Российские ученые создали адсорбенты, способные запасти вдвое больше природного газа
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.
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.
Подпишитесь на наш канал, чтобы не упускать новости науки. Важная информация есть в нашем Telegram.