«Решето» для кислорода

Очень часто, когда мы говорим «воздух», мы имеем в виду кислород. Почему? Потому что с воздухом у нас ассоциируется дыхание, а дыхание без кислорода, как мы знаем, невозможно. Ведь именно ради него мы втягиваем воздух в свои легкие. Хотя кислорода в воздухе – всего 20%, то есть пятая часть, и почти 80% приходится на азот.

К чему я привожу эти школьные истины? Дело в том, что чистый кислород (именно чистый!) – это очень ценный химический реагент, востребованный в промышленности. Ежегодно для получения необходимых химических реакций требуется до 80 миллионов тонн чистого кислорода. Одна из таких химических реакций связана с частичным окислением метана, которого очень много содержится в природном газе, добываемом из недр (особенно много его в сибирском газе). Неполное окисление метана дает нам синтез-газ – ценнейший полупродукт, состоящий из смеси угарного газа и водорода. Угарный газ является сырьем для получения метанола (метилового спирта). Метанол, в свою очередь, является первичным продуктом для производства всей «химической» органики, включая полимеры. Кроме того, метанол сам по себе является весьма перспективным топливом. Водород также является хорошим топливом. К тому же его используют для синтеза аммиака. Аммиак же, со своей стороны, – это «хлеб» для целого ряда химических производств.

Таким образом, получение синтез-газа с помощью чистого кислорода – занятие достаточно прибыльное и важное. Ежегодно промышленность производит миллионы тонн метанола, аммиака и их производных.

А кроме того, с помощью частичного окисления этана и пропана (также содержащихся в природном газе) можно еще получать этилен и пропилен, а далее – столь популярные у нас материалы, как полиэтилен и полипропилен. И чистый кислород является во всех этих процессах ключевым звеном. Вопрос только в том, во сколько нам обойдется получение данного реагента?

Казалось бы, чего проще? Кислорода достаточно много в окружающем нас воздухе. Однако есть одна серьезная сложность – отделение кислорода от азота. Дело это весьма накладное. Кислород в настоящее время получают методом так называемой криогенной дистилляции. Воздух охлаждается до очень низких температур (примерно 190 градусов со знаком «минус»), и при этих температурах азот отделяют от кислорода. Процесс этот достаточно затратный. Для производства чистого кислорода нужно строить специальные предприятия, «начиненные» мощными компрессорами. В итоге стоимость синтез-газа – основного компонента в указанной технологической цепочке – также остается достаточно высокой.

А нет ли возможности брать кислород непосредственно из воздуха там, где он применяется в качестве реагента? Например, при производстве синтез-газа? То есть без использования дополнительных предприятий, без замораживания. Нельзя ли сразу установить своеобразный фильтр для азота, чтобы на выходе получать чистый кислород? Оказывается, такая возможность есть. Точнее, она появилась благодаря сотрудникам Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, создавших специальную мембрану, способную «отцеживать» кислород, производить разделение газов, входящих в состав воздуха.

Не будем в данном случае воспроизводить мудреные названия ввиду их сложности для запоминания. Принцип действия тут таков. Представьте себе пластинку или трубку, которая при комнатной температуре вообще не пропускает воздуха. Но если ее нагреть до 600 градусов, то она начнет пропускать только кислород! Если такую пластину встроить в специальное устройство и обдувать воздухом, то с обратной стороны вы получите как раз нужную вам «струю» чистого кислорода.

То есть не надо никаких специальных заводов, никакой криогенной дистилляции! Собрали это устройство, подключили, и все – получайте на производстве нужные реакции. Реагент поступает к вам,  условно говоря, прямо из трубы. На входе – воздух, на выходе – чистый кислород. Все просто и экономно.

Как сказал по этому поводу один из авторов данной разработки – заместитель директора ИХТТМ СО РАН Александр Немудрый, – получение чистого кислорода подобным способом – просто мечта для химика. О том, какие перспективы открываются у производителей указанных выше химических продуктов, и говорить не приходится. По словам Александра Немудрого, применение кислородных мембран снизит себестоимость производства столь востребованного в химической промышленности синтез-газа на 30 процентов.

По большому счету, внедрение данной разработки может существенно повлиять на экономическую стратегию нашего государства. Удивляться не стоит. Сегодня мы в огромных количествах качаем природный газ, продавая его, что называется, в сыром виде. Для высокотехнологичной державы это как-то не к лицу. Было бы лучше сразу перерабатывать газ во что-то более ценное и, конечно же, более дорогое. Причем, перерабатывать прямо на месте. В одной из предыдущих публикаций мы уже говорили о выгодах переработки природного газа (на 90% состоящего из метана) в метанол. Причем – прямо у скважины. Для этого предлагаются разные технологии, но все они пока еще находятся в стадии разработки.

Как мы понимаем, если будет решен вопрос с дешевым получением чистого кислорода, то тогда процесс превращения  метана в жидкий метанол оптимизируется настолько, что получит масштабное применение прямо в местах газодобычи. А это уже шаг вперед не только в вопросах экономики, но и в вопросах энергетики. Ведь метанолу, как мы уже когда-то писали, некоторые ученые прочат роль топлива будущего.

Естественно, ученые ИХТТМ СО РАН отвечают здесь только за свою часть работы, а именно за качество созданного материала, за качество самой мембраны. Здесь у них никаких сомнений нет. Уже созданы специальные трубки, с помощью которых апробирован данный процесс. Важно, подчеркивает Александр Немудрый, добиться хорошего потока кислорода. И эта задача решена.

Следующая задача – собрать из таких трубочек отдельную кассету, модуль, чтобы получать не миллилитры кислорода в минуту, а литры. Причем желательно, чтобы данный модуль мог масштабироваться – в зависимости от предполагаемых объемов производства. Скажем, один модуль, согласно тестам, дает сто литров кислорода в час. Если производителю требуется тысяча литров кислорода в час, то, соответственно, вы собираете для него десять таких кассет. Сейчас работа наших ученых находится как раз на этой стадии – на стадии перехода материала к конкретному изделию.

Главный вопрос, который не может нас не волновать: будет ли такое изделие востребовано в отечественной промышленности? То, что в ближайшее время появится экспериментальный образец, никаких вопросов не вызывает. Появится он обязательно. А дальше? Будет очень печально, если промышленное производство таких кассет начнется где-нибудь в Норвегии, в Канаде, а то и в Иране.

Олег Носков