Томские ученые предлагают экономичную технологию получения наноуглерода

 

Перефразируя Дмитрия Менделеева, можно сказать, что сжигать газ – это все равно что топить печь ассигнациями. И мы пытаемся доказать справедливость этих слов на примере получения углерода из природного газа, – говорит один из создателей уникальной технологии по утилизации попутного газа профессор ТГУ Юрий Медведев.

Эта технология, созданная учеными ТГУ, ТПУ и ТНЦ СО РАН, может не только сохранить экологию, избавляя от необходимости сжигать попутный газ при добыче нефти, но и вырабатывать мелкодисперсный углерод (МДУ), который в мировой науке называют материалом завтрашнего дня. (Область применения наноуглеродов простирается от биологии и медицины до нового поколения электроники и машиностроения.) Причем если в мировой практике из одной тысячи кубометров газа научились получать считанные граммы МДУ, то разработка томских ученых, основанная на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, позволяет получать сотни граммов. Таким образом, говорят ученые, прибыль от продажи природного газа (точнее, продуктов его глубокой переработки) может быть во много раз больше, чем сейчас.

– Это проект с большими политическими последствиями. Сегодня срок жизни месторождения около 15 лет: оно как шина – прокололи, воздух вышел, и все. Мы же предлагаем другой путь, – говорит Юрий Медведев. – Вместо того чтобы строить газопроводы в Европу, а потом покупать продукты из составляющих газа, лучше самим перерабатывать газ и продавать продукт, полученный на его основе.

 

Доктор физико-математических наук Юрий Медведев в свое время был одним из разработчиков прибора для измерения параметров высоковольтных транзисторов, благодаря чему в СССР был освоен выпуск цветных телевизоров. Затем с дефицитом заказов в 1990-е годы многие научные лаборатории начали испытывать трудности, а большинство и вовсе прекратили существование. Примерно в это же время в Томской области началась программа по добыче природного газа.

И тогда же я сделал вывод: нужно работать на такую отрасль, где не будет проблем с финансированием – нефтегазодобывающую, – откровенно признается Медведев. – Ведь известные томские фирмы «Микран», «ЭлеСи», «Сиам» начали с решения задач именно нефтегазового комплекса и сегодня имеют миллиардные обороты при небольшой численности сотрудников.

Жидкая задача

В Томской области при добыче нефти ежегодно сжигается в факелах примерно 1,5 млрд кубометров попутного газа стоимостью более миллиарда рублей – из-за невозможности его транспортировки. Проблему могла бы решить технология получения жидкой фракции из газа, и томским ученым была поставлена задача разработать для этого мобильные установки.

– Природный газ, добываемый в области, состоит в основном из метана, в котором один атом углерода. Но там еще содержатся пропан, бутан, где атомов углерода еще больше. Когда соединяется шесть атомов углерода, газ становится жидкой субстанцией, и нужно разработать технологию получения этой длинной цепочки, – поясняет Юрий Медведев. – А если газ превратить в жидкое состояние, то рентабельность предприятия вырастет в целом в 2-3 раза, ведь тогда газ можно использовать как бензин марки АИ-72, выручить дополнительные деньги от продажи и значительно сэкономить на доставке топлива на месторождения.

Твердый результат

В процессе работы над установкой по сжижению газа ученым удалось получить и твердую фракцию в виде нанодисперсного углерода и чистого водорода – высокотехнологичных веществ, очень ценных на мировом рынке.

Мелкодисперсный углерод (МДУ) в мировой науке называют материалом завтрашнего дня. Стоимость всего одного грамма этого нанопорошка сегодня составляет около 100 долларов – примерно столько же стоит тысяча кубометров газа. Столь большая цена наноуглеродов, получаемых из природного газа, объясняется в первую очередь высокой себестоимостью – в мировой практике из одной тысячи кубометров газа научились получать считанные граммы МДУ. При этом область применения наноуглеродов простирается от биологии и медицины до нового поколения электроники и машиностроения. С помощью МДУ можно делать нанотранспортные средства для точной доставки лекарственных средств для лечения рака, СПИДа и других, сверхпрочные, сверхэластичные материалы, новые типы электронных устройств (гибкие дисплеи, микрочипы, носители информации) и т.д.

– Изделия с применением нанодисперсного углерода в 50 раз прочнее, чем самые прочные стальные нити, – поясняет Юрий Медведев, – причем необычайную прочность и эластичность приобретает любой химический состав – цемент, асфальт, стоит только добавить в него наноуглероды, менее одного процента по весу. Это как внутренняя арматура. К примеру, импортны екраски для автомобилей сделаны на основе нанодисперсного углерода. И перспективы у этого вещества колоссальные, в покупке сегодня заинтересованы Германия, Япония, США.

Четыреста граммов

Само по себе получение нанодисперсного углерода не было бы инновационным достижением, если бы не одно большое «НО». Уникальность технологии томских ученых, основанной на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, заключается в том, что по сравнению с существующими в мире производствами она позволяет получать из одной тысячи кубов газа в сотни раз больше МДУ.

– В природе углерод существует в двух формах: графит и алмаз, графит – дешевый, алмаз – дорогой. Аналогично этим формам и у нас получилась смесь из аморфного углерода, который не имеет структуры, и пиролизный в виде фуллеренов и нанотрубок, которые имеют кристаллическую структуру. Из тысячи кубометров газа по новой технологии можно добыть 400 кг такой смеси (в соотношении 50 на 50) и почти 1600 кубометров чистого водорода, – говорит профессор.

То есть томский способ добычи твердой смеси оказался самым экономичным в мире: конверсия составляет 80% (за рубежом пока около 10%), а энергозатраты на получение одного килограмма такого наноуглерода и двух кубометров водорода составляют всего около 400 рублей.

Таким образом, говорят томские ученые, прибыль от продажи природного газа (точнее, продуктов его глубокой переработки) может быть гораздо больше, нежели сегодня.

При этом переработка газа в твердые фракции очень выгодна для отдаленных скважин, откуда невозможно транспортировать попутный газ. А в твердом виде его можно попросту запаковать в мешки и доставить на большую землю вертолетом. Водород же можно сжечь, получив экологически чистое тепло и электроэнергию.

Проект в раздумье

Сначала проект финансировал «Востокгазпром» – в общей сложности было выделено около 80 млн рублей. (С 2002 по 2009 год Юрий Медведев работал в компании «Томскгазпром», привлекая томских физиков, химиков к решению разных технологических задач предприятия.)

– Но потом наверху произошла смена руководства, в «Газпроме» потеряли интерес к этому проекту, и в 2008 году отдел новых разработок при ОАО «Томскгазпром» был ликвидирован, – рассказывает профессор Медведев. – Мы успели создать две лабораторные установки. С использованием СВЧ-энергии – для получения нанодисперсного углерода. СВС-конвектор (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) – для получения синтетической нефти. Но промышленную НИОКР создать не успели.

Сегодня Юрий Медведев руководит НТЦ «Конверсия» при ТГУ, а ректор университета Георгий Майер обратился с просьбой продолжить финансирование проекта к руководству ОАО «Томскнефть», и установка по утилизации газа заинтересовала генерального директора компании Владимира Пальцева.

– Мы считаем: первое, что сегодня нужно – получение синтетической нефти, моторного топлива. И предлагаем нефтяникам прямо на месте попробовать перевести попутный газ в жидкое состояние – в синтетическую нефть, – завершает Юрий Медведев. – Но Владимира Пальцева пока больше заинтересовала именно технология получения твердой фракции – нанодисперсного углерода. Хотя, я считаю, что пока это технология будущего – она будет востребована только через 5-10 лет.

 

– Когда на месторождениях сжигают попутный газ, выделяется СО2 – парниковый газ, – поясняет экологическую составляющую проекта Юрий Медведев. – Когда сжигаем водород – на выходе пары воды (Н2О) плюс тепло и электроэнергия. Так, в США космические ракеты работают на жидком кислороде и водороде, выделяется гигантская энергия и поток воды. У нас же при старте ракеты получается ядовитый столб, а отстыкованные части ракеты представляют собой токсичные отходы, которые падают в бакчарские болота и отравляют местность. Если же машины будут ездить на водороде, в городах будет оазис, поскольку будут выделяться только пары воды.

 

прямая речь

– Это проект с большими политическими последствиями. Сегодня срок жизни месторождения — около 15 лет: оно как шина – прокололи, воздух вышел, и все. Мы же предлагаем другой путь, – говорит Юрий Медведев. – Вместо того чтобы строить газопроводы в Европу, а потом покупать продукты из составляющих газа, лучше самим перерабатывать газ и продавать продукт, полученный на его основе. Томские физики и химики уже научились соединять атомы углеводорода в цепочки, если мы научимся соединять атомы углерода и водорода и получать пластмассу из газа (для этого нужны фундаментальные исследования), тогда рентабельность возрастет во много раз. Но сегодня никто не хочет иметь головную боль: переход на нанотехнологии потребует нового оборудования, многого другого, а это очень сложно. Но, думаю, найдутся здравомыслящие люди, ведь жизнь развивается по объективным законам. Хочу подать заявку на наноуглерод. Если нам выделят деньги, мы сделаем установку, и через 5 лет все поймут, что за этим будущее.

 

Установка нагревает природный газ до температуры около 5 тысяч градусов с использованием СВЧ-энергии, и всего за 2-3 минуты получаем несколько граммов углерода в виде нанотрубок