Учёные Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) вместе с коллегами из Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского создали инновационную технологию газоразделения, которая позволяет получать «драгоценный» ксенон и другие высокочистые газы из природного газа. Совмещение и проведение оптимизации  уже известных методов разделения газов позволило вывести такую технологию на новый уровень по целому ряду показателей, например, степени выделения высокочистого ксенона. В настоящее время коллектив исследователей работает над улучшением ключевых параметров — синтезирует более производительные и селективные мембраны, оптимизирует конструкции аппаратов ректификационной колонны. Внедрение новой технологии на опытной промышленной площадке планируется во II квартале 2025 года. Результаты научной работы опубликованы в высокорейтинговом отраслевом научном издании Separation and Purification Technology, исследование поддержано Российским научным фондом.

Напомним, о разделении газов путем ректификации известно с конца ХIX века. Из воздуха и природного газа можно получать различные индивидуальные газы и/или проводить их очистку от различных примесей. Одним из наиболее ценных газовых ресурсов является ксенон — редкий газ земной атмосферы: в одном её кубометре содержится всего лишь 0.08 мл ксенона. Его стоимость в последнее время растет и уже приближается к 10 тыс. рублей за 1 литр. Он чрезвычайно важен в медицине для анестезии и диагностики заболеваний, имеет множество других применений, в том числе в микро- и наноэлектронике, в качестве топлива для космических двигателей. В настоящее время ксеноновые концентраты в основном получают с доменных печей (из воздуха металлургических предприятий), для работы которых требуется большое количество жидкого кислорода. Концентрация ксенона в природном газе на четыре порядка выше, чем в обычном воздухе, однако существующая технология добычи из метана намного сложнее, чем из воздуха, в связи с многокомпонентностью и разностью состава природного газа в зависимости от его месторождения.

Российские ученые вернулись к идее добычи ксенона из природного газа, но уже с применением новой гибридной технологии, совмещающей известные методы газоразделения. Об особенностях такой технологии рассказал один из ее создателей, к.х.н., доцент РХТУ им. Д.И.Менделеева Антон Петухов, также заведующий лабораторией «умных» материалов и технологий в Новомосковском филиале Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева: «Для разделения воздуха на компоненты используются установки, работающие на основе технологий ректификации, адсорбции, мембранной сепарации, а также разных гибридных процессов. Наше исследование посвящено глубокой очистке ксенона до очень высокого уровня (6N и 9N) гибридным методом, включающим периодическую ректификацию и мембранное газоразделение. Коллектив ученых РХТУ,ННГУ и  других ораганизаций разработал физико-химические базисы трех принципиально новых гибридных технологий для химической и электронной промышленности с высокой степенью выделения веществ и повышенной энергоэффективностью. В их число входит и новая совмещенная ректификационно-мембранная схема для получения высокочистого ксенона».

Как пояснил Антон Петухов, современные криогенные разделительные установки путем управления температурой позволяют разделять разные фракции природного газа, а также концентрировать редкие компоненты, содержащиеся в нем. Изначально ученые РХТУ предложили новый способ получения концетрата ксенона из природного газа тоже с помощью  гибридной технологии газогидратно-мембранной очистки. В таком случае разделение газов проводилось в многоступенчатом аппарате колонного типа (проходило селективное разделение многокомпонентоной газовой смеси, имитирующей природный газ) за счет мембранного разделения (где через тоненькую перегородку за счет сорбции и диффузии один газ переходил в следующую колонну быстрее, чем другой) и газогидратного разделения (где компоненты природного газа разделялись за счет разной способности адсорбции газа в газовые гидраты — твердые кристаллические соединения молекул воды и газов).

По данным ученого, в настоящее время более 60% материалов для российских микро- и наноэлектронных производств приходится импортировать, а полученных в России высокочистых газов едва хватает на запросы отечественных микроэлектронных производств.

По словам Антона Петухова, в Менделеевском университете созданы как научно-технологическая схема для крупномасштабного производства, так и готовая технологическая схема для экспериментальной разработки по выделению ксенона таким способом. С помощью той же технологии можно добывать из природного газа диоксид углерода, сероводород и  другие различные газы для электронной промышленности и специальных применений. К работе менделеевцев подключились и нижегородские ученые под руководством доктора химических наук, профессора Владимира Михайловича Воротынцева, стоявшего у истоков разработки различных способов получения высокочистых веществ.

Совместная работа исследователей позволила предложить оригинальные высокоэффективные схемы реализации гибридного процесса глубокой очистки ксенона, выделенного из природного газа, газогидратной кристаллизацией с участием мембранного газоразделения. В новой технологии существенно повысилась степень выделения очищаемого вещества, сократилось время проведения очистки (как следствие — снизились итоговые энергозатраты).

«В ходе реализации проекта были проведен огромный  пул междисциплинарных работ. Получены экспериментальные данные о проницаемости и селективности (идеальной и смесевой) половолоконных мембран при разделении ксенон-содержащих смесей в широком диапазоне температур. Проведены многопараметрический анализ гибридных схем глубокой очистки ксенона в периодической колонне с мембранным разделительным модулем в секции удаления трудноотделимых тяжелокипящих примесей (таких как этан, пропан и диоксид углерода). Проведены сравнительный анализ конфигураций с рециклом ретентата в колонну (для мембран труднопроницаемых для ксенона) и рециклом пермеата в колонну (для мембран легкопроницаемых для ксенона), реализованных с применением пассивного многопоточного теплообменника без дополнительных затрат на подогрев и охлаждение потоков. Показано немонотонное влияние рабочего давления на эффективность гибридного процесса при одновременной вариации параметров мембранной ступени (площадь, соотношение потоков, проницаемость и селективность) и оценен оптимальный диапазон давлений, обеспечивающих выигрыш в производительности со снижением энергозатрат», — поделился подробностями научной работы Антон Петухов.

По словам Антона Петухова, разработка определяющих будущее технологий и проведение ключевых современных исследований невозможны также без оглядки на основные требования «зеленой» экономики и на принципы устойчивого развития.  Он абсолютно уверен в том, что в нашей стране подобных технологий недостаточно (например, технологии декарбонизации в РФ находятся до сих пор на зачаточном уровне, хотя в других странах уже идут полным ходом не только улавливание диоксида углерода, но и его одновременная глубокая переработка в ценные химические продукты).

«Нами показаны возможности оптимизации гибридной технологии глубокой очистки ксенона до степеней 6N и 9N с повышением производительности процесса до 30% на фоне сохранения степени выделения продукта. Результаты расчётно-экспериментального анализа свидетельствуют, что выигрыш по энергоэффективности с одновременным повышением степени выделения очищенного ксенона особенно характерен для задач получения высоких степеней очистки, требующих значительного отбора примесных фракций. Полученный в рамках выполнения проекта объем аналитических данных может стать основой для более широкого анализа вариаций схем и рабочих условий гибридных процессов с использованием алгоритмов нейронных сетей, что позволит выявить дальнейшие пути интенсификации гибридного процесса с одновременной максимизацией всех ключевых показателей эффективности. Что же касается перспектив внедрения, то в настоящее время нами уже достигнута договоренность о проведении первых испытаний новой гибридной технологии на производственной площадке одного из крупных газовых концернов в конце этого года. Внедрение новой технологии планируется во II квартале 2025 года», — подытожил Антон Петухов.