Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета (ИГиНГТ КФУ) вместе с китайскими коллегами исследовали механизм ускоренного образования газогидратов с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Открытие позволит создавать новые технологии безопасного хранения и транспортировки природного газа, улавливания углерода и опреснения воды.
Газовые гидраты — это твердые кристаллические соединения, напоминающие спрессованный снег или лед, которые образуются из воды и газа при определенных термобарических условиях. Преобразование газа в газогидрат позволяет безопасно его хранить, а также транспортировать без использования трубопроводов. Это особенно важно при разработке месторождений на отдаленных территориях и утилизации попутного нефтяного газа одиночных месторождений нефти, в том числе шельфовых.
На сегодняшний день применение газовых гидратов ограничено низкой скоростью их образования и недостаточным поглощением газа. Проведя комплексное моделирование процесса гидратообразования методом молекулярной динамики с участием 13 структурно разнообразных ПАВ, авторы установили, что эффективность ПАВ определяется в большей степени их молекулярной архитектурой, распределением заряда и взаимодействием с молекулами воды, а не способностью к мицеллообразованию, как считалось ранее.
«Более того, мы выяснили, что оно не является необходимым условием для стимуляции образования гидратов. Есть ПАВ, которые не образуют мицелл, но они эффективны. Механизм стимулирования гидратообразования — это сложный процесс, который включает множество факторов, в том числе водородное связывание, «эффект айсберга» и образование полукапсульных водных структур вокруг головных групп и хвостов ПАВ», — рассказал один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов ИГиНГТ Абдолреза Фархадиан.
Ученый сообщил, что ПАВ с оптимальным гидрофильно-гидрофобным балансом, особенно двуцепочечные и разветвленные анионные, способствуют формированию упорядоченных водных структур и снижают сопротивление массообмену, что существенно ускоряет нуклеацию (зарождение кристаллов) и рост гидратов. При этом ключевое значение имеет прочность водородной связи ПАВ — чрезмерно прочные водородные связи могут препятствовать гибкой перестройке молекул воды, необходимой для образования ячеек гидратов.
«Ароматические и разветвленные функциональные группы усиливают способность ПАВ стимулировать образование гидратов за счет повышения структуризации воды и создания дополнительных участков взаимодействия, тогда как линейные или сильно заряженные катионные ПАВ проявляют низкую эффективность в условиях образования гидратов», — отметил исследователь.
В планах ученых — синтезировать такие ПАВ, которые будут не только высокоэффективными в плане гидратообразования, но еще и экологичными, и дешевыми.
Исследование выполнено при грантовой поддержке РНФ.
Источник – Минобрнауки России