Сотрудники лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН исследовали способность углеродного ксерогеля адсорбировать природный газ метан при докритических температурах. Выяснилось, что пористая структура данного адсорбента является иерархической и состоит из микро-, мезо- и макропор. Измерения адсорбции показали, что благодаря эффекту капиллярной конденсации в  мезопорах в одном кубическом метре ксерогеля удаётся запасти беспрецедентное количество природного газа, около 540 кубометров при нормальных значениях температуры и давления (НТД).

На большие расстояния природный газ часто перевозят в криогенных резервуарах в сжиженном состоянии при температуре минус 161 градус. Хранить газ в сжиженном состоянии выгодно. Сжиженный природный газ по энергоёмкости приближается к бензину и дизельному топливу. Плотность энергии (количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы объёма) сжиженного газа в 600 раз выше его плотности энергии при нормальных условиях (при 20 градусах Цельсия и давлении в одну атмосферу). Проблема заключается в том, что даже в самом эффективном криогенном сосуде происходит теплообмен с окружающей средой. Жидкий газ нагревается, часть его испаряется, и резкое увеличение давления в резервуаре может привести к катастрофе. Для предотвращения такой ситуации резервуары для хранения сжиженного газа оснащены системами для сброса избыточного давления. Часть ценного газового топлива выбрасывается в атмосферу и, вместо того чтобы стать источником энергии, становится причиной увеличения количества парниковых газов.

Углеродный ксерогель

При использовании адсорбентов, улавливающих пары метана, они не выбрасываются в окружающую среду и не сжигаются, а накапливаются в резервуаре. При докритических температурах метан большей частью адсорбируется в мезопорах по механизму капиллярной конденсации. При сверхкритических температурах работают микропоры. Представляется разумным выбрать монолитный адсорбент, в объеме которого присутствуют как микро, так и мезопоры.

«Существуют самые разные типы адсорбентов: цеолиты, металл- органические каркасные структуры, активированные угли и так далее, — рассказал один из авторов работы, аспирант Александр Гринченко. — Каждый имеет свои достоинства и недостатки. Технологически эффективной адсорбционной способностью сорбента можно считать его способность запасать до 200 м³ (НТД)/м³ газа. В данной работе на монолитном образце углеродного ксерогеля мы провели эксперименты по измерению адсорбции метана и адсорбционно- стимулированной деформации в широком диапазоне температур и давлений».

Углеродный ксерогель был получен путем пиролиза органического ксерогеля, который, в свою очередь, получают путем реакции поликонденсации резорцинола и формальдегидной смолы. Меняя условия синтеза и исходные реагенты, можно регулировать его пористую структуру под конкретную задачу.

Эксперименты показали, что объёмная ёмкость внутри микропор сравнительно невелика — 75 м³ НТД/м³. Однако при докритических температурах в мезопорах происходит капиллярная конденсация, благодаря которой полная объёмная ёмкость системы аккумулирования на основе ксерогеля при температуре минус 161 градус Цельсия достигает беспрецедентных значений в 540 м³ (НТД)/м³.

Адсорбционная и термическая деформация материала может препятствовать его промышленному применению. Например, в установках осушки газа при разрушении лобового слоя силикагеля эффективность осушки резко падает. Для углеродного ксерогеля этой проблемы не возникает.

«Несмотря на столь значительную величину адсорбции, адсорбционно-стимулированная деформация образца составила 0,14%. Незначительным оказалось и температурное расширение образца, что говорит о возможности применить этот материал в широком диапазоне температур и давлений без потери эффективности», — пояснил Александр Гринченко.

При температуре ниже критической (минус 83 градуса Цельсия) по механизму капиллярной конденсации в мезопорах адсорбируется до 80% от общего запасенного объема метана. Для выдачи газа потребителю достаточно незначительно снизить давление или повысить температуру в резервуаре.

«Стратегия развития энергетики большинства развитых и развивающихся стран включает использование природного газа (метана) в качестве топлива, – сказал руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Илья Меньщиков. – Сжижение повышает плотность газа и плотность энергии, поэтому в сжиженном виде этот энергоноситель становится эффективнее. Использование дополнительных адсорбирующих модулей для сбора избыточных паров повысят безопасность, экологичность и эффективность хранения сжиженного газа и устойчивость энергосистемы в целом».

Работа поддержана Российским Научным Фондом, грант N 22-73-00184. Результаты опубликованы в журнале Absoption.

Текст: Ольга Макарова.
Источник: ИФХЭ РАН.