Ученые из Центра новых химических технологий (ЦНХТ ИК СО РАН) Института катализа СО РАН разработали эффективные катализаторы для получения компонентов автомобильных топлив, снижающих вредные выбросы в атмосферу.
По разным оценкам на долю автотранспорта в городах приходится от 30 до 70% загрязнения атмосферного воздуха. Сейчас автомобили в России используют бензины не ниже класса 5, которые, несмотря на высокое октановое число и низкий уровень серы, содержат вредные для атмосферы и здоровья людей ароматические соединения. Среди них — бензол, который вызывает онкологические заболевания.
Базовые компоненты высокооктанового бензина получают в процессах каталитического риформинга и крекинга, продукты которых богаты ароматическими и непредельными углеводородами. Эти соединения негативно влияют на окружающую среду. Для улучшения экологических характеристик в состав товарных бензинов добавляют экологически чистые компоненты, главными из которых являются изомеризат, алкилат и кислородосодержащие добавки. Производству изомеризата и посвящены исследования ученых ЦНХТ ИК СО РАН.
«Высокооктановые компоненты, такие как изомеризат и алкилат, существенно улучшают экологические показатели бензина — они снижают содержание ароматических углеводородов, уменьшают нагарообразование и, самое главное, сокращают вредные выбросы — бензол, монооксид углерода и углекислый газ. Все это предотвращает отравление окружающей среды», — рассказал ведущий научный сотрудник отдела каталитических процессов Центра новых химических технологий ИК СО РАН, доктор химических наук Михаил Смоликов.
Ученые ЦНХТ ИК СО РАН предлагают производить высокооктановый изомеризат из средней фракции прямогонного бензина, выкипающей в интервале 70–100°C, т.е. из так называемой гептановой фракции. В настоящее время гептановая фракция на нефтезаводах России лишь частично добавляется в сырье риформинга с получением компонента бензина или индивидуальных ароматических углеводородов, которые используются в качестве сырья для нефтехимии. Квалифицированной переработки этой фракции на нефтезаводах нет, в первую очередь, из-за отсутствия соответствующих катализаторов и процессов.
В качестве катализатора изомеризации гептановой фракции ученые предложили использовать композиционный наноматериал, состоящий из оксидов циркония и вольфрама с добавкой палладия. Они определили, что для эффективного превращения гептановой фракции с получением высокооктанового и экологически чистого бензинового компонента в катализаторе должны присутствовать кислотные центры Льюиса, находящиеся в тесном контакте с палладием. В результате специалисты установили оптимальный химический состав катализатора и условия его приготовления, необходимые для формирования наноструктурированной матрицы-подложки из разных кристаллических фаз оксидов циркония и вольфрама. Для получения готового катализатора на поверхности такой подложки закрепляют частицы палладия размером 10-15 ангстрем.
«Нам удалось создать наноструктурированный катализатор, активный центр которого состоит из трех фаз – тетрагональной и моноклинной фаз оксида циркония и моноклинной фазы оксида вольфрама. Для того чтобы катализатор был активным и сохранял эту активность длительное время, в его составе нужен металл — мы выбрали палладий. Катализатор показал очень высокую каталитическую активность при содержании палладия всего 0.05–0.1%. Это является своего рода прорывом. В последнем исследовании мы показали, что в вольфрамат-циркониевых катализаторах нужны льюисовские кислотные центры умеренной силы — помещение вблизи этих центров палладия придает ему новую роль. Когда металл входит в состав такого кислотного центра, то он принимает участие в гидридном переносе — важном процессе, от которого зависит правильное завершение процесса изомеризации гептана», — пояснил Михаил Смоликов.
Работы по созданию катализатора превращения гептановой фракции проводились в рамках договора с компанией АО «Газпромнефть-Московский НПЗ». Работа получила высокую оценку, и катализатор был рекомендован к внедрению. По словам Михаила Смоликова, скорость внедрения зависит от появления новых экологических стандартов.
«Сейчас содержание ароматических углеводородов в бензине ограничивается уровнем не выше 35% и большинство НПЗ России пока с этим справляются. Но в рамках конкурентной борьбы и продвижения на рынок электромобилей конструкцию двигателей внутреннего сгорания будут усложнять, чтобы снизить эмиссию, а также будут ужесточать экологические требования к топливам. Если содержание ароматики ограничат до 25% как в Калифорнии, ни один завод РФ не сможет выполнить эти требования без внедрения новых каталитических технологий», — отметил ученый.