Ученые из Египетского института нефтяных исследований, Университета столицы (бывший Хелуанский университет) и других научных центров Египта предложили получать дизельное топливо с очень низким содержанием серы с помощью ультразвука, перекиси водорода и специальных катализаторов на основе оксидов железа, кобальта и никеля.
Проблема в том, что современные стандарты качества дизельного топлива требуют почти полного удаления серы, а основная промышленная технология (гидроочистка) с этим справляется не всегда. Она основана на обработке топлива водородом при высоких температурах и давлениях. Этот подход хорошо удаляет «простые» соединения серы, но хуже работает с более устойчивыми, например, дибензотиофеном. К тому же процесс сам по себе энергоемкий и дорогой. В новой схеме условия намного мягче, а реакции ускоряются за счет ультразвука. Он создает в жидкости микропузырьки, которые схлопываются и локально дают сильный нагрев и давление, благодаря чему химические процессы идут быстрее.
Ключевой элемент этого подхода – катализатор. Чтобы найти наиболее эффективный вариант, ученые синтезировали несколько материалов на основе оксидов железа, кобальта и никеля и сравнили их работу. Оказалось, что лучший результат дает катализатор, полученный при самом коротком времени синтеза. У него больше поверхность и мелкие поры, поэтому он лучше взаимодействует с сернистыми веществами. Если же катализатор делать дольше, частицы слипаются, поверхность уменьшается и эффективность падает.
После этого ученые перешли к подбору условий самого процесса. Оптимальными оказались температура около 60 °C и время обработки порядка полутора часов – в этих условиях удавалось удалить примерно две трети серы. Далее они добавили еще один этап – экстракцию растворителем. Поскольку на предыдущем шаге сернистые соединения уже были окислены, их стало проще «вытянуть» из топлива и общая степень очистки выросла почти до 90%.
На следующем этапе исследователи усилили эффект, модифицировав катализатор: его покрыли тонким слоем полистирола. Такая структура одновременно притягивает молекулы серы, удерживает их в порах и облегчает доступ реагентов. В результате содержание серы удалось снизить с 21 700 до примерно 920 частей на миллион – это удаление более 95%.
Дополнительно ученые показали, что процесс идет с высокой скоростью при сравнительно низком энергетическом барьере. Расчеты дали энергию активации около 13,7 кДж/моль, что заметно ниже, чем у многих традиционных методов. Это связано с тем, что ультразвук и катализатор ускоряют окисление сернистых соединений и их последующее удаление из топлива.
Следующим шагом в работе египетских исследователей должно стать повышение практической применимости их технологии. Речь о дальнейшей оптимизации катализатора и условий процесса, чтобы сохранить высокую эффективность при снижении затрат. В частности, важно улучшить структуру катализатора и подобрать более удобные для промышленного использования реагенты и режимы работы.
