Ксенон (Xe) — это самый редкий на планете газ. Его извлекают из воздуха, но так можно получить только небольшое количество продукта по высокой себестоимости, поэтому ксенон используют лишь в исключительных случаях и часто в люксовых сегментах производства. Ученые из РХТУ и НГТУ предложили альтернативный способ добычи Xe из природного газа, которым редчайший газ можно получать в высоких концентрациях при низких затратах и с использованием простых установок. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of natural gas science and engineering.

Мировое потребление ксенона ежегодно растет на 15-20 %. Его применяют в лазерной, электронной, светотехнической, космической, атомной и других высокотехнологичных отраслях. Ксеноновые фары светят мощнее и служат дольше; анестезия на основе ксенона удобнее и безопаснее токсичных препаратов или закиси азота; а ракета с ксеноновым топливом улетит в более долгий космический полет. Однако несмотря на преимущества этого благородного газа ксенон до сих пор широко не используется.

Все дело в высокой себестоимости получения ксенона, т.к. на Земле его добывают из воздуха, а в воздухе его очень мало: в 1 м3 содержится всего лишь 0.08 мл ксенона. С помощью промышленной технологии низкотемпературной ректификации (то есть выделения из жидкого воздуха) можно получить газ чистотой 99.9995 % стоимостью 1.15 тыс. руб. за литр. Такое производство может быть экономически обоснованным только при очень больших объемах. Поэтому ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева и НГТУ им. Р.Е. Алексеева предложили альтернативную технологию получения ксенона — не из воздуха, а из природного газа, который иногда содержит от 0.15 об. % ксенона, что на четыре порядка выше, чем в воздухе.

В мире уже запатентовано несколько технологий выделения ксенона из природного газа, но ни одна из них до сих пор не дошла до промышленного применения в связи с многостадийностью процесса, сложностью задействованной аппаратуры, а также низкой концентрацией ксенона в конечном продукте. Ученые РХТУ и НГТУ предложили более эффективный путь, основанный на использовании газогидратов — твердых кристаллических соединений молекул воды и газов, которые образуются в условиях повышенного давления и существуют при температурах, превышающих температуру замерзания воды.

“Разные компоненты природного газа имеют разные давления диссоциации в кристаллогидратах. Поэтому, регулируя давление и температуру, можно поэтапно выпускать из этих кристаллов разные газы, — рассказывает один из авторов работы, руководитель лаборатории SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ, профессор Илья Воротынцев. — Именно на этом свойстве кристаллогидратов основан наш подход, с помощью которого мы извлекли из модельной смеси газов, имитирующих природный газ, 93.05 % ксенона”.

Ученые проводили эксперименты на модельной газовой смеси из метана (94.85 об.%), углекислого газа (5.00 об. %) и ксенона (0.15 об. %) при температурах -1°С и 1°С. Исследователи испытывали разные режимы, и лучшие результаты показала непрерывная мембранно-газогидратная кристаллизация, которую проводили в реакторе объёмом 4.17 л, разделенном полупроницаемой мембраной на две части с высоким и низким давлением. В отсек высокого давления помещали природный газ и воду, которые превращались в гидраты. Далее ученые постепенно меняли температуру и давление и поэтапно выпускали из гидратов углекислый газ и метан через мембрану в другую полость, при этом ксенон с водой оставались в гидратах. После они окончательно разрушали газовые кристаллы, еще раз меняя термобарические условия — в результате вода оставалась на дне этой полости, а над ней концентрировался ксенон.

Главные преимущества нового способа выделения ксенона – это низкие затраты энергии, простота экспериментальной установки и ее масштабируемость, высокая эффективность газоразделения, а также отсутствие разрушающих реагентов. По оценкам исследователей, технология позволит в несколько раз снизить себестоимость получения ксенона. «Точных расчётов по стоимости добычи пока привести не можем, так как все будет зависеть от конкретных условий: концентрации ксенона в месторождении природного газа, местонахождения самих скважин. Но даже с учетом транспортных расходов, если мы будем вывозить вертолетами газ из Сибири до железнодорожных платформ, себестоимость его будет как минимум в 2 раза ниже газа, полученного из воздуха», — отмечает Илья Воротынцев.

Ученые не сомневаются, что технология непрерывной мембранно-газогидратной кристаллизации найдет промышленное применение на месторождениях природного газа РФ и поможет России значительно увеличить количество производимого ксенона, а в дальнейшем расширить границы его применения. В продолжение работы коллектив планирует экспериментально исследовать технологию на образцах природного газа, добытых из настоящих месторождений, и подобрать оптимальные условия для повышения степени извлечения ксенона.