Российские ученые создали полимерный «гребень», который максимально эффективно разделяет смеси углеводородных газов. Он позволяет извлекать из нефтяного газа компоненты, имеющие два и более атомов углерода в цепочке. Эти вещества служат сырьем для производства лаков, красок и органических растворителей, а также базовых полимеров, входящих в состав бутылочного пластика, детских игрушек и упаковок продуктов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Фото: Артем Краснов, Коммерсантъ
Фото: Артем Краснов, Коммерсантъ
Попутные газы, которые выделяются из нефти в процессе ее добычи и переработки, представляют собой смесь метана — молекулы, несущей всего один атом углерода,— и более длинных углеводородов (этан, пропан, бутан и другие). Такие газы имеют сложный многокомпонентный состав и делятся на «сухие», в которых более 85% метана, и «жирные», в которых содержание метана находится в диапазоне 65–85%.
Пока что только небольшая часть попутных нефтяных газов отправляется на переработку, а остальные сжигаются для получения энергии. При горении таких компонентов нефтяного газа, как пропан и бутан, в атмосферу выделяется в три-четыре раза больше углекислого газа, чем при горении метана. Это ускоряет накопление парниковых газов и, соответственно, наносит значительный вред экологии. Избежать такого эффекта можно, разделяя попутный нефтяной газ на два потока: метан и концентрированная фракция более длинных углеводородов. Это позволит использовать двух- или более углеродные компоненты в качестве сырья для производства базовых полимеров, лаков, красок и органических растворителей, а метан — как низкоуглеродный источник энергии.
Исследовательская группа из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) под руководством профессора Владимира Волкова предложила использовать для разделения газовых смесей мембраны на основе полисилоксанов, которые более известны как силиконовые каучуки. Это дешевые и очень распространенные в повседневной жизни полимеры: их можно встретить в составе спортивной одежды и обуви, медицинских имплантатов, емкостей для хранения продуктов. Но чтобы полисилоксаны смогли избирательно пропускать через себя отдельные газы, их молекулы должны иметь форму гребенки, поскольку именно отходящие от основной оси «гребни» обеспечивают селективные свойства материала. Раньше, чтобы получить такую форму, требовался сложный многоэтапный синтез, но ученые ИНХС РАН запатентовали метод, благодаря которому стало возможно создать необходимые структуры с помощью всего одной химической реакции.
Структура мембран на основе полисилоксанов с линейными боковыми заместителями. Источник: Евгения Грушевенко
Фото: Предоставлено ИНХС РАН
Структура мембран на основе полисилоксанов с линейными боковыми заместителями. Источник: Евгения Грушевенко
Фото: Предоставлено ИНХС РАН
«Наши полимеры можно сравнить с ветвями плакучей ивы: они столь же гибкие и имеют похожее строение. У дерева с основной ветки свисают тонкие веточки, а в гребнеобразных полисилоксанах гибкие линейные углерод-углеродные цепочки (боковые заместители, или “гребни”) свисают с основной гибкой макроцепи»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Владимир Волков, профессор, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН.
В новом исследовании ученые синтезировали мембраны из двенадцати полисилоксанов, которые отличались структурой и длиной заместителей («гребней»): они были линейными, разветвленными или содержали кольца. Затем химики проанализировали физические и химические свойства каждого из соединений.
Исследовательская группа лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН. Источник: Евгения Грушевенко
Фото: Предоставлено ИНХС РАН
Исследовательская группа лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН. Источник: Евгения Грушевенко
Фото: Предоставлено ИНХС РАН
Оказалось, что только длинные линейные «гребни» благодаря тому, что могут ориентироваться параллельно относительно друг друга, как зубья расчески, формируют особый слой — микрофазу. Разветвленные и циклические заместители такие упорядоченные структуры не создают. Пропуская через разные типы синтезированных мембран газовые смеси, исследователи доказали, что благодаря микрофазе материалы становились в два раза более избирательными по отношению к более длинным углеводородам, таким как пропан и бутан. Все дело в сходстве их структуры и свойств — в результате нужные компоненты активно взаимодействуют с «гребенкой» и легко проходят через мембрану.
«Наше исследование позволило определить оптимальную структуру мембран для разделения газовых смесей. Это очень перспективно для нефтегазовой отрасли, поскольку поможет сделать добычу, переработку и использование нефтепродуктов более эффективными. Мы продолжим изучение мембран из полисилоксанов, поскольку нет предела совершенству, и, возможно, нам удастся обнаружить еще более полезные структуры»,— подытожил Владимир Волков.
По материалам статьи Influence of side chains assembly on the structure and transport properties of comb-like polysiloxanes in hydrocarbon separation; I. L. Borisov, E. A. Grushevenko, T. S. Anokhina, D. S. Bakhtin, I. S. Levin, G. N. Bondarenko, V. V. Volkov, A. V. Volkov; журнал Materials Today Chemistry, октябрь 2021 г.