Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева и Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева предложили альтернативный способ добычи ксенона из природного газа, сообщает отдел научной коммуникации РХТУ.
Мировое потребление ксенона ежегодно растет на 15–20 %. Его применяют в лазерной, электронной, светотехнической, космической, атомной и других высокотехнологичных отраслях. Однако использование ксенона сдерживают сложности его получения. Ксенон добывают из воздуха, где его очень мало: в 1 м³ воздуха содержится всего лишь 0,08 мл ксенона. С помощью промышленной технологии низкотемпературной ректификации можно получить газ чистотой 99,9995 % стоимостью 1,15 тыс. руб. за литр. Такое производство может быть экономически обоснованным только при очень больших объемах. Поэтому авторы исследования предложили технологию получения ксенона из природного газа, который иногда содержит от 0,15 об. % ксенона, что на четыре порядка выше, чем в воздухе.
В мире уже запатентовано несколько технологий выделения ксенона из природного газа, но ни одна из них до сих пор не дошла до промышленного применения в связи с многостадийностью процесса, сложностью задействованной аппаратуры, а также низкой концентрацией ксенона в конечном продукте. Ученые РХТУ и НГТУ предложили более эффективный путь, основанный на использовании газогидратов — твердых кристаллических соединений молекул воды и газов, которые образуются в условиях повышенного давления и существуют при температурах, превышающих температуру замерзания воды.
«Разные компоненты природного газа имеют разные давления диссоциации в кристаллогидратах. Поэтому, регулируя давление и температуру, можно поэтапно выпускать из этих кристаллов разные газы, — рассказывает один из авторов работы, руководитель лаборатории SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ, профессор Илья Воротынцев. — Именно на этом свойстве кристаллогидратов основан наш подход, с помощью которого мы извлекли из модельной смеси газов, имитирующих природный газ, 93,05 % ксенона».
Ученые проводили эксперименты на модельной газовой смеси из метана (94,85 об. %), углекислого газа (5,00 об. %) и ксенона (0,15 об. %) при температурах –1 °С и 1 °С. Исследователи испытывали разные режимы, и лучшие результаты показала непрерывная мембранно-газогидратная кристаллизация, которую проводили в реакторе объемом 4,17 л, разделенном полупроницаемой мембраной на две части с высоким и низким давлением. В отсек высокого давления помещали природный газ и воду, которые превращались в гидраты. Далее ученые постепенно меняли температуру и давление и поэтапно выпускали из гидратов углекислый газ и метан через мембрану в другую полость, при этом ксенон с водой оставались в гидратах. После они окончательно разрушали газовые кристаллы, еще раз меняя термобарические условия — в результате вода оставалась на дне этой полости, а над ней концентрировался ксенон.
Главные преимущества нового способа выделения ксенона — это низкие затраты энергии, простота экспериментальной установки и ее масштабируемость, высокая эффективность газоразделения, а также отсутствие разрушающих реагентов. По оценкам исследователей, технология позволит в несколько раз снизить себестоимость получения ксенона. «Точных расчетов по стоимости добычи пока привести не можем, так как всё будет зависеть от конкретных условий — концентрации ксенона в месторождении природного газа, местонахождения самих скважин. Но даже с учетом транспортных расходов, если мы будем вывозить вертолетами газ из Сибири до железнодорожных платформ, себестоимость его будет как минимум в два раза ниже газа, полученного из воздуха», — отмечает Илья Воротынцев.
В продолжение работы коллектив планирует экспериментально исследовать технологию на образцах природного газа, добытых из настоящих месторождений, и подобрать оптимальные условия для повышения степени извлечения ксенона.
Результаты работы опубликованы в журнале Journal of natural gas science and engineering.