Сегодня - 29.03.2017

Сибирские ученые улучшили сорбенты углекислого газа

14 ноября 2016

Сибирские ученые с помощью математического моделирования нашли способ модифицировать свойства сорбентов углекислого газа, что позволит в будущем продлить срок их эксплуатации и удалять СО2 быстро и в большом количестве.

 
В работе приняли участие сотрудники Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и  Новосибирского государственного университета. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Chemical Engineering Science» (импакт-фактор 2,750). 
 
(слева направо) Евгений Малькович, Владимир Деревщиков
 
— Сорбенты углекислого газа наиболее востребованы в наркозной технике в медицине, а также в системах коллективного и индивидуального жизнеобеспечения. Удаление углекислого газа нужно, чтобы поддерживать жизнь и работоспособность людей длительное время, — рассказывает сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Владимир Деревщиков. — Но этим количество практических приложений адсорбентов СО2 не ограничивается. Так, в последнее десятилетие активно разрабатываются дешевые и компактные устройства переработки биомассы в водород. Получаемый высокочистый Н2 используется для питания топливных элементов, для гидрирования жиров, а также для нефтехимии. В таких устройствах, генерирующих водород, адсорбенты СО2 необходимы. Кроме того, в последнее время научное сообщество активно изучает проблему парникового эффекта. Одним из перспективных путей по ее решению является улавливание СО2 из дымовых газов с помощью сорбентов. В каждом из перечисленных направлений требуются разработка сорбентов со строго определенными свойствами, — поясняет ученый. 
 
Сорбенты, характеристики которых были промоделированы в исследовании, —регенерируемые, многоразовые, необходимо сделать очень стабильными, чтобы на протяжении годов эксплуатации они удаляли углекислый газ быстро и в большом количестве. В Институте катализа СО РАН под руководством кандидата химических наук Алексея Григорьевича Окунева за 10 лет был накоплен обширный экспериментальный материал по свойствам сорбентов, и закономерным образом назрела задача прогнозирования — моделирования их свойств. 
 
— Вообще этот процесс — один из навыков, необходимых химику-адсорбционщику, но для сложных систем нужна помощь профессиональных математиков. Удачно совпало, что у нас возникла такая задача, а наши коллеги из Института математики СО РАН заинтересовались ей, — рассказывает Владимир Деревщиков. 
 
— Соавторы нашей работы являются преподавателями НГУ и сотрудниками СО РАН, а наше сотрудничество началось с обычной беседы о том, кто чем занимается, — поясняет сотрудник ИМ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Малькович. — В процессе разговора выяснилось, что многие проблемы, излучающиеся в Институте катализа, удобнее формулировать языком не химии, а геометрии. Дело в том, что если в химическую реакцию вступает твердое тело, то часто реагирует только его поверхностный слой, в реальных задачах он имеет толщину порядка нескольких десятков нанометров. Таким образом, возникает необходимость поиска оптимальной геометрической структуры (то есть текстуры) исследуемого тела, при этом решение можно искать лишь среди тех структур, синтез которых непосредственно доступен химикам.
 
До этого ученые ИМ СО РАН под руководством доктора физико-математических наук Ярослава Владимировича Базайкина работали с анализом топологических характеристик нефтяных пластов. Несмотря на совсем разные масштабы, в обоих случаях (нефтяной пласт — сорбент) исследователи имеют дело с геометрией и топологией сложных трехмерных тел, так как на многих российских месторождениях первые сильно расчленены, и их структура довольно сложна.
 
Сорбенты
 
Для перехода от химической задачи к математической исследователям необходимо было построить адекватную модель, достаточно точно описывающую текстуру сорбента из оксида кальция, и ее изменение, происходящее под действием периодических процессов поглощения и выделения углекислого газа при высокой температуре. В ходе такого периодического процесса происходит спекание и усадка образца. Разрабатываемая модель должна позволять точно вычислять площадь поверхности моделируемого тела, а это довольно непростая задача, если изучаемый объект имеет нетривиальную форму. После просмотра большого количества фотографий, сделанных на электронном микроскопе, было решено моделировать сорбент как плотную упаковку шаров, а его спекание — как процесс сближения их центров. Ученым удалось построить математическую модель, описывающую динамику спекания сорбента в терминах дифференциальных уравнений, и оценить поведение параметра динамической емкости сорбента от количества и продолжительности циклов сорбции/регенерации.
 
В итоге был написан программный модуль для моделирования плотных случайных упаковок, составленных из большого числа шаров (для целей исследования оказалось достаточно тысячи). Выяснилось, что разработанный метод позволяет достаточно точно предсказывать изменение динамической емкости сорбента от числа циклов и с различной продолжительностью стадий сорбции/регенерации. Построенная специалистами модель учитывает не только пористость образца, но и особенности его текстуры, позволяет подобрать условия, при которых емкость сорбента по углекислому газу максимальна и наиболее стабильна. Все эти особенности модели дают возможность нахождения оптимальной текстуры материала без необходимости проведения большого числа реальных экспериментов, а также нахождения оптимальных режимов управления процессом сорбции/регенерации.
 
— Наиболее сложным во всей нашей совместной работе оказалось нахождение общего языка, — рассказывает Евгений Малькович. — Начать называть одни и те же вещи и процессы одними и теми же словами — совсем непросто. Некоторые коллеги-математики, например, очень удивлялись, что эта достаточно простая модель никем не была придумана ранее. Приходится признать, что у химиков, физиков, геологов и других наших коллег есть масса важных прикладных задач, но они не решаются лишь потому, что ученые не могут или не хотят находить общий язык друг с другом.
 
Разработанные методы могут найти приложение во многих других областях знаний, связанных с пористыми телами, прежде всего, в материаловедении. Модели, разработанные учеными ИМ СО РАН, можно применить для объяснения отдельных эффектов порометрии, при исследовании проницаемости и других характеристик горных пород, для изучения свойств различных катализаторов и керамических материалов. 
 
— Следует отметить, что область моделирования процессов в пористых телах с использованием реальной геометрии является востребованной и активно развивающейся. Вообще методы вычислительной геометрии и топологии могут быть применены для более широкого класса задач: распознавание образов, медицинская диагностика, метеорология и многих-многих других. Что касается нашей совместной работы по моделированию свойств материалов — она успешно начата, и мы надеемся на дальнейшее ее продолжение и плодотворное сотрудничество с ИК СО РАН, — говорит Евгений Малькович. 
 
«Наука в Сибири»
 
Фото предоставлены исследователями
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus