Специалисты Сургутского государственного университета (СурГУ) и Томского политехнического университета (ТПУ) научились с помощью электродуговой плазмы превращать тяжелые нефтяные остатки в графитоподобный углерод. Это основа для синтеза карбидных материалов, востребованных в промышленности и электронике. Результаты исследования опубликованы в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processing.
Югре и другим нефтедобывающим регионам важно не только добывать нефть, но и эффективно перерабатывать тяжелые остатки. В их числе и асфальт сольвентной деасфальтизации, который образуется при переработке нефти. Из-за сложного строения и склонности к коксованию (образованию твердого остатка при нагреве) его трудно перерабатывать традиционными методами. Но он содержит много углерода, который можно использовать повторно.
Этот побочный продукт нефтепереработки исследователи обработали током 100 А в течение 30 секунд в электродуговой плазме постоянного тока, без вакуума. При таком процессе возникают очень высокие локальные температуры, из-за чего сложные тяжелые молекулы распадаются, а углерод из них превращается в полезный углеродный материал.
Происходит это при обычном атмосферном давлении — без специализированных вакуумных насосов или закачки газа. Без вакуумной системы конструкция лабораторной установки проще, и в будущем технологию будет легче масштабировать.
«Плазменное воздействие длится около 30 секунд и приводит к образованию графитоподобного углерода. Одновременно происходит удаление значительной части водорода, кислорода, серы и других гетероатомов. По данным CHNS/O-анализа, содержание серы уменьшилось с 6,24 % до 1,56 %, а содержание кислорода — с 1,35 % до менее 0,01 %. На данном этапе мы подтвердили работоспособность метода в лабораторных условиях — технология эффективно „очищает“ материал, оставляя на выходе графитоподобный углерод», — рассказала одна из участниц проекта Валентина Егорова, младший научный сотрудник Научно-образовательного центра Института естественных и технических наук СурГУ.
По ее словам, чтобы применять метод на практике, нужно наладить непрерывную подачу сырья и очистку газов, а также понять, сколько тратится энергии и сколько прослужит оборудование.
Полученный материал специалисты использовали как сырье для карбидов кремния и хрома — твердых и жаростойких соединений. Синтез проводили с помощью электродуговой плазмы при 200 А в течение 60 секунд.
«Содержание углерода в продукте достигло 96,94 %, а потеря массы при нагреве до 1030 °C составила 2,74 %, что свидетельствует о высокой термической устойчивости. В материале были обнаружены графитоподобные области, углеродные нанообъекты сферической формы и полиэдрические частицы графита. Полученный углерод мы использовали для синтеза карбидов: содержание карбида кремния составило 85 % после отжига, а содержание карбида хрома — 84 %», — подчеркнула Валентина Егорова.
Карбид кремния отличается высокой твердостью и устойчивостью к нагреву — его применяют в шлифовальных материалах, огнеупорах, нагревателях и электронной технике. Карбид хрома идет на защитные покрытия и детали, работающие в условиях износа и высоких температур. В быту и промышленности такие материалы используют в абразивных кругах, тормозных системах, режущем инструменте и электронных устройствах.
Этот метод открывает возможность рассматривать такие остатки как дополнительный источник углеродного сырья. В дальнейшем это поможет сократить накопление отходов, расширить ассортимент продукции нефтеперерабатывающих предприятий и развить региональные производства углеродных и керамических материалов.
«Югра располагает значительными объемами углеродсодержащего сырья, включая тяжелые остатки нефтепереработки. Наша задача — научиться не просто утилизировать их, а получать из них полезные материалы. Проведенное исследование показывает, что такой подход принципиально возможен: нефтяной остаток может стать сырьем для графитоподобного углерода и карбидов, применяемых в современной промышленности», — подытожила руководитель проекта, кандидат химических наук, доцент, директор Института естественных и технических наук СурГУ Юлия Петрова.
На следующем этапе специалисты планируют изучить другие виды нефтяных остатков (в том числе нефтешламы и асфальтосмолопарафиновые отложения), увеличить загрузку реактора электродуговой плазмы постоянного тока и разработать непрерывный режим обработки.
Также ученым предстоит точнее определить состав газообразных продуктов, повысить выход и чистоту карбидных фаз, оценить энергозатраты и ресурс электродов. Отдельное направление — испытать полученные материалы как сорбенты, компоненты покрытий и прекурсоры для керамических материалов.
Работа выполнена при поддержке Фонда научно-технологического развития Ханты-Мансийского автономного округа — Югры (№ 2024-535-03).
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
