Содружество ученых-химиков из Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева и Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского разработало новый процесс синтеза аммиака, применив гибридную технологию, сочетающую возможности мембранной очистки и современных абсорбентов. Они доказали, что таким образом можно получать аммиак чистотой до 99%, затрачивая гораздо меньше энергии.
Ежегодно в мире производится 200 млн тонн аммиака, примерно 25 килограммов на каждого жителя планеты. Россия входит в тройку лидеров по объемам его производства. Аммиак широко применяется в мире для производства азотных удобрений, которые незаменимы для повышения урожайности. Азот необходим всем живым организмам, поскольку он входит в состав многих белков и аминокислот. И хотя атмосфера Земли почти на 80% состоит из молекулярного азота (N2), в такой форме он практически не усваивается организмами. Поэтому человечество производит так много удобрений, которые содержат азот в связанной форме, то есть в виде разных химических соединений с другими атомами, из которых живым организмам уже гораздо проще извлечь азот для своих нужд. А большинство азотных удобрений, в свою очередь, получают из аммиака (NH3). В настоящее время азотные удобрения — это значимый фактор в обеспечении продовольственной безопасности.
Большинство азотных удобрений, которые являются значимым фактором в обеспечении продовольственной безопасности, получают из аммиака. Помимо этого из аммиака получают различные виды пластиков, взрывчатые вещества, хладагенты для бытового и промышленного оборудования, нашатырный спирт и добавки в стройматериалы, обеспечивающие их морозостойкость. Аммиак применяется даже в микроэлектронике.
Помимо этого из аммиака получают различные виды пластиков, взрывчатые вещества, хладагенты для бытового и промышленного оборудования, нашатырный спирт и добавки в стройматериалы, обеспечивающие их морозостойкость. Аммиак применяется даже в микроэлектронике.
Широкий спектр применения и тоннажность производства аммиака означают, что удешевление метода его получения может дать огромный экономический эффект.
Инновация российских ученых состоит в применении мембранной технологии в процессе получения аммиака. «Руководящая роль в нашем содружестве принадлежит ученым РХТУ имени Менделеева. Часть исследований проведена в Нижнем Новгороде. Университет Лобачевского, например, занимался аналитической работой», — рассказал «Стимулу» руководитель проекта профессор Илья Воротынцев, заведующий лабораторией SMART полимерных материалов и технологий РХТУ. Исследовательская работа заняла два года и проходила при поддержке Российского научного фонда.
Разработанная учеными гибридная технология очистки газов протекает в аппарате их собственной конструкции. Он разделен мембраной на две части: в верхнюю поступает смесь газов — NH3, N2, H2 (аммиак, азот и водород), — которая пропускается через абсорбент, нанесенный на мембрану. Она накапливает большие количества аммиака и почти не абсорбирует азот и водород, которые выходят обратно из абсорбента в ту же самую полость над мембраной. Молекулы же аммиака (NH3) выводятся из абсорбента через мембрану в другую часть аппарата: между полостями над мембраной и под ней создают большой перепад давления, под действием которого аммиак диффундирует через мембрану в нижнюю часть аппарата, из которой отводят поток очищенного газа. Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговом журнале Chemical Engineering Journal.
В качестве абсорбента ученые использовали четыре разных вещества, которые, по предварительным данным, выглядели перспективными для очистки аммиака. Все они были глубокими эвтектическими растворителями, ГЭР (эвтектической называется такая смесь двух веществ, температура плавления которой ниже температуры плавления отдельных компонентов). Такие растворители получают из доступных реагентов с помощью простого синтеза, а поскольку они остаются жидкими в широком диапазоне температур, их принято считать 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 исследователей.
Лучший результат в лаборатории 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. Поэтому для внедрения в производство ученые склонны рекомендовать 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.
Источник: Журнал СТИМУЛ
