Исследователи Новомосковского института Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева при участии коллег из Нижнего Новгорода и Казани создали регенерируемые абсорбенты для улавливания аммиака из газового потока. Разработка обладает высоким экономическим потенциалом: аммиак высвобождается без потерь, а применяемые абсорбенты можно использовать многократно. Это позволит снизить затраты на получение аммиака, а следовательно, и себестоимость конечных продуктов, производимых из него: например, удобрений (что, в свою очередь, позволит снизить стоимость сельхозпродукции - в том числе овощей, фруктов, хлеба); полимеров (позволит снизитьстоимость материалов изготовленных из них изделий – одежды, тканей, обуви, деталей механизмов, плёнок, различных конструкций). По словам заведующей лабораторией ионных материалов НИ РХТУ Ольги Казариной, область применения аммиака очень широкая,и если уменьшить затраты на его получение – можно снизить себестоимость многих товаров ежедневного пользования.
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. Работа российских химиков поддержана Минобрнауки России и правительством Тульской области, результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Molecular Liquids (Q1).
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 представляют не только научный, но и прямой практический интерес. Исторически группа под руководством и.о. ректора РХТУ, д.т.н., 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 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 времён индустриализации. С развитием химии эти задачи становятся всё 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 ёмкость улавливания газа, то есть количество газа, захватываемое единицей абсорбента. Это успешно делается путём 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, к.х.н., заведующая лабораторией ионных материалов НИ РХТУ Ольга Казарина.
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. Всё, что касается непосредственно процесса абсорбции: параметры процесса, константы, вся термодинамика — за это отвечали менделеевцы», — отметила Ольга Казарина.
В настоящее время работа авторов продолжается, ученые работают над улучшением характеристик полученных абсорбентов. К научным исследованиям подключаются инициативные студенты бакалавриата и магистратуры, которым предоставлен доступ к оборудованию и возможность выполнять работу под руководством опытных коллег.
Справочно
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ) — опорный университет химического комплекса России, участник программы «Приоритет-2030». Миссия университета — развитие человеческого капитала, генерация и трансфер научных знаний и технологий на основе кооперации с индустрией для технологического превосходства России. Исследование проведено сотрудниками НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Новомосковск Тульской обл.) вместе с коллегами из НГТУ им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород), Казанского федерального университета (Республика Татарстан) и ННГУ им. Н.И.Лобачевского (Нижний Новгород) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 19-38-60011), Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект FSSM-2021-0014) и правительства Тульской области (персональные гранты исследователям НИ РХТУ).
Статья
Olga V. Kazarina, Anton N. Petukhov, Ruslan N. Nagrimanov, Andrey V. Vorotyntsev, Maria E. Atlaskina, Artem A. Atlaskin, Alexander S. Kazarin, Anna A. Golovacheva, Zakhar A. Markin, Artyom N. Markov, Alexandra V. Barysheva, Ilya V. Vorotyntsev. The role of HBA structure of deep eutectic solvents consisted of ethylene glycol and chlorides of a choline family for improving the ammonia capture performance. Journal of Molecular Liquids, Q1. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121216
