Извлечение и утилизация диоксида углерода

Несмотря на растущее число мер по смягчению последствий глобального изменения климата, антропогенные выбросы диоксида углерода (СО2) с каждым годом увеличиваются и на настоящий момент достигают почти 40 Гт в год, что подтверждается данными Emissions Database for Global Atmospheric Research – EDGAR. Рост антропогенных выбросов СО2 приводит к увеличению среднего его содержания в атмосфере, которое на данный момент составляет порядка 420 ppm. Развитие низкоуглеродной экономики в Российской Федерации имеет важное значение, поскольку Россия входит в пятерку мировых лидеров по выбросам диоксида углерода, что подтверждается открытыми данными EDGAR. В 2019 году выбросы CO2 в России составили ~ 5% мировых. Углеродоемкость экономики России составляет 445 кг СО2/$k ВВП, что выше значений Европы (148 кг CO2/$k ВВП) и США (245 кг CO2/$k ВВП) и близко к показателям Китая (511 кг CO2/$k ВВП) – лидера по выбросам CO2. Поэтому вопрос снижения выбросов СО2 для развития низкоуглеродной промышленности в России, стоит достаточно остро, что обусловливает актуальность развития технологий улавливания и переработки СО2 в различные продукты. Для решения поставленных задач в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ордена Трудового Красного Знамени Институте нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) в 2022 г. создана новая молодежная лаборатория «Извлечение и утилизация диоксида углерода» по направлению «Климатические исследования», ориентированная на достижение результатов для решения задач Федеральной научно-технической программы в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021 – 2030 годы и важнейшего инновационного проекта государственного значения, направленного на создание и развитие «Единой национальной системы мониторинга климатически активных веществ». Мембранные технологии (в частности, мембранное газоразделение) рассматриваются как один из наиболее перспективных подходов для улавливания CO2 и в качестве альтернативы традиционной алканоламиновой абсорбционной очистки газов от кислых примесей. В связи с этим исследовательские группы разных стран активно работают над разработкой новых материалов и высокоэффективных мембран, применением имеющихся на рынке коммерческих мембран и проведением экспериментальных испытаний специально разработанных высокоэффективных композитных мембран для улавливания CO2 из различных потоков газов с особым акцентом на очистку сбросных газов предприятий сектора энергетики (дымовых газов). Промышленные газоразделительные мембраны преимущественно выполнены на основе стеклообразных полимеров, для которых характерен удовлетворительный баланс между селективностью и проницаемостью, а также устойчивость к условиям эксплуатации. В то же время стеклообразные полимеры являются неравновесными материалами. Они подвержены физическому старению, во время которого их структура релаксирует до равновесного состояния, что приводит к изменению их транспортных, разделительных, механических и некоторых других свойств. Релаксация неравновесного свободного объема сопровождается уменьшением во времени газопроницаемости мембран. Стеклообразные полимеры с высоким свободным объемом обладают высокой проницаемостью по CO2, что делает их привлекательными материалами для разработки мембран для улавливания CO2. Однако эффект "старения" для мембран на основе стеклообразных полимеров с большим свободным объемом, например, поли(1-триметилсилил-1-пропин)а (ПТМСП), поли-4-метилпентин-1-а (ПМП), полибензодиоксана (PIM-1), тефлона AF, сополимеров Hyflon AD, полинорборненов и т.д., выражен особенно ярко. Существует несколько подходов для предотвращения эффекта старения полимеров: добавление в полимерную матрицу непористых и пористых материалов, постмодификация готовых мембран путем сшивания полимера, сочетание сшивки и добавления наночастиц. Варьирование структуры полимерной добавки с жестким каркасом позволяет контролировать эффект старения стеклообразных полимеров с высокой долей свободного объема. Однако следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве исследований по предотвращению старения мембран речь идет о плотных полимерных пленках толщиной 30 мкм и более. В то же время стеклообразные полимеры, обладающие высокой долей свободного объема, более перспективны для использования в композиционных мембранах в виде тонких слоев толщиной от сотен нанометров до 3-4 мкм. Это могут быть как селективные, так и промежуточные «отводящие» слои (т.н. «gutter layer») композиционных мембран. Стоит отметить, что при разработке композиционных мембран для улавливания CO2 из дымовых газов вопросам оптимизации подложек для мембран, удовлетворяющих условиям данной технологии, уделяется сравнительно мало внимания. Учитывая это, сотрудники ИНХС РАН разработали композиционную мембрану с тонким селективным слоем из ПТМСП – перспективную устойчивую к растворителям высокопроницаемую подложку для дальнейшего нанесения СО2-селективных материалов. Кроме того, при разработке технологии мембранного газоразделения для выделения СО2 из дымовых газов важно изучение стабилизирующего влияния различных наполнителей на транспортные свойства селективных слоев в композиционных мембранах. Направления исследований лаборатории «Извлечение и утилизация диоксида углерода» ИНХС РАН заключаются в создании основ технологий улавливания и конверсии СО2 в ценные продукты крупнотоннажной и малотоннажной химии в пяти условных группах: (1) мембранные и адсорбционные методы улавливания СО2 из сбросных газов; (2) регенерация абсорбентов аминной очистки газов от СО2; (3) конверсия СО2 в углеводороды топливного назначения; (4) вовлечение СО2 в синтез аминов, спиртов; (5) получение высокомаржинальной продукции (изоцианаты, функционализированные кислоты) с использованием СО2. Таким образом, исследования в направлении 1.1 (мембранное газоразделение для улавливания СО2) посвящены попытке дальнейшего улучшения стабильности композиционных мембран в рамках разработанного подхода.