Ученые получили доступный ажурный углеродный сорбент для поглощения нефти

Его эффективность минимум в 2 раза выше, чем у существующих сорбентов. пресс-служба Института катализа СО РАН Москва, 9 ноя - ИА Neftegaz.RU. Исследователи из Центра новых химических технологий ФИЦ Институт катализа СО РАН получили углеродный материал с ячеистой структурой, или углеродную пену, для эффективного поглощения нефти с поверхности воды.
Об этом сообщила пресс-служба Института катализа СО РАН.

Его эффективность минимум в 2 раза выше, чем у существующих сорбентов.
Преимущества материала состоят в том, что возможность использовать в качестве сырья для его производства отходы нефтепереработки, а также простой синтез, который проводят при атмосферном давлении без добавления пенообразователей.

Что такое углеродный материал?

Углеродный материал с ячеистой структурой (углеродная пена, пеноуглерод) сочетает в себе присущую углероду в отсутствие воздуха высокую термическую и химическую стойкость.
Благодаря ажурности трехмерной структуры - низкую плотность и высокоразвитую внешнюю поверхность.

Углеродная пена имеет упорядоченную структуру ячеек, которая хорошо видна.
Размер ячеек, плотность, прочность и др. характеристики пеноуглерода можно варьировать в зависимости от используемого сырья и метода синтеза.
Благодаря набору уникальных свойств, пеноуглерод используют в медицине, авиа- и ракетостроении, строительстве.

Ученые Центра новых химических технологий (ЦНХТ) ИК СО РАН создали пеноуглерод на основе пропан-бутановой смеси(это один из видов сжиженного углеводородного газа (СУГ)):

• получили суперлегкий материал как закрытой, так и открытой ячеистой структуры плотностью 0,02 г/см³;
• который состоит из углерода без примесей.

Также исследования показали, что в качестве сырья для его производства можно использовать различные тяжелые нефтяные фракции и отходы нефтепереработки.

Тезисы одного из авторов исследования, младший научный сотрудник отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН Е. Райской:

• мы взяли техническую пропан-бутановую смесь - один из товарных продуктов нефте- и газопереработки;
• методом пиролиза из этих газов получают алкены, а образующиеся при этом жидкие пиролизные смолы становятся побочным нежелательным продуктом;
• в нашем процессе жидкие продукты пиролиза углеводородных газов являются продуктом целевым - предшественником пеноуглерода;
• если развивать технологию, то пеноуглерод можно будет получать в промышленных масштабах;
• вторично используя многотоннажные технические отходы, и он будет доступным.

Где можно применять?

Ученые сосредоточились на экологическом приложении материала - сорбции нефти и нефтепродуктов с поверхности воды.
Разливы нефти - серьезная проблема для окружающей среды, которая часто случается по всему миру в разных объемах.
Например, один из крупнейших разливов случился в 2022 г. в США, тогда в воду попало 14 тыс. барр. нефти.

Е. Райсковская также отмечает, что

• углеродная пена - очень эффективный сорбент;
• нефть заполняет большой внутренний объем материала, а низкая плотность и гидрофобность обеспечивают длительную плавучесть такого пеноуглерода на поверхности воды;
• высокая химическая и структурная однородность полученной углеродной пены обеспечивает хорошую термостойкость и регенерируемость сорбента;
• после использования пеноуглерод с абсорбированной нефтью прокаливают на воздухе при температуре до 550 - основная часть нефти сгорает, а материал можно использовать снова;
• наша пена выдерживает десятки таких циклов при извлечении из воды нефти, бензина и дизельного топлива.

Сорбционная емкость материала очень высокая: 1 грамм сорбента способен впитать 20 граммов нефти, в то время как традиционные сорбенты способны поглотить не более 10 граммов.

Также можно использовать, как катализ.
Так как материал термостойкий и устойчивый к кислотам.
Может работать в агрессивных средах и не разрушается даже при выдержке в концентрированной серной кислоте.
Кроме того, структура углеродной пены обеспечивает низкое сопротивление движению высокоскоростных потоков, что важно для уменьшения времени контакта и повышения селективности в многостадийных каталитических реакциях.

Особенности синтеза углеродного ячеистого материала в ЦНХТ ИК СО РАН

Пеноуглерод различного строения как новый материал появился в 1970 г.
С тех пор группы ученых из разных стран разрабатывают свои способы получения углеродной пены и изменения ее свойств.
Синтез углеродной пены в Центре новых химических технологий ИК СО РАН проводят в 2 стадии при атмосферном давлении без добавления вспенивателей.
Сначала пропан-бутановую смесь нагревают при 850 для образования пиролизных смол - полиароматических молекул.
В определенных условиях происходит конденсация этих молекул и их определенная ориентация с образованием так называемой мезофазы.
Она и становится предшественником пеноуглерода.

На следующей стадии:

• вспенивании - углеводородные цепочки, связывающие полиароматические слои, отрываются, и образуются газовые пузыри;
• слои становятся подвижными и обволакивают эти пузыри;
• процесс можно сравнить с образованием мыльной пены;
• вспенивание происходит при высокой температуре и сопровождается карбонизацией;

Формирование мезофазного предшественника, содержащего одновременно газо- и структурообразующие компоненты - это ключевая стадия технологии.

Ученый отмечает, что мезофазный предшественник необходимого состава можно получить не только из пропан-бутановой смеси, но и из др. углеводородных фракций, т.ч. побочных продуктов производств, где есть поликонденсированные ароматические молекулы.
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - органические соединения, состоящие из трех или более конденсированных ароматических колец, в которых определенные атомы углерода являются общими для 2^х или 3^х колец.
Это открывает перспективы для масштабирования синтеза пеноуглерода.