Отделение диоксида углерода в скважинах природного газа

Источник: Physorg

Природный газ считается самым чистым и наиболее распространенным источником ископаемого топлива. Но когда газ извлекается из скважины, он содержит примерно 20-40% (по массе) диоксида углерода. По существующим технологиям на отделение углекислого газа тратится значительное количество энергии и других ресурсов, и парниковый газ при этом выпускается в атмосферу. Изобретение, созданное в лаборатории Джеймса Тура (Университет Райса, США) может кардинально изменить ситуацию. Специальный пористый материал может поглощать диоксид углерода под давлением в устье скважины при температуре окружающей среды. После сброса давления диоксид углерода высвобождается и сорбент готов для следующего цикла работы.

Как отмечает г-н Тур, углекислый газ при этом можно закачать обратно в скважину, или использовать его для повышения нефтеотдачи пластов, для дальнейшего освобождения нефти и природного газа. Также можно использовать собранный диоксид углерода как сырье для различных химических нужд. Сорбент представляет собой нанопористый твердый углеродистый материал с содержанием атомов азота или серы. Его производство является простым и недорогим, в отличие от используемых в настоящее время жидких газоочистителей на основе аминов. Как отмечает г-н Тур, амины вызывают коррозию и преждевременный износ оборудования. Они способны поглощать диоксид углерода, но для высвобождения газа их приходится нагревать до 140 градусов по Цельсию, это ужасно большая трата энергии.

Ведущий автор проекта, аспирант Чжи-Чау Хван в начале работы пытался объединять амины с пористым углеродом, но для высвобождения углекислого газа все же требовался нагрев. Использование металлооксидных структур позволяло улавливать углекислый газ, но в эту ловушку попадал и метан. Наконец, г-н Хван решил объединить пористый углеродный порошок с нуклеофильными добавками — соединениями серы или азота. Сорбент производится в простом одностадийном процессе — сырье (дешевые промышленные полимеры) нагревается с гидроксидом калия до 600 градусов по Цельсию. Площадь поверхности материала составляет 2 500 кв. м/г, азот или сера равномерно распределяются в твердом пористом материале.

Именно благодаря этим атомам происходит невиданный ранее трюк — газообразный диоксид углерода превращается в твердые полимерные цепи, которые зажимаются в порах сорбента. Молекулы метана, этана, пропана или других компонентов природного газа могут пытаться связаться с углеродом, но растущие полимерные цепи буквально выдавливают их. Поэтому обеспечивается непрерывная селективность для отбора углекислого газа. Когда давление снимается, происходит спонтанная деполимеризация диоксида углерода, и сорбент освобождается для нового цикла работы. Материал с серными включениями показал наилучший результат работы — он способен поглощать до 82% газа от своего веса. Результаты сорбента с азотом чуть ниже, но они могут быть улучшены в дальнейшем. По словам г-на Тура, материал не деградирует даже после множества циклов работы, он чрезвычайно прочный и стабильный.