Новосибирские ученые разработали новую технологию искусственного получения газовых гидратов. Она поможет эффективно изготавливать большие объемы этих структур за короткий промежуток времени. Газовые гидраты полезны для опреснения и очистки воды, улучшения экологической обстановки, транспортировки газов и других задач.
Газовые гидраты представляют собой соединения, образующиеся из воды и газов. В этих структурах молекулы воды формируют трехмерные полости, в которые помещаются молекулы газа. Интересной особенностью газовых гидратов является то, что процесс их образования не является химической реакцией, фактически это фазовый переход, где газ удерживается в полостях исключительно благодаря силам Ван-дер-Ваальса. Внешне они очень похожи на снег или дробленый лед.
«Одно из впечатляющих свойств газовых гидратов — способность хранить большое количество газа. В частности, в одном объеме газогидрата метана может содержаться до 170 объемов газообразного метана. Поэтому транспортировка природного газа — одно из перспективных направлений использования газовых гидратов. Когда сжиженный природный газ транспортируют в танкерах, его температура поддерживается на уровне −162 °С. Если бы мы использовали газогидратную форму, это позволило бы снизить требования к температуре хранения до −20 °С. Такой подход был бы особенно выгоден для северных регионов. Кроме того, гидраты можно использовать для опреснения и очистки воды. Для этого в замораживаемую соленую воду вводят гидратообразующий газ, отделяют кристаллы газогидрата от рассола, отмывают их, плавят и получают пресную воду», — рассказал старший научный сотрудник Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН кандидат технических наук Антон Мелешкин.
Новый способ создания газовых гидратов, который придумали ученые ИТ СО РАН, имеет высокую энергоэффективность, поскольку никаких дополнительных воздействий на газожидкостную систему не требуется, только одновременный нагрев и охлаждение рабочей секции. «Ключевой особенностью метода является использование процесса кипения газа, который сжижается на стенках экспериментальной установки и кипит на подогреваемом дне. Это решение позволяет справляться с несколькими задачами. Во-первых, поверхность пузырьков постоянно обновляется благодаря кипению и последующей конденсации газа. Во-вторых, в установку вводится большое количество газа, поскольку он находится в сжиженном состоянии. Наконец, при высвобождении газа температура в пузырьке оказывается наименьшей, почти равной температуре насыщения. Наложение этих факторов приводит к тому, что на всплывающих пузырьках и формируются гидраты. Если условия были правильно подобраны, на поверхности воды начнет активно расти газогидратная шапка, после извлечения и отжима которой получается чистая вода. При этом остается очень концентрированный раствор, откуда также можно отобрать полезные элементы», — отметил ученый.
В рамках совместной работы с Институтом неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН новосибирские ученые исследуют аспекты сложной кинетики роста газогидратных структур. «Уже после полученные знания мы переносим на укрупненные установки объемом более десяти литров, тем самым масштабируя процесс. Когда исследования будут завершены, мы сможем заявить о наличии лабораторного образца установки. Следующим шагом будет создание прототипа — демонстратора технологии», — отметил соавтор работы научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Алексей Сагидуллин.