Ученые собрали установку с самым большим на данный момент реактором, позволяющую с помощью электрических разрядов перерабатывать тяжелую нефть при низких температурах и без дополнительных реагентов. В результате получилась смесь газов, использующихся в химической промышленности, и твердые углеродные наноструктуры, которые содержат элементы, пригодные для изготовления катализаторов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Energies.
Запасы тяжелой нефти составляют 70% от мировых. Однако ее переработка сложна из-за высокой плотности и вязкости, большого количества серосодержащих соединений. Современные методы имеют ряд недостатков: они требуют высоких температур и давления, большого количества водорода, а также специального оборудования. При этом для нагрева и поддержания высоких температур необходимо сжигать существенные объемы углеводородного топлива, что приводит к значительным выбросам углекислого газа. Этого можно избежать, если вместо высокотемпературных установок и печей использовать плазменные реакторы. Они не требуют дорогостоящих катализаторов и водорода, работают на электроэнергии с атомных и гидроэлектростанций, в ходе их работы не выделяется CO2. Например, при плазменном пиролизе нефти под действием электрических разрядов образуются высокореактивные соединения: радикалы и ионы. Они возбуждают молекулы органических соединений в нефти, в результате чего запускаются специфические реакции, приводящие к расщеплению крупных молекул на более мелкие, которые потом могут использоваться во многих химических процессах. Несмотря на достоинства такой обработки нефти, внедрение этого метода в промышленность ограничено небольшими размерами реакторов.
Ученые из Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород) собрали установку для плазменного пиролиза нефти. Она состояла из реактора, системы управления и регистрации электрических разрядов, а также системы сбора образующихся газов. Объем реактора составил 300 см3, что в 7,5 раз больше, чем у предыдущих моделей.
Для проверки работоспособности установки исследователи использовали мазут, который заливался между двумя электродами. Авторы показали, что увеличение мощности энергетического воздействия приводит к повышению производительности, энергоэффективности процесса и выходу газообразных продуктов, а также влияет на их количество. Так, в ходе процесса выделялся водород, ацетилен (C2H2), этилен (C2H4), метан (CH4), а также углеводороды, содержащие от трех до пяти атомов углерода. Все они широко используются в химической промышленности.
Напряжение 500 В оказалось оптимальным, так как потребление энергии в этом случае было самым низким, а выход ценных газообразных углеводородов самым высоким — до 46,5% от общей массы. Выход твердофазных продуктов составил 53,5-70,1%, и среди них ученые обнаружили неупорядоченный графит и многослойные углеродные нанотрубки, которые могут использоваться в электронике. Кроме того, твердые продукты содержали атомы серы, кислорода, ванадия и никеля, что делает эти структуры привлекательными для использования в промышленности в качестве ускорителей химических реакций.
«В наших дальнейших работах мы будем пытаться повысить глубину переработки мазута, увеличить производительность и рентабельность плазмохимического пиролиза. Также мы планируем исследовать углеродные наноструктуры для использования их в качестве катализаторов и адсорбентов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Титов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева.
Также в исследовании принимали участие ученые из Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН (Москва), Курчатовского института (Москва) и Московского физико-технического института (Долгопрудный).