| 16. |
Аннотация |
В мире за последние десятилетия сформировался отчетливый тренд на переработку различных типов отходов и увеличению степени экологичности производств путем перехода к «замкнутому циклу» производства. В нефтяной промышленности это отражается в повышении глубины переработки нефти, снижения выбросов CO2 и углеводородных газов, оксидов серы и азота, попытках рационально использовать отходы (нефтешламы, АСПО, кислые гудроны) и нефтяные остатки (гудроны, мазуты). Особенно этот тренд набирает силу вследствие увеличения доли тяжелых и остаточных нефтей в общем объеме добычи.
Нефтяная отрасль является одним из основных загрязнителей окружающей среды (Никонов, Потапова, 2011; Самутин, Буторина, 2013; Капустин, 2013; Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях, 2001 г.). Помимо выбросов углекислого газа, окислов серы в процессе добычи и переработки нефти накапливаются такие отходы как АСПО (асфальто-смоло-парафиновые отложения), мазуты, гудроны, кислые гудроны, нефтешламы и т.д.
Рациональная переработка данного вида сырья позволит не только увеличить глубину переработки нефти, но и повысить экологическую эффективность производств нефтяной промышленности (Капустин, 2013), путем перехода к замкнутому технологическому циклу производства.
Целью работы является разработка научно-технических основ и прикладных решений переработки углеводородного сырья для получения углеродных материалов, продуктов нефтепереработки и нефтехимии, в том числе с использованием высокоэнергетических воздействий и исследование свойств полученных материалов для их дальнейшего использования в различных отраслях промышленности.
В связи с ограниченностью запасов легкоизвлекаемых ресурсов в современном мире добыча нефти смещается в сторону битумных и тяжелых нефтей, что обуславливает необходимость развития процессов ее глубокой переработки. Основными продуктами этих процессов являются бензиновые, керосиновые, дизельные фракции, которые используются в производстве углеводородного топлива. В связи с активным освоением арктических регионов в последнее время наметился также устойчивый рост потребностей в дизельных и реактивных топливах, способных работать при низких температурах до -50°С, получить которые возможно только посредством применения присадок, а также различных процессов переработки нефти и газового конденсата. Исследование процессов переработки среднедистиллятных фракций с участием водорода являются сложными и трудоемкими. Поэтому в настоящее время для решения подобных задач все шире используются математические модели, разработанные с учетом физико-химических закономерностей превращения углеводородов на металлических катализаторах, позволяющие оценить выход и качество продукта при изменении состава сырья и технологических условий процесса. При использовании таких моделей становится возможным прогнозирование состава и свойств продуктов нефтепереработки и нефтехимии, а также подбор оптимальных концентраций присадок для доведения свойств до требуемых значений.
При использовании высокоэнергетических воздействий, таких как плазменная обработка, лазерное излучение, электромагнитные поля СВЧ, электронное и гамма-облучение, может быть достигнута рациональная переработка углеродного сырья (в т.ч. нефтяного) для получения из них новых функциональных углеродных материалов. Эффективность методов высокоэнергетического воздействия на углеродное сырье, в частности нефтяного, может быть повышена за счет исследования состава и структуры смол и асфальтенов (которые в нефтяных остатках и отходах могут составлять значительную часть, и наиболее трудно поддаются переработке), а также понимания направлений процессов их превращений в процессах переработки с высокоэнергетическим воздействием.
В настоящее время у исследователей всего мира растет интерес к исследованию смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) в качестве потенциального сырья для производства углеродных материалов. Так, есть работы по изучению угольных асфальтенов (Andrews et al., 2011, Barraza et al., 2014; Du et al., 2017) для получения углеродных нанолистов (Wu et al., 2019), которые могут быть использованы как эффективные конденсаторы (Qu et al., 2016). Вероятно, это также верно и для нефтяных асфальтенов (Farooq et al., 2021; Xu et al., 2013; Andrews et al., 2011). При этом могут быть получены полезные материалы для электроники на основе графена, синтезированного из асфальтенов, используя различные добавки, улучшающие емкостные характеристики (Xu et al., 2013; Wu et al., 2019). Оксид графена (а также восстановленный оксид графена) взаимодействует с асфальтенами (π-π взаимодействие, адсорбция), тем самым дестабилизируя водонефтяные эмульсии (Wang et al., 2016; Othman et al., 2018; Rogel et al., 2019). На этой основе могут быть в дальнейшем разработаны деэмульгаторы нефти и составы для увеличения нефтеотдачи пласта при ее добыче. Однако, работ по получению полезных материалов на основе асфальтенов немного (Jung and Bielawski, 2019; Петров, 2019), и они практически отсутствуют в случае нефтяных смол. По своей структуре и составу смолы близки к асфальтенам, но имеют меньший размер молекул, меньшую ароматичность и, как правило, меньшее содержание гетероатомов (Grinko et al., 2018). Можно предположить, что вследствие этих особенностей из нефтяных смол (в частности, меньшего влияния гетероатомов) возможно будет получить более качественные материалы и композиты на основе графена с минимальным числом упорядоченных слоев. Однако, решение данной научной проблемы использования САВ в качестве сырья для получения углеродных материалов невозможно без всестороннего понимания их состава и структуры, а также ее превращений под влиянием высокоэнергетического воздействия (плазмы). Поэтому задача по изучению состава и структуры САВ является актуальной решение ее позволит выявить влияние природы САВ на свойства получаемых углеродных материалов, а также понять какое влияние эта природа оказывает на свойства конечных продуктов – композитов для микроэлектроники или других полезных материалов (составы для деэмульгации нефти, полимерные покрытия, сорбенты, носители для катализаторов и т.д.). |