В мире производят почти 200 млн тонн аммиака в год, из него получают азотные удобрения, различные пластики, взрывчатые вещества и многое другое. Но синтез аммиака остается почти неизменным с начала XX века: на него расходуется колоссально много электричества. Один из самых энергозатратных этапов синтеза — выделение аммиака из реакционной смеси. Российские ученые из РХТУ, НГТУ и ННГУ предложили проводить ее с помощью гибридной технологии, сочетающей возможности мембранной очистки и современных абсорбентов, и показали, что так можно получать аммиак чистотой до 99%, затрачивая гораздо меньше энергии. Исследование поддержано Российским научным фондом.
Фото: Bloomberg/Getty Images
Фото: Bloomberg/Getty Images
Азот необходим всем живым организмам, поскольку входит в состав белков и аминокислот. И хотя атмосфера Земли почти на 80% состоит из молекулярного азота, в такой форме он практически не усваивается организмами. Поэтому человечество производит так много удобрений, которые содержат азот уже в связанной форме, то есть в виде разных химических соединений азота с другими атомами, из которых организмам уже гораздо проще вытащить азот под свои нужды.А большинство азотных удобрений, в свою очередь, получают из аммиака, который к тому же используют для синтеза различных охлаждающих агентов (рефрижерантов), пластиков, полимеров, взрывчатых веществ и даже в микроэлектронике. В сумме на эти нужды в мире каждый год производят почти 200 млн тонн аммиака, или примерно 25 кг на каждого жителя планеты, и это самое крупнотоннажное химическое производство.
Почти весь аммиак получают в процессе Габера—Боша, предложенном еще в начале XX века и уже через несколько лет принесшем одному из своих разработчиков, Фрицу Габеру, Нобелевскую премию по химии. В нем водород и азот пропускают при высоком давлении через катализатор, и на выходе получается газообразная смесь исходных реагентов и аммиака, из которой потом нужно выделить чистый аммиак. Сейчас для этого смесь охлаждают с применением большого количества хладагентов, и процесс очистки потребляет очень много энергии — более 3 МВт•ч на каждую тонну аммиака, это средний расход электричества в квартире примерно за два года. Поэтому, хотя синтез аммиака и отработан вековым опытом и гигантским производством, ученые постоянно ищут новые более экономичные способы разделения продуктов процесса Габера—Боша.
Исследователи из РХТУ им. Д. И. Менделеева, а также нижегородских вузов НГТУ им. Р. Е. Алексееваи ННГУ им. Н. И. Лобачевского уже предлагали использовать для этого гибридный способ очистки газов, в котором сочетаются технические возможности мембран и абсорбентов. Теперь у них опубликована новая работа, в которой с применением новых абсорбентов исследователи получили аммиак с чистотой, сопоставимой с промышленной.
Схематическое изображение установки для очистки газообразной смеси продуктов синтеза аммиака
Схематическое изображение установки для очистки газообразной смеси продуктов синтеза аммиака
«Однажды я выступал с пленарным докладом на научной конференции в Португалии, а после ко мне подошел очень известный ученый в области мембран, профессор Эдвард Касслер: он взял меня за руки и показал, сложив ладоши, принцип действия мембраны, а потом рассказал, что заниматься в науке о мембранах нужно только тремя направлениями. Одним из них был аммиак,— рассказывает один из авторов работы, заведующий лабораторией SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева профессор Илья Воротынцев.— Мы уже применяли наш гибридный процесс для синтеза хлористого водорода, организовывали по заданию нобелевского лауреата Жореса Алферова производство высокочистого аммиака для микроэлектроники (для производства светодиодов), а теперь наши интересы сместились в область более массового производства, в том числе получения аммиака».
Гибридная технология очистки газов разработана российскими учеными и протекает в аппарате их собственной конструкции. Он разделен мембраной на две части: в верхнюю поступает смесь газов— в данном случае это аммиак, азот и водород,— которая пропускается через абсорбент, нанесенный на мембрану.Он накапливает большие количества аммиака и, наоборот, почти не абсорбирует азот и водород, которые выходят обратно из абсорбента в ту же самую полость над мембраной. Молекулы же аммиака выводятся из абсорбента через мембрану в другую часть аппарата: между полостями над и под мембраной создают большой перепад давления, под действием которого аммиак диффундирует через мембрану в нижнюю часть аппарата, из которой уже отводят поток очищенного газа.
В качестве абсорбента ученые использовали четыре разных вещества, которые, по предварительным данным, выглядели перспективными для очистки аммиака. Все они были глубокими эвтектическими растворителями (ГЭР) — так называют смесь двух веществ, температура плавления которой ниже температуры плавления отдельных компонентов. ГЭР получают из доступных реагентов с помощью простого синтеза, а поскольку они остаются жидкими в широком диапазоне температур, сейчас их считают перспективными классом зеленых растворителей. Исследователи работали с тремя уже испытанными ГЭР на основе тиоцианата аммония, которые, по данным литературы, могут абсорбировать большие количества аммиака, и одним уникальным составом на основе метансульфоната 1-бутил-3-метилимидазолия, который был перспективен уже по данным предварительных экспериментов самих российских ученых.
Исходная газообразная трехкомпонентная смесь состояла из аммиака, азота и водорода в объемных отношениях 15,5/62,8/21,7.Лучший результат показал абсорбент на основе ГЭР из тиоцианата аммония, смешанного с глицеролом: с ним чистота аммиака на выходе составляла почти 99%.Однако после повышения скорости подачи газовой смеси эффективность этого абсорбента сильно падала, что может быть критично при масштабировании технологии до реального производства.С этой точки зрения более перспективными оказались растворители на основе смеси тиоцианата аммония и мочевины или этиленгликоля: с ними чистота аммиака даже при повышенных скоростях подачи составляла от 98,4% до 98,7%, что сопоставимо с промышленными показателями.
Не только российские ученые пытаются применить мембранный подход к очистке аммиака. Однако большинство других исследований в этой области, по словам авторов работы, носят материаловедческий характер и пока далеки от практической реализации. В новом же исследовании российских химиков не только подобран наиболее перспективный состав абсорбента, но и проведены проточные эксперименты в реальном аппарате со смесью газов, предельно приближенной к составу продуктов процесса Габера—Боша. Степень очистки аммиака достигала 99%, что близко к современному промышленному способу, дающему чистоту аммиака до 99,8%, но сопряженному с огромными энергопотерями из-за использования криогенных технологий.
«В этой работе мы определили наиболее перспективные абсорбирующие материалы, а теперь продолжаем изучать процесс и разрабатываем новую конструкцию мембранного модуля, которую будет возможно масштабировать для задач промышленности,— рассказывает Илья Воротынцев.— Конечно, процесс синтеза аммиака остается практически неизменным на протяжении 100 лет, но он сопряжен с такими большими затратами энергии и проводится в таких колоссальных объемах, что снижение энергопотребления не то что на порядок, а даже на проценты может принести колоссальную прибыль, а в нашем методе как раз не требуется никаких хладагентов, и поэтому он гораздо доступнее. Да, смена производственной парадигмы — это процесс не мгновенный, но бизнес быстро считает прибыль и убытки, и если будет пример экономически удачной реализации нашего процесса, то это станет мощным толчком к изменениям у всех производителей аммиака».
РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками лаборатории SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также НГТУ им. Р.Е. Алексеева и ННГУ им. Н.И. Лобачевского при финансовой поддержке грантов РНФ (№17-79-20286), а также Министерства науки и высшего образования.
Использованы материалы статьи: Anton. N. Petukhov, «A Highly-efficient Hybrid Technique — Membrane-assisted Gas Absorption for Ammonia Recovery after the Haber-Bosch Process», Chemical Engineering Journal (Q1), 2020. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.117835. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127726