Цивилизация
Сотрудник Самарского университета вместе с иностранными коллегами разработал материалы с каркасной структурой для разделения углеводородов. Эти вещества можно использовать для получения высококачественного бензина. Исследование проходило в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а его результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Нефть представляет собой смесь жидких углеводородов. Для того чтобы получить из нее полезные вещества – бензин, керосин, мазут и другие, – нефть очищают от вредных примесей и отделяют разные углеводороды друг от друга. Обычно для этого применяется дистилляция – испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Однако этот процесс достаточно энергоемкий. Ученые из Самары в качестве альтернативы предложили адсорбционное разделение, которое требует меньше энергии и денег, но при этом более эффективно.
С помощью этого метода в промышленности успешно разделяют газовые смеси. Для него нужны специальные вещества (адсорбенты), которые «впитывают» в себя один или несколько компонентов смеси. В качестве адсорбентов используются, например, разные виды активированного угля и сложные оксиды.
Ученые предлагают добавить к этим веществам и металл-органические каркасы. Этот вид материалов очень перспективен благодаря высокой пористости, важной для адсорбционного разделения. Еще одно преимущество состоит в том, что существует множество видов таких каркасов с порами разных размеров. Среди них наибольший интерес у ученых вызывают цирконий-органические каркасы, так как они наиболее стабильны. Кроме того, ученые могут управлять структурой этих веществ во время их синтеза.
Авторы работы создают комбинированные методы, с помощью которых можно прогнозировать свойства пористых материалов. Ученые находят зависимости между атомной структурой материала и его размером, формой и свободным объемом пустот (пор).
«Мы выполнили топологический дизайн и синтез трех новых пористых цирконий-органических материалов с каркасной структурой, которая оптимизирована для эффективного адсорбционного разделения изомеров С6-алканов – важной стадии процесса переработки нефти для получения высококачественного бензина», – рассказал один из авторов статьи, кандидат химических наук, старший научный сотрудник межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению Самарского университета Евгений Александров.
Для того чтобы повысить октановое число бензина – химический показатель бензина, который указывается на АЗС (например, 92, 95), – его нужно очищать от н-гексана C6H14 (нормального гексана), оставляя при этом в бензине разветвленные изомеры гексана. Ученые протестировали, насколько эффективно два наиболее стабильных вида металл-органических каркасов могут очищать бензин. Авторы установили, что каркас с наименьшими размерами пор может поглощать большое количество н-гексана и при этом оставляет его разветвленные изомеры. Поглощенный сорбентом н-гексан затем можно извлечь, немного подогрев сорбент, и использовать его для хозяйственных нужд, либо с помощью химических методов получить его изомеры и вернуть в бензин.
Второй каркас с большим размером пор может разделять три С6-изомера и имеет самый высокий коэффициент разделения для 3-метилпентан по отношению к 2,3-диметилбутану, что очень важно для производства бензина повышенного качества.
В итоге оказалось, что первый металл-органический каркас на 70% эффективнее очищает бензин от низкооктановых примесей н-гексана по сравнению с применяемым сейчас стандартным сорбентом – цеолитом 5А. Дополнительно авторы проанализировали структуры всех известных цирконий-органических каркасов (211 известных структур) и определили взаимосвязи между структурой составляющих их «строительных блоков» и каркасов.
По словам ученых, созданная в ходе работы схема структурных закономерностей позволит прогнозировать новые цирконий-органические каркасы с нужными свойствами.
«В нашей работе мы не только успешно используем на практике теоретические методы прогнозирования материалов, но и даем список важных для промышленности веществ, которые еще не существуют, но могут быть получены в ближайшем будущем. Благодаря поддержке этой тематики РНФ, у нас появился реальный шанс развить в Самаре технологии дизайна и изготовления новых материалов для энергоэффективного сорбционного разделения газов с их помощью», – заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Миланского университета, Пекинского университета, Южно-Китайского технологического университета, Массачусетского технологического института, Техасского университета в Далласе, Университета Уэйк-Форест, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Ратгерского университета и Научно-технологического университета имени короля Абдаллы.
