Кристаллы, очищающие природный газ

Кристаллическое строение металлоорганической каркасной структуры AlFFIVE-1-Ni (многоугольники — фрагменты AlF52−)

В Научно-технологическом университете имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия) разработана металлоорганическая каркасная структура, повышающая эффективность очистки природного газа от нежелательных примесей — сероводорода и углекислого газа («Nature Energy», 2018, doi: 10.1038/s41560-018-0267-0).

Вероятно, это поможет получать природный газ в более чистом виде и, соответственно, более эффективно использовать его запасы. Основной компонент природного газа — метан CH₄, но в нем также содержатся другие газообразные углеводороды и загрязняющие примеси (сероводород и углекислый газ — самые распространенные). Удаление примесей из природного газа позволит добиться более полного и чистого сгорания природного газа и снизит образование оксидов серы. Предполагается, что новый материал сможет удалять H₂S и CO₂ не только из природного газа, но и из других газов, применяющихся в химической промышленности.

Исследование химиков из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы ведется в рамках программы развития Саудовской Аравии. Согласно ей, к 2030 году Саудовская Аравия за счет сжигания природного газа должна получать до 70% энергии.

Металлоорганические каркасные структуры (MOF) — это ионы или кластеры металлов, связанные друг с другом с помощью органических молекул (линкеров). Такая архитектура позволяет получить правильную кристаллическую решетку с порами большого размера. Варьирование линкеров, металлов и/или кластеров позволяет менять размер пор, каркаса и его реакционную способность, что дает возможность применять MOF в самых различных областях. По словам исследователей, самая главная проблема в создании новой металлоорганической каркасной структуры была в подборе элементов структуры, которые проявляли бы одинаковую селективность связывания к обоим веществам, загрязняющим природный газ — и к H₂S, и к CO₂.

Металлоорганические каркасы, которые можно применять для очистки природного газа от H₂S, или CO₂, уже существуют, но они могут поглощать либо сероводород, либо углекислый газ. Дело в том, что ионы металлов по-разному взаимодействуют с серой, входящей в состав H₂S, и кислородом углекислого газа — выделяют «тиофильные» ионы (имеющие большее сродство к сере) и «оксофильные» (имеющие большее сродство к кислороду). Из-за этого ранее полученные MOF, способные очищать природный газ от сероводорода, не могли поглотить CO₂, и наоборот.

Один материал, способный поглощать оба типичных загрязнителя природного газа, весьма заманчив для промышленной очистки газообразных углеводородов. В перспективе исследователи собираются посмотреть, как эта структура будет очищать природный газ в промышленных масштабах, и, если это возможно, еще в большей степени увеличить эффективность очистки.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 12/2018) на с. 8.