Нефть служит исходным сырьем для производства полиэтиленовых пакетов, пластиковых бутылок, косметики и многих других промышленных товаров. Однако природные запасы черного золота постепенно истощаются, что требует поиска и рационального использования новых компонентов, например тех, которые ранее не перерабатывались. Прежде всего, речь идет о попутных нефтяных газах, содержащих в своем составе в том числе этан и пропан.
Коллектив молодых ученых из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН проводит исследования в этом направлении. «Суть в том, что мы пытаемся расширить базу веществ, использующихся в химической промышленности, — комментирует руководитель проекта, старший научный сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Татьяна Юрьевна Кардаш. — Качество нефти определяется фракционным составом: есть тяжелые, средние и легкие фракции, и в переработку идет только некоторая их часть. А попутные нефтяные газы, такие как метан, этан, пропан и бутан, как правило, просто сжигают. Мы разрабатываем новые катализаторы, позволяющие в одну стадию из этана и пропана получать этилен, акриловую кислоту и акрилонитрил».
Этилен — очень технологичный и востребованный продукт, он используется в производстве пластика, полиэтилена, различных видов упаковки. Стандартно его получают из бензиновых фракций в установках при температуре порядка 800 °С. Этот процесс достаточно энергозатратен, поскольку требует непрерывной подачи тепла.
«С нашими катализаторами реакции превращения могут протекать при более низких температурах: 350—400 °С, в присутствии кислорода. Химические процессы при таких условиях гораздо эффективнее по сравнению с применяемыми сегодня в промышленности методами получения этилена, поскольку требуют меньше энергии», — поясняет Татьяна Кардаш.
Исследовательница подчеркивает, что все компоненты катализатора включены в единую сложную структуру. В процессе работы эта структура нередко разрушается, и свойства катализатора теряются. В рамках своего проекта молодые ученые с помощью широкого набора современных методов исследования пытаются разобраться, как на атомном уровне формируется и разрушается активная структура катализатора и как можно сделать ее более стабильной.
«Под стабильностью подразумевается характеристика катализатора, при которой он позволяет получать нужный продукт без потери своих свойств в течение длительного времени. Наша задача — так модифицировать его с помощью дополнительных добавок из различных химических элементов, чтобы он был более стабилен в условиях реакции. Например, теллур — один из элементов, входящих в состав наших катализаторов, летуч и достаточно ядовит. Далеко не каждое предприятие захочет иметь дело с опасными выбросами. Мы пытаемся найти добавки, если не заменяющие теллур в активных катализаторах (это сложная задача), то хотя бы модифицирующие катализатор так, чтобы минимизировать потери этого летучего вещества в процессе работы», — рассказывает Татьяна Кардаш.
Источник: Юлия Клюшникова/Наука в Сибири
В данный момент молодые ученые ведут поисковую работу, тестируя разные добавки из химических элементов. Они уже испытали сурьму, фосфор, висмут. Во время этой части исследования выяснилось, что добавление висмута позволяет существенно стабилизировать структуру катализатора и уменьшить потери теллура в его составе в процессе эксплуатации. Следующий этап предполагает работу с неодимом, германием, галлием.
В исследовании принимают участие сотрудники нескольких лабораторий ИК СО РАН: структурных методов исследования, гетерогенного селективного окисления, группы исследования нанесенных металл-оксидных катализаторов и лаборатории спектральных методов. Татьяна Кардаш отмечает, что новые катализаторы в перспективе могут стать хорошей альтернативой при получении этилена из этана, а также акриловой кислоты из пропана для небольших производств. Их внедрение и использование на предприятиях позволит существенно расширить ресурсную базу химической промышленности в России.
Проект «Стабилизация структуры активной фазы ванадий-молибден-ниобий-теллур-оксидных катализаторов для селективных трансформаций легких алканов» поддержан грантом Российского научного фонда № 17-73-20073.
