Новые материалы для улавливания аммиака позволят снизить себестоимость удобрений и товаров ежедневного пользования

Область применения аммиака очень широкая. Например, он используется при производстве удобрений и полимеров. Поэтому, если уменьшить затраты на получение аммиака, можно снизить себестоимость многих товаров ежедневного пользования. Экономия при производстве удобрений повлияет на цену овощей, фруктов и хлеба, а при производстве полимеров — отразится на стоимости одежды, тканей, обуви, деталей механизмов, пленок и различных конструкций.

Ученые разработали менее затратный способ получения аммиака: они создали регенерируемые абсорбенты для его улавливания из газового потока. Разработка обладает высоким экономическим потенциалом: аммиак высвобождается без потерь, а применяемые абсорбенты можно использовать многократно.

Над научным исследованием работали ученые Новомосковского института Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева (НИ РХТУ, г. Новомосковск Тульской обл.) при участии коллег из Нижнего Новгорода и Казани.

Эффективность технологии подтверждена результатами лабораторных исследований. По мнению ученых, такая разработка найдет применение на предприятиях, где производится, получается в качестве побочного продукта или используется аммиак.

Индивидуальные, чистые, высокочистые газы используются в самых разнообразных областях: от медицины до производства полимеров, от микроэлектроники до энергетического сектора промышленности. Очистка газов, выделение их из газовых смесей и потоков, а также изучение таких процессов представляет не только научный, но и прямой практический интерес.

Исторически группа под руководством и. о. ректора РХТУ, доктора технических наук, профессора Ильи Воротынцева занимается газоразделительными процессами с акцентом на инженерное и технологическое исполнение: речь идет об очистке природного газа, выделении инертных газов из воздуха, получении высокочистого аммиака. Новое исследование ученых из лаборатории ионных материалов НИ РХТУ логически продолжает эту работу, но использует подход со стороны химии и применяет абсорбенты, способные удерживать и отдавать без потерь значительные объемы газов.

«Процессами газоразделения, выделения индивидуальных газов из их смесей человечество занимается, пожалуй, со времен индустриализации. С развитием химии эти задачи становятся все более актуальными. Мы занимаемся получением регенерируемых абсорбентов, улавливающих из газового потока аммиак и способных высвобождать его без потерь. За счет нехимического взаимодействия между аммиаком и абсорбентом энергия, затрачиваемая на регенерацию, ниже, чем при использовании альтернативных технологий криоконденсации или химической абсорбции. Наша задача — увеличить емкость улавливания газа, то есть количество газа, захватываемое единицей абсорбента. Это успешно делается путем различных модификаций компонентов абсорбентов: введением в молекулы функциональных групп, радикалов и так далее. Поскольку абсорбенты регенерируются и могут быть использованы повторно в нескольких циклах, это снижает капитальные, эксплуатационные затраты и, следовательно, себестоимость конечного продукта», — объяснила главный автор исследования, кандидат химических наук, заведующая лабораторией ионных материалов НИ РХТУ Ольга Казарина.

Абсорбенты представляют собой двухкомпонентные смеси: один компонент — это промышленно получаемый двухатомный спирт этиленгликоль, а другой — ионное соединение, аммонийная соль.

Второй компонент различным образом модифицируется: ученые получают более или менее разветвленную структуру, вводят в молекулу функциональные группы. Было показано, что, чем больше ионное соединение содержит гидроксильных групп, тем больший объем аммиака абсорбент способен поглотить. Это обусловлено двумя факторами: увеличением микропустот, иначе говоря, свободного объема жидкости и увеличением числа сайтов для межмолекулярного нехимического взаимодействия между аммиаком и абсорбентом благодаря чему и происходим улавливание (абсорбция).

Для решения поставленной задачи была разработана стратегия на основе анализа научной литературы и собственных предыдущих исследований в этой области. Некоторые подходы сразу оправдали ожидания, например увеличение числа гидроксильных групп в молекуле компонента абсорбента позволило увеличить абсорбционные показатели, и ученые начали развивать модификацию в этом направлении. К работе подключились коллеги из Нижнего Новгорода и Татарстана, что, по мнению Ольги Казариной, позволило сформировать команду и получить высокие результаты.

«Коллеги из Нижнего Новгорода отвечали за синтез и модификацию компонентов абсорбентов, они же исследовали механизм абсорбции спектральными методами. В Нижнем Новгороде отличная школа химиков-синтетиков, и это сильно помогло. Исследователь из Казанского федерального университета Руслан Нагриманов получил важнейшие теплофизические характеристики — температурную зависимость показателя преломления растворов, что позволило рассчитать такой важный показатель абсорбентов, как свободный объем, определяющий абсорбционную емкость. Все, что касается непосредственно процесса абсорбции: параметры процесса, константы, вся термодинамика — за это отвечали менделеевцы», — отметила Ольга Казарина.

По словам ученых, уникальность разработки заключается, во-первых, в высокой производительности и возможности циклического использования полученных материалов. Во-вторых, благодаря механизму захвата аммиака, основанному на нехимическом взаимодействии, снижаются затраты на регенерацию абсорбента, что удешевляет процесс. В-третьих, поскольку абсорбенты сами получаются из недорогих и производимых в России компонентов — экономически они также привлекательны. Кроме того, найденный подход — введение в молекулы компонентов абсорбентов гидроксильных групп — может быть использован для модификации и улучшения характеристик уже существующих абсорбентов.

В настоящее время работа авторов продолжается, ученые работают над улучшением характеристик полученных абсорбентов.

Работа российских химиков поддержана Минобрнауки России и правительством Тульской области, результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале.

Исследование проведено сотрудниками НИ РХТУ имени Д. И. Менделеева (г. Новомосковск Тульской обл.) вместе с коллегами из НГТУ имени Р. Е. Алексеева (Нижний Новгород), Казанского федерального университета (Республика Татарстан) и ННГУ имени Н. И. Лобачевского (Нижний Новгород) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и правительства Тульской области.

На фото: Ольга Казарина.