Ученые молодежной лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета разработали перспективные промоторы гидратообразования.

Лаборатория, руководителем которой является заведующий кафедрой разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов ИГиНГТ, руководитель научного направления методов увеличения нефтеотдачи и нефтепромысловой химии НЦМУ «Рациональное освоение жидких углеводородов планеты» Михаил Варфоломеев, создана Минобрнауки России в 2021 году в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты».

Гидратными называются технологии получения твердого кристаллического вещества, внешне напоминающего лед и состоящего из молекул газа и воды.

«Молекулы газа в условиях высоких давлений и низких температур содержатся внутри полостей каркасов, образованных молекулами воды. При этом один объем гидрата может вместить порядка 160 объемов газа. Превращение газа в газовые гидраты – перспективный метод хранения и транспортировки природного газа», – сообщил М. Варфоломеев.

Как рассказала младший научный сотрудник лаборатории Юлия Чиркова, при добыче нефти на нефтяных месторождениях получают небольшое количество попутного нефтяного газа, который чаще всего просто сжигают, так как сжимать или сжижать его не выгодно из-за относительно небольших объемов.

«Гидратный метод легко масштабируется, поэтому с его помощью можно попутный нефтяной газ превращать в газогидраты, транспортировать и использовать в качестве топлива. Это более экологично, чем его сжигать. Кроме того, многие малые населенные пункты в России до сих пор не газифицированы, так как в силу географических особенностей тянуть трубопровод туда не выгодно. Гидратный метод транспортировки и хранения газа может стать решением этой проблемы. Он хорошо зарекомендовал себя в Японии», – проинформировала она.

На нефтяном месторождении, пояснила Юлия, с помощью специальной установки газ можно перевести в гидрат, спрессовать. Гидратные пеллеты можно затем перевозить разными видами транспорта.

Главным недостатком гидратной технологии, затрудняющим ее широкое внедрение, по словам М. Варфоломеева, является низкая скорость образования и роста гидратов. Для решения этой проблемы используются промотирующие агенты, способные ускорять процесс гидратообразования.

Одна из приоритетных задач ученых лаборатории – поиск химических веществ, ускоряющих перевод газов в конденсированное состояние и позволяющих трансформировать газ в гидратную форму в больших количествах.

На сегодняшний день молодым ученым КФУ удалось разработать несколько более эффективных и экологичных, по сравнению с широко распространенным сейчас додецилсульфатом натрия (SDS), реагентов для ускорения гидратообразования. Эти промоторы прошли успешные лабораторные испытания.

Участники исследования рассказали о созданных в КФУ двух типах перспективных активаторов роста газогидратов – производных аминокислот и анионных поверхностно-активных веществах.

«Синтезированные нами промоторы (производные аминокислот), в отличие от большинства используемых сейчас, не являются поверхностно-активным веществами (ПАВ). Дело в том, что большинство ПАВов токсичны и образуют большое количество пены при диссоциации гидратов, это усложняет их использование. Наши соединения лишены этих недостатков. Кроме того, они превосходят ПАВы по эффективности», — рассказал лаборант-исследователь НИЛ гидратных технологий Шамиль Гайнуллин.

Эксперименты в автоклаве высокого давления доказали, что все производные аминокислот значительно улучшают кинетику образования гидрата метана. Полученные данные представлены в журнале Energy&Fuels.

Для ускорения образования газогидратов ученые КФУ впервые предложили использовать эффективный класс карбоксисульфированных поверхностно-активных веществ (CSS). Результаты исследования этих ПАВов они обнародовали в статье, опубликованной в ACS Applied Energy Materials.

«Оптимальными промоторами среди карбоксисульфированных ПАВов, с нашей точки зрения, являются реагенты с бутильными и додецильными фрагментами в молекуле. Эксперименты в автоклаве высокого давления показали, что гидрофильно-гидрофобный баланс сильно влияет на их промотирующую активность. С увеличением длины алкильной цепи (увеличением гидрофобности) эффективность их растет до тех пор, пока образец не перестает хорошо растворяться в воде», – объяснил  ведущий научный сотрудник лаборатории Роман Павельев.

Карбоксисульфированные поверхностно-активные вещества хорошо изучены – они входят в состав многих шампуней и моющих средств, сообщил младший научный сотрудник лаборатории Абдолреза Фархадиан. Эти вещества нетоксичные, безопасны для человека и животных и быстро разлагаются в окружающей среде.

Сейчас молодые ученые активно работают над повышением эффективности промотирования и снижением пенообразования при диссоциации газогидратов. Уникальная лабораторная установка для синтеза и исследования процесса искусственного образования гидратов, которую КФУ планирует создать в этом году совместно с представителями промышленности, будет играть важную роль в этом процессе.

Полученные в лаборатории научные результаты будут способствовать газификации небольших населенных пунктов России, освоению малых и средних месторождений, а также отказу от сжигания попутного нефтяного газа на местах добычи, что будет способствовать снижению эмиссии парниковых газов в атмосферу.