Российские ученые разработали новую технологию синтеза адсорбентов для хранения природного газа

Два основных на сегодня способа хранения и транспортировки природного газа — это его сжижение при крайне низких температурах и компримирование, то есть сжатие под высоким давление. Еще один, сравнительно новый метод — адсорбционное аккумулирование. В этом случае предназначенным для хранерия или перевозки природным газом заполняются поры специального адсорбента. Перспективные адсорбционные системы способны аккумулировать до 200 литров газа на 1 литр собственного объема системы при температурах от -40 до +50 градусов. При хранении адсорбированного метана не возникает потерь, а поддержание системы не требует энергозатрат. Заправка систем производится при более низких по сравнению, например, с компримированием давлениях, что также снижает энергозатраты. Ко всему прочему адсорбированный газ отличается повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, поскольку находится в связанном состоянии в порах адсорбента.

Российские ученые из лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН разработали технологию получения нового функционального адсорбента для систем хранение газа — с высокой плотностью и на основе циркониевой металл-органической каркасной структуры (МОКС).

По словам заместителя руководителя инженерно-технического центра ИФХЭ РАН, кандидата химических наук Ильи Меньщиков, дальнейший прогресс в синтезе адсорбентов, будет, скорее всего, проходить через соединение двух путей развития — функционализации, направленной на увеличение энергии адсорбции и сорбционной емкости, и придания этим материалам функциональной формы 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 Меньщиков.

Подобранные разработчиками оптимальные условия формования блоков адсорбента позволяют более чем в два раза увеличить его плотность при минимальном разрушении структуры пор. В насыпном адсорбенте, как отмечают ученые, 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.

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.

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.

Меньщиков особо подчеркивает, что проведенное исследование имеет большое прикладное значение, а полученная в его результате технология может быть использована для решения самых разнообразных задач — в системах бортового хранения газа беспилотников и транспортных средств, работающих на газе, для систем мобильного газоснабжения удаленных потребителей, а также в других сферах.