Метан и другие газообразные углеводороды, добываемые в природных месторождениях, традиционно транспортируют по трубопроводам или в баллонах. У данного способа есть свои преимущества и свои недостатки, в основном экономические. Сегодня химики разрабатывают новый вид транспорта газа — в виде порошка.
"Сухая вода" похожа на белый порошок, но достаточно немного его сдавить, и вода потечёт из него, как из губки (фото Cooper et al./ACS).
Группа учёных под руководством профессора Эндрю Купера (Andrew Cooper) из университета Ливерпуля (University of Liverpool) придумала, как хранить природный газ в "сухой воде".
Купер и его коллеги обнаружили, что газообразный метан (CH4) можно аккумулировать в смеси, которую условно можно назвать "сухой водой". Она образована из мелкодисперсного кварца и воды (на вид обычный белый порошок).
Метан реагирует с водой, образуя кристаллический материал (газовый гидрат метана), в котором отдельные молекулы газа сидят в водяных "клетках" (отсюда другое название этих соединений – клатраты).
Газовые гидраты внешне похожи на спрессованный снег. При этом горят они с выделением газа и капель воды уже при незначительном повышении температуры. Здесь показаны структура и горение соединения метана (фото с сайта wikimedia.org, иллюстрация University of Göttingen).
Подобное вещество образуется и в природе, когда вода смешивается с простейшим углеводородом при высоком давлении и низкой температуре. Известно, что крупные залежи кристаллической субстанции существуют глубоко на морском дне.
Повышение уровня общемировой температуры может привести к разложению гидрата на составляющие и высвобождению этого парникового газа, а значит, к дальнейшему повышению температуры атмосферы. Именно этот механизм привёл к драматическим изменениям климата в далёком прошлом. Но об этом мы лучше поговорим в другой статье, а пока посмотрим, что же сулит "сухой метан" на практике.
В первую очередь новая разработка найдёт применение в транспортировке природного газа (большую часть которого составляет именно CH4). Новый материал может быть использован как альтернатива трубопроводам.
Профессор Денди Слоан (Dendy Sloan) из горно-технического училища Колорадо (Colorado School of Mines), не принимавший участия в данном исследовании, отмечает, что затея имеет смысл, так как 70% природных хранилищ этого газа невелики по размерам и к ним экономически невыгодно тянуть трубы.
Отметим, что нечто подобное уже пытались разрабатывать многие научные группы мира, для этих целей использовались гелий и азот, простые соединения углерода, полимеры и множество куда более экзотических веществ. А японская фирма Mitsui Engineering and Shipbuilding даже создала опытный проект корабля, создающего "сухой метан", перевозящего его, а заодно и потребляющего часть для собственных нужд.
Другой вариант практического применения: сухое горючее для автомобилей. Отметим, что транспортные средства на метане (например вот такие усовершенствованные) не только меньше загрязняют окружающую среду, но и имеют больший КПД двигателя.
Однако не всё так просто, ведь химикам из Ливерпуля до сих пор не удалось решить ряд проблем.
Как мы уже сказали, гидрат образуется только при низкой температуре и высоком давлении, да и то очень медленно. Всё из-за того что образующаяся на поверхности капель воды плёнка вещества перекрывает центры для нового роста. Эту преграду можно было бы преодолеть, интенсивно перемешивая воду с газом. Однако организация подобного процесса сложна и стоит больших денег.
Впрочем, группа Купера нашла решение, заменив обычную воду "сухой". Учёные фактически разделили массив жидкости на множество мелких стабильных капель, тем самым значительно увеличив площадь поверхности, которая контактирует с газом.  Помол гранул осуществляли в обычном кухонном миксере. Внизу показаны микрофотографии гранул, полученных на разных скоростях измельчения (иллюстрация Cooper et al./ACS).
Что же представляет собой "сухая вода"? Смесь собственно жидкости и особой формы диоксида кремния, называемой гидрофобный пирогенный кремнезём (последний составляет 5 весовых процентов). Это мельчайшие гранулы кварца (те же самые, что образуют песок), покрытые слоем водоотталкивающего вещества. Такие частицы "налипают" на поверхность капель воды, не давая им объединяться.
Так вот: всего шесть граммов такой смеси могут поглощать (а точнее — образовывать гидрат) с литром метана уже при температуре замерзания воды (90% поглощения происходит в первые 160 минут процесса).
Преимущества этого способа синтеза гидрата перед другими методами очевидны, пишут английские химики в статье, опубликованной в журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society). Прежде всего это высокая способность к поглощению и использование простых материалов.
Механическая смесь обычной воды и кварцевых песчинок почти не поглощала газ (чёрная кривая). Измельчение (разными цветами показаны разные скорости) увеличивает эффективность поглощения: чем меньше размер капли воды, тем выше скорость протекания реакции. Все процессы происходили при комнатной температуре (иллюстрация Cooper et al./ACS).
А теперь поговорим о недостатках. Газовый гидрат метана стабилен, только если хранится при температуре -70°C (атмосферное давление), соответственно при нагревании вещества выше этой точки CH4 снова высвобождается.
Купер и его коллеги пытались решить проблему, подмешивая в воду тетрагидрофуран и тетрабутиламмоний бромид, тогда гидрат оставался стабильным даже при комнатной температуре. Но эти соединения дестабилизировали "сухую воду". Справятся ли с этим английские химики, покажет время.
Другое ограничение — низкое количество циклов внедрения и высвобождения метана. Через некоторое время капли воды начинают коагулировать, а также снижается скорость их реакции с газом. Впрочем, порошку можно вернуть начальные свойства, если хорошо перемешать смесь, но этот этап усложняет весь процесс.
Всё это означает, что до коммерциализации разработки ещё очень далеко, не говоря уже о её массовом применении. Но первые шаги, несомненно, сделаны.
| 
