Для эффективного поглощения нефти ученые из Центра новых химических технологий ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разработали специальную углеродистую пену.

В разработке соединились высокая термическая и химическая стойкость, низкая плотность и высокоразвитая внешняя поверхность. Углеродистая пена имеет «ажурную» трехмерную структуру, которая заметна невооруженным взглядом. По словам ученых, размер ячеек, а также другие характеристики инновационного материала меняются в зависимости от используемого сырья и метода синтеза.

• Созданный на основе пропан-бутановой смеси пеноуглерод, отличается легкостью и плотностью 0,02 г/см3. В его составе чистый углерод без примесей.

Эксперты Центра новых химических технологий (ЦНХТ) ИК СО РАН отмечают: сырьем для производства пеноуглерода могут стать тяжелые нефтяные фракции и отходы нефтепереработки.

«Мы взяли техническую пропан-бутановую смесь — один из товарных продуктов нефте- и газопереработки. Методом пиролиза из этих газов получают алкены, а образующиеся при этом жидкие пиролизные смолы становятся побочным нежелательным продуктом. В нашем процессе жидкие продукты пиролиза углеводородных газов являются продуктом целевым — предшественником пеноуглерода. Если развивать технологию, то пеноуглерод можно будет получать в промышленных масштабах, вторично используя многотоннажные технические отходы, и он будет доступным». (Евгения Райская, один из авторов исследования, младший научный сотрудник отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН)

Из-за высокой степени чистоты разработку можно использовать в медицине, но ученые намерены применять пеноуглерод для решения экологических проблем, в частности – для устранения розливов нефти. Сегодня подобные катаклизмы стали серьезной проблемой для окружающей среды. Например, в 2022 году разлив нефти в США стал причиной попадания в воду 14 тыс. баррелей (1,9 тысяч тонн) этой природной горючей жидкости.

«Углеродная пена — очень эффективный сорбент. Нефть заполняет большой внутренний объем материала, а низкая плотность и гидрофобность обеспечивают длительную плавучесть такого пеноуглерода на поверхности воды. Высокая химическая и структурная однородность полученной углеродной пены обеспечивает хорошую термостойкость и регенерируемость сорбента. После использования пеноуглерод с абсорбированной нефтью прокаливают на воздухе при температуре до 550 ℃ — основная часть нефти сгорает, а материал можно использовать снова. Наша пена выдерживает десятки таких циклов при извлечении из воды нефти, бензина и дизельного топлива», — говорит Райская. Сорбционная емкость материала очень высокая: 1 грамм сорбента способен впитать 20 граммов нефти, в то время как традиционные сорбенты способны поглотить не более 10 граммов». (Евгения Райская)

Благодаря термостойкости и устойчивости к кислотам пеноуглерод не разрушается даже при воздействии серной кислоты, а структура его пены препятствует движению высокоскоростных потоков. Данная функция важна для многостадийных каталитических реакций: она способствует снижению времени контакта и повышению селективности.

В качестве нового материала углеродная пена появилась в 1970-х гг. С тех пор ученые миры разрабатывают собственные пеноуглероды, обладающие уникальными свойствами.

«Материалы получают из тяжелых продуктов нефтепереработки, оксида графита, полимеров, растительной массы. В качестве способов используют сборку графеновых слоев, сжатие и сброс давления, темплатную карбонизацию и т.д. Эти способы требуют нескольких стадий, специальных условий и дополнительных реагентов». (Ольга Бельская, соавтор работы, ведущий научный сотрудник отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН, к.х.н.)

• Синтез углеродной пены при атмосферном давлении без добавления вспенивателей проходит в два этапа. Для образования пиролизных смол (полиароматических молекул) на начальной стадии пропан-бутановую смесь нагревают до 850℃. Под воздействием высокой температуры происходит конденсация молекул и образуется мезофаза - предшественник пеноуглерода. На стадии вспенивания открываются углеводородные цепочки, связывающие полиароматические слои, и образуются газовые пузыри.

«Слои становятся подвижными и обволакивают эти пузыри. Этот процесс можно сравнить с образованием мыльной пены. Вспенивание происходит при высокой температуре и сопровождается карбонизацией. В общем, формирование мезофазного предшественника, содержащего одновременно газо- и структурообразующие компоненты, — это ключевая стадия технологии». (Ольга Бельская)

В составе углеродной пены может быть не только пропан-бутановая смесь. Для разработки мезофазного предшественника подойдут и другие углеводородные фракций, в том числе побочные продукты производства, в которых есть поликонденсированные ароматические молекулы.