Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета в составе международной группы исследовали механизм гидратообразования с использованием поверхностно-активных веществ.

Научная работа проводилась в рамках поддержанного грантом РНФ-проекта «Разработка новых поверхностно-активных веществ на основе растительного масла для эффективного хранения природного газа в виде транспортабельного и безопасного твердого вещества с использованием газогидратной технологии: углубленное экспериментальное и теоретическое исследование», руководителем которого является старший научный сотрудник НИЛ Гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов ИГиНГТ Абдолреза Фархадиан.  

Как объяснил исследователь, газовые гидраты – это кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа и напоминающие спрессованный снег или лед.

Преобразование газа в газогидрат позволяет безопасно его хранить, а также транспортировать без использования трубопроводов. Это особенно важно при разработке месторождений на отдаленных территориях и утилизации попутного нефтяного газа одиночных месторождений нефти, в том числе шельфовых.

На сегодняшний день применение газовых гидратов ограничено низкой скоростью их образования и недостаточным поглощением газа.

«Проведя комплексное моделирование процесса гидратообразования методом молекулярной динамики с участием 13 структурно-разнообразных ПАВ, мы установили, что эффективность ПАВ определяется в большей степени их молекулярной архитектурой, распределением заряда и взаимодействием с молекулами воды, а не способностью к мицеллообразованию, как считалось ранее. Более того, мы выяснили, что оно не является необходимым условием для стимуляции образования гидратов. Есть ПАВ, которые не образуют мицелл, но они эффективны», – проинформировал Абдолреза Фархадиан.

Он сообщил, что ПАВ с оптимальным гидрофильно-гидрофобным балансом, особенно двуцепочечные и разветвленные анионные, способствуют формированию упорядоченных водных структур и снижают сопротивление массообмену, что существенно ускоряет нуклеацию (зарождение кристаллов) и рост гидратов.

«Механизм стимулирования гидратообразования – это сложный процесс, который включает множество факторов, в том числе водородное связывание, "эффект айсберга" и образование полукапсульных водных структур вокруг головных групп и хвостов ПАВ», – сказал старший научный сотрудник.

Оптимальная прочность водородной связи ПАВ имеет ключевое значение, подчеркнул он. По словам ученого, чрезмерно прочные водородные связи могут препятствовать гибкой перестройке молекул воды, необходимой для образования ячеек гидратов.

«Ароматические и разветвленные функциональные группы усиливают способность ПАВ стимулировать образование гидратов за счет повышения структуризации воды и создания дополнительных участков взаимодействия, тогда как линейные или сильно заряженные катионные ПАВ проявляют низкую эффективность в условиях образования гидратов», – добавил исследователь.

Он сказал, что в планах – синтезировать такие ПАВ, которые будут не только высокоэффективными относительно гидратообразования, но и экологичными, и дешевыми.

Полученные научной группой результаты, которые представлены в статье, опубликованной в журнале Energy, открывают новые возможности для разработки гидратов нового поколения с заданными структурными характеристиками для хранения углеводородных газов, улавливания углерода и опреснения воды.