14 декабря 2016
Газета «Наука в Сибири» сообщает, что сибирские ученые с использованием методов математического моделирования предложили способ модифицирования свойства сорбентов углекислого газа. Это позволит в перспективе продлить срок эксплуатации сорбентов, а также эти материалы будут удалять СО2 быстрее и с большей эффективностью.
В работе приняли участие сотрудники Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирского государственного университета. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Chemical Engineering Science».
Сорбенты углекислого газа наиболее востребованы в наркозной технике в медицине, а также в системах коллективного и индивидуального жизнеобеспечения. Удаление углекислого газа нужно, чтобы поддерживать жизнь и работоспособность людей длительное время. Адсорбенты углекислого газа необходимы также для компактных устройств переработки биомассы в водород. Получаемый таким образом высокочистый водород используется для питания топливных элементов, гидрирования жиров, а также для нефтехимии. Кроме того, одним из перспективных путей по решению проблемы парникового эффекта является улавливание СО2 из дымовых газов с помощью сорбентов.
В каждом из перечисленных направлений требуются разработка сорбентов со строго определенными свойствами и возникает задача моделирования этих свойств. При этом сорбенты должны быть регенерируемыми, многоразовыми, очень стабильными, чтобы на протяжении годов эксплуатации они удаляли углекислый газ быстро и в большом количестве.
«Вообще этот процесс (моделирование свойств) — один из навыков, необходимых химикам, специализирующимся в области разработки сорбентов, но для сложных систем необходима помощь профессиональных математиков», — рассказывает сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Владимир Деревщиков.
Задача, возникшая у исследователей Института катализа, заинтересовала их коллег из Института математики. «В процессе общения выяснилось, что многие проблемы, которые изучают в Институте катализа, удобнее формулировать не языком химии, а геометрии», – рассказывает сотрудник ИМ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Малькович.
Для перехода от химической задачи к математической исследователям необходимо было построить адекватную модель, достаточно точно описывающую текстуру сорбента из оксида кальция, и ее изменение, происходящее под действием периодических процессов поглощения и выделения углекислого газа при высокой температуре. Ученым удалось построить такую модель и описать динамику спекания сорбента в терминах дифференциальных уравнений. Это позволило оценить поведение такого важного параметра, как динамическая емкость сорбента в зависимости от количества и продолжительности циклов сорбции/регенерации.
Разработанные в результате совместной работы модели могут найти приложение во многих других областях знаний, связанных с пористыми телами, прежде всего, в материаловедении. Их можно применять для объяснения отдельных эффектов порометрии, при исследовании проницаемости и других характеристик горных пород, для изучения свойств различных катализаторов и керамических материалов.
