Ученые синтезировали катализаторы для очистки нефтепродуктов от серосодержащих органических веществ, которые при сгорании топлива в двигателях превращаются во вредные летучие соединения. Новые катализаторы позволили удалить серу из образцов дизельного топлива с эффективностью до 78% при комнатной температуре всего за 15 минут. Работа важна для создания энергоэффективных и безопасных технологий получения качественного и экологичного топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Industrial and Engineering Chemistry.
Из-за высокого спроса на бензин, дизельное топливо, авиационный керосин и моторные масла для их производства все чаще используют трудноперерабатываемое низкокачественное ископаемое сырье — тяжелые высокосернистые нефти. Вместе с тем требования к качеству топлив постоянно ужесточаются, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду при их сгорании. Прежде всего, жесткие ограничения накладываются на содержание серы: при сгорании серосодержащих соединений образуются вредные летучие вещества, в частности оксиды серы, которые ухудшают качество воздуха и могут приводить к кислотным дождям. Поэтому современные экологические нормы ограничивают содержание серы в широко используемом моторном топливе класса 5 до 10 миллионных долей (10 миллиграмм на килограмм топлива и менее).
Чтобы соблюсти эти нормы, нефтеперерабатывающие компании очищают топливо от серы. Традиционно для этого используют гидроочистку — технологию каталитической обработки топлива при высоких температуре и давлении водорода. Однако такой способ энергозатратен и не всегда справляется с трудноудаляемыми соединениями серы — так называемой «остаточной» серой. В этом случае решением проблемы может стать окислительная десульфуризация — окисление серосодержащих соединений в присутствии катализаторов. Продукты такого окисления затем удаляют из топлива экстракционными методами. Ключевой задачей при этом остается разработка катализаторов, позволяющих эффективно и быстро окислять серу в «мягких» условиях.
Химики из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва) разработали эффективные и стабильные катализаторы, позволяющие очищать нефтяные фракции от соединений, содержащих серу, при комнатной температуре.
За основу авторы взяли традиционный для промышленных катализаторов носитель — оксид алюминия, к поверхности которого в разных количествах химически «пришили» оксид молибдена и сульфогруппы, которые служат активными центрами и обеспечивают превращение сероорганических соединений. Затем на поверхности полученных материалов «закрепили» гидрофобные («боящиеся» воды) органические молекулы. Это позволило избежать не только слипания частиц катализатора и тем самым повысить его активность, но и улучшить стабильность.
Химики протестировали полученные катализаторы в реакции окисления образцов модельного — приготовленного с использованием отдельно взятых «чистых» химических соединений — и реального дизельного топлива. Модельное топливо представляло собой органический растворитель с определенным количеством наиболее трудно удаляемого серосодержащего соединения — дибензотиофена. Такой подход позволил изучить активность катализатора в контролируемых условиях без влияния сложного состава реального топлива. Дизельное топливо, использованное в работе, содержало смесь нескольких сероорганических соединений, а также другие стандартные для продуктов нефтепереработки компоненты.
Эксперимент показал, что один из новых катализаторов всего за 15 минут при комнатной температуре (25°C) окисляет почти 100% серосодержащих соединений в модельном топливе и 78% — в реальном дизельном. При этом процесс оказался селективным — окисление не затронуло ценные углеводороды.
«Полученный нами катализатор демонстрирует высокую активность в сероочистке и при этом работает в мягких условиях. Кроме того, благодаря функционализации поверхности такие катализаторы обладают гидрофобными свойствами, а потому не подвержены вымыванию активного компонента, что обуславливает их высокую стабильность», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Аргам Акопян, доктор химических наук, доцент кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
«Мы надеемся, что наша разработка станет важным шагом к созданию технологических решений, которые в сочетании с действующими процессами позволят повысить эффективность глубокой переработки углеводородного сырья, расширить сырьевую базу при получении ценных нефтепродуктов, решить вопросы ресурсосбережения, энергетической и экологической безопасности. В дальнейшем мы планируем адаптировать разработанные нами катализаторы к применению в окислительной сероочистке тяжелого нефтяного сырья, оптимизировать условия процесса и предложить эффективные методы отделения продуктов окисления от ценных углеводородов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Вутолкина, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории катализа и нефтехимического синтеза химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.