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 СО не ограничивается. Так, в последнее десятилетие активно разрабатываются дешевые и компактные устройства переработки биомассы в водород.

Получаемый высокочистый Н используется для питания топливных элементов, для гидрирования жиров, а также для нефтехимии. В таких устройствах, генерирующих водород, адсорбенты СО необходимы. Кроме того, в последнее время научное сообщество активно изучает проблему парникового эффекта. Одним из перспективных путей ее решения является улавливание СО 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.

Источники

Математический катализ
Наука в Сибири (sbras.ru), 11/11/2016
Сибирские ученые улучшили сорбенты углекислого газа
Наука в Сибири (sbras.info), 14/11/2016

Похожие новости

  • 14/10/2019

    Новосибирские ученые открыли новый метод управления молекулярной подвижностью в пористых металлоорганических каркасах

    Сотрудники лабораторий НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова представили исследование влияния электронодонорных «гостей» на подвижность линкеров в металлоорганическом каркасе на основе хрома MIL-101.
    440
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    551
  • 06/05/2019

    «СКТБ Катализатор» ведет переговоры с «Газпром нефтью»

    ​Губернатор области рекомендовал инициаторам проекта активизировать переговоры и с другими нефтяными компаниями. — На какой стадии находится реализация проекта по созданию Сертификационного центра катализаторов (Инициатор АО «СКТБ Катализатор».
    615
  • 30/12/2019

    Новосибирские ученые совместно с иностранными коллегами установили новый способ создания незамерзающих ионных жидкостей

    ​Ученые Новосибирского научного центра совместно с группой исследователей из Университета Ростока (Германия) под руководством ведущего специалиста по экспериментальному и теоретическому описанию водородосвязанных систем профессора Ральфа Людвига установили новый способ создания незамерзающих ионных жидкостей.
    732
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    259
  • 12/12/2018

    Новосибирские ученые разработали новый материал для полного выделения водорода из любой смеси газов

    Нанокомпозит, созданный новосибирскими химиками, может использоваться для выделения водорода в высокотемпературных каталитических реакторах: он устойчив к агрессивной среде, высоким температурам (до 1 000 oС) и дешевле создаваемых ранее материалов, содержащих палладий.
    1343
  • 16/07/2019

    Международная школа по методам высоких давлений Европейского центра синхротронных исследований

    ​Преподаватель и студенты новой междисциплинарной магистерской программы «Методическое обеспечение физико-химических исследований конденсированных фаз» приняли участие в международной школе по методам высоких давлений (Schoo on High Pressure Techniques), которая прошла в Гренобле (Франция) с 17 по 21 июня.
    631
  • 02/01/2019

    Созданы катализаторы для сжигания продуктов газификации твердого топлива

    ​Российские ученые разработали новый композитный катализатор на основе оксидов железа, меди и алюминия и определили его активность. Разработанный катализатор будет использоваться для сжигания продуктов газификации различных видов топлива в кипящем слое.
    886
  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    2695
  • 13/03/2017

    Центр энергоэффективного катализа НГУ как воплощение идеи интеграции НГУ и ИК СО РАН

    Научно-образовательный центр энергоэффективного катализа (НОЦ ЭК), созданный Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирским государственным университетом при финансовой поддержке Фонда «Сколково», за три года функционирования показал выдающиеся результаты.
    1607