Сделано в Политехе
В Политехе обнаружили вещество намного дороже водорода
Когда профессор, доктор технических наук Игорь Кудинов только начинал работу в опытно-промышленной лаборатории по получению из метана пиролизного водорода, он не подозревал, что вскоре предметом его исследований станет ещё один материал. За четыре года лаборатория обзавелась 10 водородными реакторами различных типов производительностью от одного до 1000 литров в час. В процессе синтеза водорода на стенках реакторов стал скапливаться технический углерод, а в некоторых случаях и пиролитический графит, на который первоначально никто не обращал внимания.
Графит, волокна и чешуйки
– Вообще-то мы не рассчитывали получать углерод, – рассказывает Игорь Кудинов. – Он был побочным продуктом реакции получения водородной или метано-водородной смеси. Однако наши наблюдения показали, что в реакторах образуется как аморфный углерод, так и пиролитический графит нескольких модификаций. Мы стали изучать его под микроскопом, определили кристаллическую структуру, и оказалось, что это качественный товарный продукт, близкий по свойствам к углероду марки Т-900. Его можно использовать в промышленности, например, в качестве сырья для производства автошин. Ведь 70 процентов этого химического вещества в мире идёт на производство резины.
Сегодня в опытно-промышленной лаборатории по производству водорода генерируют несколько разновидностей пиролитического графита. Например, графит с чистотой 90 процентов получается в реакторах без катализаторов при пиролизе в газовой фазе. При работе на реакторах с катализаторами чистота пирографита составляет 70 процентов, остальные 30 – это особые формы углерода, нановолокна, обладающие уникальными физическими свойствами: впечатляющей прочностью (в разы прочнее стали), температурой плавления более 2500 градусов, химической стабильностью, высокой тепло- и электропроводностью.
Графит сейчас – крайне востребованный и дефицитный продукт. Он используется для изготовления огнеупорных материалов, электрических машин и установок, в химической и горнодобывающей промышленности. Из него изготавливают стержневые карандаши, краски, покрытия и аккумуляторные батареи. Графит незаменим в ядерной промышленности
и в других узконаправленных областях. Цена кристаллического графита в 3,5 раза выше стоимости водорода, и с каждым годом объём его мирового потребления увеличивается не менее чем на 20 процентов.
Углеродные нановолокна же могут найти широкое применение в производстве эффективных сорбентов, носителей катализаторов, биологически активных веществ, с их помощью можно облегчить конструкцию современных летательных аппаратов.
Ещё одна, четвёртая, модификация пиролизного углерода, которую синтезируют в Политехе, – наночешуйки. Пока они считаются terra incognita. Известно, что чешуйки появляются при пиролизе метана в жидком металле, имеют размер 100 нанометров в диаметре и несколько нанометров в толщину. Как их выделять из аморфного углерода? Сколько их в нём вообще? Какова область их возможного применения? Ответы на эти вопросы нашим учёным ещё предстоит найти.
В апреле научный коллектив Самарского политеха под руководством Игоря Кудинова вошёл в число 200 победителей конкурса Минобрнауки РФ на создание новых молодёжных лабораторий в подведомственных организациях. Сейчас в опытно-промышленной лаборатории «Нефтегазовые технологии производства водорода и графита» работают пять аспирантов. Планируется принять на работу ещё десять студентов-нефтяников и химиков-технологов.
Научные проблемы, инженерные решения
Одна из серьёзных инженерных задач в области промышленного использования водородных установок связана с проблемой непрерывного удаления углерода из реакторов. Во время процесса пиролиза углеводородных соединений из 4 кг метана на выходе получается 3 кг углерода. Отсутствие технологии его выгрузки из реактора без остановки техпроцесса существенно осложняет повсеместное внедрение такого способа генерации водорода.
Политеховцы уже приблизились к решению этой задачи. Созданные ими устройство и технология удаления графита сейчас находятся на стадии патентования.
К слову, несколько экспериментальных установок пиролиза, не требующих электричества для работы, тоже были сделаны в Политехе. Особенность их в том, что установки питаются от газовых горелок, в которые поступает пиролизируемый этими же реакторами водород. При сгорании водорода получается водяной пар, его охлаждение и конденсация приводят к образованию чистой дистиллированной воды. Таким образом, получение водорода, графита и наноуглерода проходит экологически чистым и экономичным способом.
