11/11/2016 ИК СО РАН
Статья новосибирских ученых опубликована в журнале «Chemical Engineering Science»
518 ИК СО РАН ИМ СО РАН СО РАН НГУ Сотрудничество Химия Аналитика Новосибирск В июльском номере журнала Chemical Engineering Science (IF = 2,750) вышла публикация сотрудников Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и НГУ «Evolution ofsorptive and textural properties of CaO — based sorbents during repetitivesorption/regeneration cycles».
О результатах междисциплинарного исследования и сотрудничестве математиков и химиков рассказывают соавторы статьи — кандидат физико-математических наук Евгений Геннадьевич Малькович (ИМ СО РАН) и кандидат химических наук Владимир Сергеевич Деревщиков (ИК СО РАН).
— Соавторы нашей работы являются сотрудниками СО РАН и преподавателями НГУ, а наше сотрудничество началось с обычной беседы о том, кто чем занимается, — поясняет Евгений Малькович. — В процессе разговора выяснилось, что многие проблемы, изучающиеся в Институте катализа, удобнее формулировать языком не химии, а геометрии. Дело в том, что если в химическую реакцию вступает твердое тело, то часто реагирует только его поверхностный слой, в реальных задачах он имеет толщину порядка нескольких десятков нанометров. Таким образом, возникает необходимость поиска оптимальной геометрической структуры (то есть текстуры) исследуемого тела, при этом решение можно искать лишь среди тех структур, синтез которых непосредственно доступен химикам.
— В нашей статье описывается исследование сорбентов углекислого газа, — уточняет Владимир Деревщиков. — Они 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. Но этим практическое приложение адсорбентов СО₂ не ограничивается. Так, в последнее десятилетие активно разрабатываются дешевые и компактные устройства переработки биомассы в водород.
Получаемый высокочистый Н₂ используется для питания топливных элементов, для гидрирования жиров, а также для нефтехимии. В таких устройствах, генерирующих водород, адсорбенты СО₂ необходимы. Кроме того, в последнее время научное сообщество активно изучает проблему парникового эффекта. Одним из перспективных путей ее решения является улавливание СО₂ из дымовых газов с помощью сорбентов. В каждом из перечисленных направлений требуется разработка последних со строго определенными свойствами. Сорбенты, характеристики которых были промоделированы в нашем исследовании, ― регенерируемые, многоразовые, и наша задача — сделать их очень стабильными, чтобы на протяжении многих лет эксплуатации они удаляли углекислый газ быстро и в большом количестве.
В нашей группе в Институте катализа под руководством моего научного руководителя кандидата химических наук Алексея Григорьевича Окунева за десять лет был накоплен обширный экспериментальный материал по свойствам сорбентов, и закономерным образом назрела задача прогнозирования — моделирования их свойств. Вообще этот процесс — один из навыков, необходимых химику-адсорбционщику, но для сложных систем нужна помощь профессиональных математиков. Удачно совпало, что у нас возникла такая задача, а наши коллеги из Института математики ею заинтересовались.
— Мой научный руководитель доктор физико-математических наук Ярослав Владимирович Базайкин имеет опыт работы с анализом топологических характеристик нефтяных пластов, — рассказывает Евгений Малькович. — На многих российских месторождениях они являются сильно расчлененными, и их структура довольно сложна, что позволяет говорить о топологии в применении к нефтяным коллекторам. Нефтяникам важно оценить топологическую сложность коллектора, поскольку, чем она выше, тем труднее извлечь из-под земли черное золото. Нам стало понятно, что, несмотря на совсем разные масштабы, в обоих случаях (нефтяной пласт — сорбент) мы имеем дело с геометрией и топологией сложных трехмерных тел.
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. В ходе такого периодического процесса происходит спекание и усадка образца.
Разрабатываемая модель должна позволять точно вычислять площадь поверхности моделируемого тела, а это довольно непростая задача, если изучаемый объект имеет нетривиальную форму. После просмотра большого количества фотографий, сделанных на электронном микроскопе, было решено моделировать сорбент как плотную упаковку шаров, а его спекание — как процесс сближения их центров. Ученым удалось построить математическую модель, описывающую динамику спекания сорбента в терминах дифференциальных уравнений, и оценить поведение параметра динамической емкости сорбента от количества и продолжительности циклов сорбции/регенерации. В итоге был написан программный модуль для моделирования плотных случайных упаковок, составленных из большого числа шаров (для целей исследования оказалось достаточно тысячи). Выяснилось, что разработанный метод позволяет достаточно точно предсказывать изменение динамической емкости сорбента от числа циклов и с различной продолжительностью стадий сорбции/регенерации. Построенная специалистами модель учитывает не только пористость образца, но и особенности его текстуры, позволяет подобрать условия, при которых емкость сорбента по углекислому газу максимальна и наиболее стабильна. Все эти особенности модели дают возможность нахождения оптимальной текстуры материала без необходимости проведения большого числа реальных экспериментов, а также нахождения оптимальных режимов управления процессом сорбции/регенерации.
— Наиболее сложным во всей нашей совместной работе оказалось нахождение общего языка, — продолжает Евгений Малькович. — Начать называть одни и те же вещи и процессы одними и теми же словами — совсем непросто. Некоторые коллеги-математики, например, очень удивлялись, что эта достаточно простая модель никем не была придумана ранее. Приходится признать, что у химиков, физиков, геологов и других наших коллег есть масса важных прикладных задач, но они не решаются лишь потому, что ученые не могут или не хотят находить общий язык друг с другом.
— Разработанные методы могут найти приложение во многих других областях знаний, связанных с пористыми телами, прежде всего в материаловедении, — уточняет Е. Малькович. — Наши модели можно применить для объяснения отдельных эффектов порометрии, при исследовании проницаемости и других характеристик горных пород, для изучения свойств различных катализаторов и керамических материалов. Следует отметить, что область моделирования процессов в пористых телах с использованием реальной геометрии является востребованной и активно развивающейся. Вообще, методы вычислительной геометрии и топологии могут быть применены для более широкого класса задач: распознавания образов, медицинской диагностики, метеорологии и многих-многих других. Что касается нашей совместной работы по моделированию свойств материалов — она успешно начата, и мы надеемся на дальнейшее ее продолжение и плодотворное сотрудничество с Институтом катализа СО РАН.