимальные условия обратимого аккумулирования газа для самых разных задач: в системах бортового хранения газа беспилотников и транспортных средств, работающих на газе, для систем мобильного газоснабжения удаленных потребителей и т.д. Как ученые, сегодня мы ставим задачу не только разработать лабораторный образец адсорбента, но также создать и связать все этапы развития технологии вплоть до промышленного применения», — подводит итог Илья Меньщиков.