Адсорбционное аккумулирование метана – энергоэффективная, пожаро- и взрывобезопасная альтернатива его хранению в сжатом или сжиженном состоянии. Попав в поры, молекулы метана притягиваются к их стенкам за счёт сил Ван-дер-Ваальса. Поверхность микропор обладает достаточной силой притяжения, чтобы молекулы метана находились в порах близко друг к другу. В порах адсорбированный метан уплотняется до плотности, близкой к плотности жидкости, находясь в состоянии нано-диспергированного сорбата. Таким образом, адсорбционное аккумулирование позволяет запасать относительно большое количество газа, не используя компрессоры высокого давления и не охлаждая газ до криогенных температур. Такие аккумуляторы газа перспективны для применения на автомобильном газовом транспорте благодаря высокой ёмкости и безопасности (молекулы метана, находящиеся в порах, изолированы от кислорода и не образуют вместе с ним взрывоопасную смесь).
Во время заправки и выдачи газа из накопителей температура адсорбента существенно меняется, так как при адсорбции происходит выделение теплоты и адсорбент нагревается, а при десорбции – теплота поглощается, и температура адсорбента снижается. Самонагревание при заправке снижает адсорбционную ёмкость системы хранения. Поэтому при разработке систем адсорбированного природного газа необходимо не только подобрать адсорбент с высокой адсорбционной ёмкостью по метану при изменении температуры, но и разобраться, как будут меняться динамические характеристики системы при переменных температуре и давлении.
Для того, чтобы понять, как будет вести себя АПГ-система, учёные провели измерения адсорбционно-кинетических параметров адсорбции-десорбции в широком интервале температур от 143 К до 333 К при давлениях вплоть до 20 МПа, когда поры сорбента достигают своего предельного насыщения. Также методом молекулярной динамики была исследованы параметры сорбции молекул метана в модельных порах щелевидной формы, соответствующих основным размерам пор данного сорбента. Исследование подтвердило: узкие поры (<1.4 нм) плотно удерживают молекулы метана, обеспечивая высокую ёмкость системы, а более широкие (~2 нм) служат транспортными артериями и отвечают за динамические характеристики при заправке-выдаче газа.
Нужно учитывать, что для разных условий эксплуатации системы соотношение пор разного размера должно отличаться. Для автомобилей, работающих в плавном режиме с равномерным потреблением топлива, нужны одни адсорбенты, а для работающих в рывковом, когда обороты двигателя резко меняются, – другие. Аналогичная ситуация складывается для различных климатических условий.
Ценность данной работы заключается не только в уникальных экспериментальных данных, но и в том, что на их основе были разработаны подходы для описания и прогнозирования адсорбции метана, которые позволяют при оптимизации режимов работы конкретных АПГ-аккумуляторов не проводить десятки натурных испытаний.
«Это очень важно с точки зрения практики, в частности, для проектирования энергоэффективных систем заправки АПГ, в том числе в различных климатических условиях. Мы можем выполнить компьютерный расчёт и сразу экспериментировать с режимами, близкими к оптимальным. Это значительно ускоряет и удешевляет создание новых систем», – отметил руководитель проекта, кандидат химических наук Илья Меньщиков.
По материалам: Adsorption, Kinetics, and Diffusion of Methane on Nanoporous Activated Carbon for Adsorbed Natural Gas Storage Systems. Sergey Chugaev, Viktoria Gaidamavichute, Alexandr Grinchenko, Andrey Shkolin, Anatoly Pribylov, Elena Khozina, Igor Shelyakin, Ilya Men’shchikov. J. Chem. Eng. Data, January 23, 2026, Volume 71, 2, 864–881. DOI: 10.1021/acs.jced.5c00558
Источник: лаборатория сорбционных процессов ИФХЭ РАН