Научные достижения химического факультета
22.02.2023
Химики МГУ предложили эффективный
промышленный катализатор для обессеривания топлива
На кафедре химии нефти и
органического катализа химического факультета МГУ разработан гетерогенный
катализатор, позволяющий эффективнее обессеривать бензин. Разработку
экономически выгодно внедрить, говорят авторы. По эффективности она сравнима с
самыми качественными аналогами, которые получаются дорого, долго и сложно, но
не могут быть масштабированы из-за типа исходного сырья. Результаты
исследования опубликованы в научном издании ACSOmega.
С увеличением потребления
ископаемого топлива растёт и вред экологии планеты. Дело не только в угарном и
углекислом газах – крайне токсичны для окружающей среды соединения серы, при
сгорании которых образуются летучие оксиды. Высокое содержание сернистых газов
в атмосфере приводит к выпадению кислотных дождей, вредящих природе и здоровью
населения. Поэтому содержание соединений серы в топливе строго регулируется
законодательством во всём мире: на сегодня установлена допустимая их
концентрация 10 мг/кг топлива.
Самой распространённой в
промышленности технологией удаления серы и её соединений остается гидроочистка
– каталитическая обработка бензина и дизеля водородом, позволяющая снизить
общее содержание серы до ультранизких значений. Но эта процедура обладает рядом
недостатков. Например, необходимостью создавать и поддерживать высокие значения
температуры и давления и найти источник дешёвого чистого водорода. Только
большие НПЗ могут позволить себе поддержание такой системы десульфуризации,
поскольку там есть устройства для риформинга, обеспечивающие поток дешёвого
водородсодержащего газа. В результате этого процесса получаются продукты
восстановления серы.
Если вы не большой НПЗ, выгодным
становится двухстадийное окислительное обессеривание бензина, которое не
требует использования водорода, больших затрат электроэнергии, более дешёвое и
экологичное.
На первой стадии протекает
окисление серосодержащих соединений. В качестве реагента-окислителя могут быть
использованы кислород воздуха, озон, пероксокислоты и пероксиды. Ученые считают
самым перспективным использование пероксида водорода. Взаимодействие H2O2 с
топливом эффективно протекает при невысокой температуре, что ещё больше снижает
стоимость и повышает экологичность такого способа обессеривания бензина. В
результате окисления получаются полярные вещества, легко отделяемые от топлива
в ходе экстракции с помощью доступных растворителей, а продукт восстановления
перекиси водорода – вода.
Очистка топлива требует
присутствия катализатора в системе. Именно он определяет скорость,
эффективность и селективность взаимодействия окислителя с компонентами топлива.
"Главное, не затронуть вещества, определяющие свойства топлива –
полициклические углеводороды, ароматические компоненты, потому что это напрямую
ведёт к снижению качества продукта", -- поясняет соавтор работы Аргам Акопян, к.х.н.,
доцент кафедры химии нефти и органического катализа Химического факультета МГУ.
Разработка альтернативных
методов обессеривания топлива – это, фактически, конструирование наиболее
подходящего катализатора. Чтобы сравнивать их между собой, используют так
называемое модельное топливо – смесь дибензотиофенов, которые часто содержатся
в керосиновых и дизельных фракциях.
Сейчас в большинстве систем
используются гомогенные катализаторы – соли переходных металлов, вольфрам-содержащие
ионные жидкости, чистый молибден, механизм действия которых заключается в
стабилизации активных пероксокомплексов на поверхности. Жидкофазные
катализаторы сложны в регенерации и имеют маленькую контактную поверхность с
топливом. Использование же иммобилизации жидкости на твёрдой подложке помогает
устранить эти недостатки.
В качестве матрицы для
закрепления катализаторов зачастую используется диоксид титана, который и сам
катализирует окисление соединений серы. Однако активно катализ протекает лишь
при облучении УФ, что приводит к разложению перекиси водорода.
Многими исследовательскими
группами в настоящее время ведётся разработка гетерогенных катализаторов на
основе TiO2, не
требующих использования УФ-лучей. Такой интерес именно к оксиду титана вызван
его превосходными механическими параметрами, стойкостью к химическому
воздействию, нетоксичностью и доступностью, как экономической, так и рыночной.
Ведутся и разработки, связанные с уменьшением необходимого времени для полной
конверсии серы в сырье. Уменьшение этой характеристики достигается за счёт
получения бифункционального катализатора на основе оксида титана, в структуру
которого вводится кислотная группа и атом переходного металла. Катализаторы
такого типа уже присутствуют на рынке, однако очень дороги, поскольку синтез
осуществляется на дорогостоящих темплатах.
Итак, перед исследователями
стоит задача разработать гетерогенный катализатор на основе диоксида титана,
который за короткий срок сможет предоставлять десульфуризацию топлива, по
эффективности сравнимую с гидроочистительным процессом.
Сотрудники кафедры химии нефти
и органического катализа химического факультета МГУ предложили новую структуру
такого катализатора и разработали путь его синтеза. Предлагаемый композит
представляется собой оксид титана, к поверхности которого химически пришиты
сульфогруппы, обработанные гептамолибдатом аммония. Сульфогруппы не только
катализируют окисление серосодержащих соединений, но и предотвращают вымывание
гептамолибдата аммония с поверхности системы.
"Ранее наша группа уже
разработала катализатор, способный в разы уменьшать содержание серы в модельном
топливе за 5 минут, -- рассказывает Аргам Акопян. -- В этой работе мы
попытались создать эффективную систему десульфуризации, которая может быть
сконструирована из промышленно доступных веществ. Мы получили катализатор,
способный за 10 минут уменьшить содержание серы в модельном топливе в 10 раз
при температуре всего 80 градусов. Наша разработка по эффективности может
конкурировать с известными аналогами, которые получаются дорого, долго и сложно
и не могут быть масштабированы из-за типа исходного сырья".
Эффективность катализатора была
проверена в лабораторных условиях: миллилитры топлива обессериваются
несколькими миллиграммами такого катализатора – около 0,5% по массе всей
системы. Ученые провели и модельную очистку дизельной фракции – это удалось
сделать на 88%. В дальнейшем исследователи планируют предложить оптимальные
условия для более полного обессеривания нефтяных фракций.
С научной публикацией можно ознакомиться по ссылке:
Polina D. Polikarpova, Anna O. Koptelova, Anna V. Vutolkina, and Argam V. Akopyan
Combined Heterogeneous Catalyst Based on Titanium Oxide for Highly
Efficient Oxidative Desulfurization of Model Fuels
ACS Omega 2022 7 (51), 48349-48360
DOI: 10.1021/acsomega.2c06568
Фото: Александра Кучерова