Об этом сообщила пресс-служба Института катализа СО РАН.
Его эффективность минимум в 2 раза выше, чем у существующих сорбентов.
Преимущества материала состоят в том, что возможность использовать в качестве сырья для его производства отходы нефтепереработки, а также простой синтез, который проводят при атмосферном давлении без добавления пенообразователей.
Что такое углеродный материал?
Углеродный материал с ячеистой структурой (углеродная пена, пеноуглерод) сочетает в себе присущую углероду в отсутствие воздуха высокую термическую и химическую стойкость.Благодаря ажурности трехмерной структуры - низкую плотность и высокоразвитую внешнюю поверхность.
Углеродная пена имеет упорядоченную структуру ячеек, которая хорошо видна.
Размер ячеек, плотность, прочность и др. характеристики пеноуглерода можно варьировать в зависимости от используемого сырья и метода синтеза.
Благодаря набору уникальных свойств, пеноуглерод используют в медицине, авиа- и ракетостроении, строительстве.
Ученые Центра новых химических технологий (ЦНХТ) ИК СО РАН создали пеноуглерод на основе пропан-бутановой смеси(это один из видов сжиженного углеводородного газа (СУГ)):
- получили суперлегкий материал как закрытой, так и открытой ячеистой структуры плотностью 0,02 г/см3;
- который состоит из углерода без примесей.
Тезисы одного из авторов исследования, младший научный сотрудник отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН Е. Райской:
- мы взяли техническую пропан-бутановую смесь - один из товарных продуктов нефте- и газопереработки;
- методом пиролиза из этих газов получают алкены, а образующиеся при этом жидкие пиролизные смолы становятся побочным нежелательным продуктом;
- в нашем процессе жидкие продукты пиролиза углеводородных газов являются продуктом целевым - предшественником пеноуглерода;
- если развивать технологию, то пеноуглерод можно будет получать в промышленных масштабах;
- вторично используя многотоннажные технические отходы, и он будет доступным.
Где можно применять?
Ученые сосредоточились на экологическом приложении материала - сорбции нефти и нефтепродуктов с поверхности воды.Разливы нефти - серьезная проблема для окружающей среды, которая часто случается по всему миру в разных объемах.
Например, один из крупнейших разливов случился в 2022 г. в США, тогда в воду попало 14 тыс. барр. нефти.
Е. Райсковская также отмечает, что
- углеродная пена - очень эффективный сорбент;
- нефть заполняет большой внутренний объем материала, а низкая плотность и гидрофобность обеспечивают длительную плавучесть такого пеноуглерода на поверхности воды;
- высокая химическая и структурная однородность полученной углеродной пены обеспечивает хорошую термостойкость и регенерируемость сорбента;
- после использования пеноуглерод с абсорбированной нефтью прокаливают на воздухе при температуре до 550 ℃ - основная часть нефти сгорает, а материал можно использовать снова;
- наша пена выдерживает десятки таких циклов при извлечении из воды нефти, бензина и дизельного топлива.
Также можно использовать, как катализ.
Так как материал термостойкий и устойчивый к кислотам.
Может работать в агрессивных средах и не разрушается даже при выдержке в концентрированной серной кислоте.
Кроме того, структура углеродной пены обеспечивает низкое сопротивление движению высокоскоростных потоков, что важно для уменьшения времени контакта и повышения селективности в многостадийных каталитических реакциях.
Особенности синтеза углеродного ячеистого материала в ЦНХТ ИК СО РАН
Пеноуглерод различного строения как новый материал появился в 1970 г.С тех пор группы ученых из разных стран разрабатывают свои способы получения углеродной пены и изменения ее свойств.
Синтез углеродной пены в Центре новых химических технологий ИК СО РАН проводят в 2 стадии при атмосферном давлении без добавления вспенивателей.
Сначала пропан-бутановую смесь нагревают при 850℃ для образования пиролизных смол - полиароматических молекул.
В определенных условиях происходит конденсация этих молекул и их определенная ориентация с образованием так называемой мезофазы.
Она и становится предшественником пеноуглерода.
На следующей стадии:
- вспенивании - углеводородные цепочки, связывающие полиароматические слои, отрываются, и образуются газовые пузыри;
- слои становятся подвижными и обволакивают эти пузыри;
- процесс можно сравнить с образованием мыльной пены;
- вспенивание происходит при высокой температуре и сопровождается карбонизацией;
Ученый отмечает, что мезофазный предшественник необходимого состава можно получить не только из пропан-бутановой смеси, но и из др. углеводородных фракций, т.ч. побочных продуктов производств, где есть поликонденсированные ароматические молекулы.
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - органические соединения, состоящие из трех или более конденсированных ароматических колец, в которых определенные атомы углерода являются общими для 2х или 3х колец.
Это открывает перспективы для масштабирования синтеза пеноуглерода.
Автор: П. Паршинова
