Представители Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета совместно с зарубежными коллегами определили, почему газовые гидраты, которые выглядят, как обычный снег или лед, хорошо горят. Все дело в молекулах газа, которые надежно «упакованы» в ячейки кристаллической решетки, состоящей из молекул воды. Такие соединения образуются при высоком давлении и низкой температуре и имеют большой потенциал в качестве «емкости» для безопасного хранения и транспортировки метана, водорода, углекислого газа. Они экологичны и стабильно сохраняются при температуре минус 15-20 градусов Цельсия и атмосферном давлении.

В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, демонстрируется, каким образом можно ускорить процесс образования гидратов и увеличить степень поглощения газа с целью создания эффективных систем хранения энергии. Работа выполнена на базе молодежной НИЛ Гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов ИГиНГТ при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. 

«Мы детально описали молекулярные механизмы образования газовых гидратов с использованием широкого спектра поверхностно-активных веществ, различающихся по химической структуре, заряду и гидрофобно-гидрофильному балансу, – рассказывает старший научный сотрудник НИЛ Гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов ИГиНГТ Абдолреза Фархадиан. – Чтобы установить механизмы взаимодействия между молекулами ПАВ, водой и газами, такими, как метан, мы использовали методы молекулярной динамики в сочетании с экспериментальными наблюдениями. В итоге были выявлены два основных механизма, способствующих гидратообразованию: адсорбция на границе раздела фаз (газ – жидкость или гидрат – жидкость) и формирование мицелл или агрегатов в объеме раствора».

В экспериментах участвовали 16 ПАВ различных групп – катионные, анионные и неионные, отличающиеся строением, типом полярной головки, длиной углеводородной цепи и степенью гидрофобности.

«Мы установили четкие зависимости между структурами молекул и их влиянием на гидратообразование, что ранее было изучено недостаточно. Кроме того, удалось доказать, что даже небольшие изменения в молекулярной структуре могут существенно влиять на кинетику роста гидратов и степень поглощения метана, – говорит ученый КФУ. – Например, ПАВ с длинными гидрофобными цепями (более 12 атомов углерода) значительно ускоряют образование гидратов за счет более сильного взаимодействия с газовыми молекулами. Было выяснено, что наличие ароматических групп способствует ускорению роста гидратов, но может приводить к усиленному пенообразованию при их разложении. Все это указывает на необходимость учета нескольких факторов при разработке эффективных ПАВ».

По словам А.Фархадиана, большую научную значимость имеет то, что удалось выявить конкурирующие молекулярные взаимодействия, определяющие процесс образования гидратов.

«С одной стороны, гидрофобные взаимодействия между неполярными хвостами ПАВ и молекулами газа способствуют накоплению газа вблизи поверхности гидрата, ускоряя его образование. С другой стороны, водородные связи между полярными головками ПАВ и молекулами воды могут нарушать структуру водородных связей, необходимую для формирования кристаллической решетки гидрата, тем самым замедляя процесс. Такое двойственное влияние формирует более сложное понимание роли ПАВ, показывая, что они могут как ускорять, так и ингибировать образование гидратов в зависимости от своих свойств и условий среды», – пояснил он.

Еще одним важным аспектом является учет баланса между скоростью образования гидратов и скоростью и эффективностью извлечения газа.

«Образование пены при разложении гидратов может затруднять выделение газа и снижать эффективность системы, – отметил специалист. – Перспективными для практического использования являются, например, разветвленные ПАВ, у них высокая скорость гидратообразования и пониженное пенообразование при разложении», – сообщил он.

В статье даются конкретные рекомендации по выбору и проектированию поверхностно-активных веществ для различных задач.

«Установленные зависимости между структурными характеристиками и эффективностью ПАВ позволяют целенаправленно разрабатывать вещества с заданными свойствами. Это особенно важно для промышленного применения, где необходимо учитывать не только эффективность, но и экономичность, стабильность и эксплуатационные характеристики. Проектирование ПАВ открывает возможности для создания новых технологий в области чистой энергии и защиты окружающей среды», – уверен ученый КФУ.

По мнению А. Фархадиана, полученные международной группой исследователей новые научные результаты помогут быстрее приступить к внедрению газогидратных технологий.

«Разработка химических реагентов, увеличивающих скорость образования гидратов и конверсию газа в гидратную форму, а также способов повышения стабильности получаемых пеллет и отработка методов регазификации являются основными задачами работы лаборатории гидратных технологий. Нами выполняются как фундаментальные исследования для выявления механизмов действия различных промоторов и ингибиторов гидратообразования, так и прикладные совместно с индустриальными партнерами под конкретные промышленные задачи», – прокомментировал руководитель лаборатории Михаил Варфоломеев.

Присоединяйтесь к каналу КФУ в MAX.