Удалить 99% серы

Ученые создали ускоритель реакции, который удалил из дизельного топлива 99% серы, при горении которой в воздух попадают токсичные оксиды. В основе разработки лежит дешевый и безопасный материал гидроксиапатит с нанесенными на его поверхность ионами молибдата. Реакция очистки топлива с помощью такого катализатора проходит в присутствии перекиси водорода, что обеспечивает экологичность процесса. Предложенный катализатор позволяет очищать топливо при невысоких температурах и атмосферном давлении, благодаря чему процесс становится значительно проще и дешевле.

В природной нефти помимо углеводородов, которые составляют полезную, то есть горючую часть топлива, содержатся вредные примеси, например содержащие соединения серы. При сжигании топлива с большим количеством серы в воздух попадают вредные оксиды, которые могут приводить к кислотным дождям и к раздражению дыхательных путей у людей. Поэтому бензин и дизель очищают от серы с помощью гидроочистки — обработки водородом. Но такой подход технически сложен: он требует температур порядка 300–400 °C и высокого давления. Более того, эта технология не позволяет удалить из топлива некоторые стойкие ароматические соединения серы, поэтому ученые ищут более эффективные альтернативы.

Коллектив научной группы лаборатории композиционных керамических материалов и биоматериалов ИМЕТ РАН

Полина Крохичева / из личного архива

Исследователи из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН с коллегами разработали катализатор для очистки дизельного топлива от серы в мягких условиях, то есть не требующих очень высоких температур и давления.

За основу авторы взяли гидроксиапатит — доступный, стабильный и безопасный материал, который легко синтезировать из недорогих кальциевых и фосфатных прекурсоров (веществ-предшественников). Ученые пропитали гидроксиапатит раствором, содержащим ионы молибдата. При последующем нагреве поверхность гидроксиапатита провзаимодействовала с молибдат-ионами, в результате чего образовались активные фосфомолибдатные кластеры.

Чтобы заставить катализатор работать, был нужен окислитель — вещество, которое образует комплекс с молибденовыми кластерами и активирует их для удаления серных групп из топлива. В качестве такого вещества авторы выбрали перекись водорода — она активно взаимодействует с молибдатами и в ходе превращений образует всего один безопасный продукт — воду.

Исследователи протестировали свойства нового катализатора, добавив его вместе с перекисью в образцы реального дизельного топлива, не проходившего очистку от серы. Реакцию провели при невысокой (всего 70 °C) температуре и невысоком атмосферном давлении.

Эксперимент показал, что предложенный материал за восьмичасовой цикл удаляет из топлива более 99% серы и позволяет получить продукт, который отвечает самым строгим экологическим требованиям. Более того, катализатор оказался многоразовым: он не терял активность даже после пяти циклов использования.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории композиционных керамических материалов и биоматериалов Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, руководитель проекта Маргарита Гольдберг

Маргарита Гольдберг / из личного архива

«Сочетание дешевых материалов, мягких условий и высокой эффективности делает разработку экономически конкурентоспособной и позволяет легко ее масштабировать. В дальнейшем мы планируем разработать системы, которые смогут эффективно окислять соединения серы кислородом воздуха, чтобы уйти от использования перекиси водорода и тем самым дополнительно существенно снизить себестоимость процесса», — рассказывает руководитель проекта Маргарита Гольдберг, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории композиционных керамических материалов и биоматериалов Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.

По материалам пресс-службы РНФ