ИФХЭ РАН

Новости Масс-медиа Мы в СМИ В ИФХЭ РАН на уникальном патентованном оборудовании проводятся измерения деформации, стимулированной адсорбцией

В ИФХЭ РАН на уникальном патентованном оборудовании проводятся измерения деформации, стимулированной адсорбцией

07 июля 2022 In Мы в СМИ

В лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН проведено исследование деформации микропористого углеродного адсорбента при адсорбции метана в широких интервалах давлений от вакуума в 0,1Па до давления 10 МПа, и температур от 213 до 393 К (от -60 до 120 С). Измерения выполнены на уникальном оборудовании, разработанном специалистами ИФХЭ РАН. Результаты опубликованы в Journal of Chemical&Engineering Data.

ПРОБЛЕМА ДЕФОРМАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ ФОРСИРОВАННОЙ ГАЗООТДАЧЕ

Cланцевый газ (метан, находящийся в неразрабатываемых угольных пластах) составляет значительную часть общего объема добываемого природного газа. Внутри угольного пласта газ находится в адсорбированном состоянии в узких порах. После десорбции из микропоры газ конвективным образом выходит наружу через небольшие естественные трещины, расстояние между которыми обычно составляет несколько сантиметров.

Закачка углекислого газа в угольные пласты обычно на 15-20 % улучшает извлечение метана, поскольку адсорбционное сродство CO2 к углю выше, чем у CH4. Кроме того, закачка позволяет консервировать углекислый газ в пластах, что является одним из способов снижения углеродного следа промышленности.

Однако в ходе адсорбции CO2 и десорбции проницаемость пласта сильно снижается. Из-за того, что образец угля «набухает» в атмосфере CO2 больше, чем в атмосфере CH4 при том же давлении, происходит разрушение сети трещин, благодаря которым газы имели возможность выходить из коллектора.

«Известно, что вспучивание угля происходит из-за адсорбции. Хотя первые работы на эту тему появились еще в 1927 году ([Mechan F.T. Expansion of charcoal on sorption of carbon dioxide // Proc. R. Soc. – 1927. – A115. - P. 199-205.]), но влияние стимулированной адсорбцией деформации на угольный пласт еще недостаточно изучено. Понимание влияния процесса адсорбции -десорбции метана и диоксида углерода на деформацию углеродных пористых материалов может помочь Российским нефте- и газодобывающим компаниям повысить эффективность выработки газовых и нефтегазовых месторождений. Кроме того, такие исследования могут помочь с решением проблемы взрывоопасных выбросов метана при добыче угля. Мы опубликовали первый материал в планируемой серии статей», ‒ сказал заместитель заведующего лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Андрей Школин.

ДЕФОРМАЦИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

Микропористые материалы обладают способностью втягивать в свои поры молекулы газа или пара. В результате концентрация этих молекул в порах оказывается значительно выше, чем в окружающей среде. Можно сказать, что микропоры представляют собой как бы наноконденсаторы, переводящие вещества из состояния пара или газа в окружающей среде в состояние жидкости в микропоре.

Различные газы проявляют большую или меньшую способность к адсорбции на микропористых материалах в одинаковых термодинамических условиях (т. е. при одинаковых температуре и давлении). При адсорбции молекулы, попадающие в микропористое твердое тело, влияют на термодинамическое состояние этого тела и вызывают его деформацию. Это может показаться удивительным, но, в зависимости от структуры и свойств адсорбированных молекул и их соотношения с размерами пор, адсорбент в процессе адсорбции может как расширяться, так и сжиматься.

Деформация микропористого материала зависит от множества факторов: химии поверхности и жесткости самого адсорбента, физико-химических свойств адсорбируемых молекул и термодинамических параметров адсорбционной системы. При этом химия поверхности адсорбента может оказывать существенное влияние на деформационные эффекты особенно при малом заполнении микропор.

ВОСТРЕБОВАНЫ ВЫСОКОТОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Деформационные эффекты на большинстве промышленных адсорбентов обратимы. Их величина зависит от свойств адсорбированных молекул и для газов составляет в среднем не более 0,5% на расширение и 0,3% на сжатие. Для более крупных молекул, например углеводородов, в частности, компонентов бензина, она больше - до 1,5% на расширение и 0,5% на сжатие. Гранулы промышленных адсорбентов невелики, как правило, они имеют диаметр около 2…3 мм. Для того, чтобы зафиксировать изменение размера гранулы в 0,1%, необходима чувствительность прибора не менее 2•10-6 м. Для успешной работы измерительного стенда необходимо обеспечить возможность регенерации микропористого материала (для очистки пор от посторонних веществ), а также возможность подачи в измерительную ячейку различных веществ при разных температурах и давлениях: от глубокого вакуума (0,1 Па) до высоких рабочих давлений адсорбционных систем (не менее 7МПа).

Сотрудниками лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН был разработан стенд для измерения деформации микропористых материалов, стимулированной адсорбцией или температурой, дилатометрическим методом, позволяющий выполнять измерения деформации в интервале температур от 213 до 673 K и давлений от 0,1 Па до 10 МПа (Патент РФ 2766188 Опубликовано: 09.02.2022 Бюл. № 4). Оценку точности измерений относительной линейной деформации адсорбента проводили в соответствии с международными стандартами ГОСТ 34100.3-2017 [ГОСТ 34100.3-2017/ISO/IEC Guide 98-3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения] и ГОСТ Р ИСО 11095-2007 [Национальный стандарт Российской Федерации Статистические методы. Линейная калибровка с использованием образцов сравнения. (Statistical methods. Linear calibration using reference materials ОКС 03.120.30)]. Доверительный интервал измеряемой величины линейной деформации гранулы адсорбента l* составляет ± 0.5 мкм или 5•10-7 м. В среднем неопределенность измерения относительной линейной деформации адсорбента составляет uc(η)=2,0 %, а расширенная неопределённость U(η) при уровне доверия 95 % U(η) = 6.0 %.

«Оборудования и методов, позволяющих с нашей степенью точности измерять деформацию микропористых материалов в таких интервалах температур и давлений, в мире пока не существует» ‒ подвел итог Андрей Школин.

Работа выполнена в рамках Государственного задания №122011300053-8 «Поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, физико-химическая механика, адсорбционные и хроматографические процессы».

По материалам: Andrey V. Shkolin, Ilya E. Men’shchikov, Elena V. Khozina, Vladislav Yu. Yakovlev, Valery N. Simonov and Anatolii A. Fomkin. Deformation of Microporous Carbon Adsorbent Sorbonorit-4 during Methane Adsorption.  Journal of Chemical &Engineering Data, 2022 Publication Date:April 6, 2022 DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jced.1c00904


Материал подготовлен: Ольга Макарова / пресс-служба ИФХЭ РАН

В других источниках:

Минобрнауки России. Новости 06/07/2022 

Читать 195 times

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

МЫ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

Подписывайтесь на нас и следите за жизнью института.

Поиск

Яндекс.Метрика