Такие молекулы нужно удалять: они могут конденсироваться в трубопроводе, а это будет мешать его работе. Новая подложка из полисульфона имеет идеальное сопротивление, то есть почти не препятствует транспорту газа через газоразделительную мембрану. Как подсчитали ученые Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва), это поможет более чем в девять раз сократить энергетические затраты на разделение природного газа и повысит скорость его очистки более чем в два раза.
В недрах Земли есть так называемые «тяжелые» углеводороды, то есть те, которые содержат более трех атомов углерода в цепочке. Газ добывают из все более глубоких месторождений (больше километра вглубь) — из-за этого в нем увеличивается количество «тяжелых» углеводородов. А доля таких соединений не должна превышать 1,5%, иначе газ под большим давлением может конденсироваться в трубопроводе и тем самым ухудшать его работу. Однако в добытом газе может быть до 35% тяжелых углеводородов. Уменьшить их содержание в природном газе можно с помощью газоразделительных мембранных установок на основе силоксановых каучуков — кремнийсодержащих полимеров.
Мембраны в составе таких установок состоят из плотного разделяющего слоя и пористой подложки. Нежелательные компоненты газовой смеси, например тяжелые углеводороды, проходят через мембранный газоразделительный слой в десятки раз быстрее по сравнению с метаном, основным горючим элементом для топлива. После разделяющего слоя смесь метана с тяжелыми углеводородами проходит через пористую подложку, которая в идеале не должна создавать препятствий движению газа. Очищенный от тяжелых углеводородов метан транспортируется через трубопровод на продажу. Раньше считалось, что у подложки есть только механическая функция поддержки разделительного слоя, но оказалось, что эффективность газоразделительной мембраны также во многом зависит и от производительности подложки.
Химики разработали подложку из полисульфона — серосодержащего полимера — для газоразделительной мембраны, которая обладает низким сопротивлением транспорту газа. Подложка представляет собой полые внутри волокна, напоминающие трубочки, с толщиной стенки 300 микрометров (примерно в 10 раз толще человеческого волоса). Чтобы мембрана имела минимальное сопротивление, авторы оптимизировали структуру поверхности волокон вблизи внутреннего канала. Этого удалось достичь за счет того, что внутрь подложки подавали предельные углеводороды: пентан, гексан и гептан.
Новая методика позволила получить подложки из полисульфона с рекордно высокой газопроницаемостью в 10 раз превосходящей газопроницаемость аналогичных пористых половолоконных подложек. Например, за час через подложку площадью 1 кв. м при нормальном атмосферном давлении проходит 95 тысяч литров углекислого газа. Разработка ученых поможет увеличить более чем в два раза производительность композиционных мембран и более чем в девять раз снизить затраты энергии на разделение природного газа.
«Наша лаборатория сейчас разрабатывает не только подложки, но и новые материалы селективных слоев для газоразделительных мембран. На данный момент используются селективные слои с достаточно большой толщиной, порядка трех тысяч нанометров. Мы стараемся найти способ сделать их тоньше и тем самым еще больше увеличить производительность композиционных мембран», — отметил исполнитель проекта Дмитрий Матвеев, инженер-исследователь лаборатории полимерных мембран Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.
