Новый подход к хранению природного газа
Сегодня природный газ в основном хранится под высоким давлением или в виде жидкости при температуре −162 °C. Оба метода энергозатратны и дорогостоящи.
Альтернативный подход, называемый твёрдым природным газом, заключает метан в ледяную структуру, известную как гидрат. Однако на практике эти гидраты обычно образуются слишком медленно, чтобы быть практичными в больших масштабах.
Исследователи под руководством профессора Правина Линги из Департамента химической и биомолекулярной инженерии Национального университета Сингапура нашли простой способ решения этой проблемы, добавив аминокислоты — строительные блоки белков.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные показали, что замораживание воды с небольшим количеством этих природных соединений даёт «аминокислотный лёд», который за минуты фиксирует газ метан. В тестах материал достиг 90% своей ёмкости для хранения всего за две с небольшим минуты, в то время как для обычных систем требуется несколько часов.
Преимущества метода
Метод также имеет экологические преимущества. Поскольку аминокислоты биоразлагаемы, этот способ позволяет избежать экологических рисков, связанных с использованием поверхностно-активных веществ, часто применяемых для ускорения образования гидратов. Кроме того, метан можно высвобождать по требованию с помощью мягкого нагрева, после чего лёд можно снова заморозить и использовать повторно, создавая замкнутый цикл хранения.
Эта комбинация производительности и устойчивости делает подход привлекательным для крупномасштабного хранения природного газа, а также для небольших возобновляемых источников биометана.
Команда также видит потенциал для адаптации метода для хранения других газов, включая углекислый газ и водород.
Как это работает
Концепция нового материала очень эффективна и элегантна: смешайте воду с аминокислотами, заморозьте её, а затем подвергните лёд воздействию метана. В лаборатории этот аминокислотный лёд быстро превратился в белое расширенное твёрдое вещество — доказательство того, что метан был заперт внутри в виде гидрата.
Это возможно потому, что аминокислоты изменяют свойства поверхности льда. Гидрофобные аминокислоты, такие как триптофан, способствуют образованию крошечных жидких слоёв на поверхности льда при введении метана. Эти слои действуют как плодородная почва для роста кристаллов гидрата, образуя пористую, губчатую структуру, которая ускоряет захват газа.
Для изучения того, что происходило на молекулярном уровне, команда использовала рамановскую спектроскопию — метод, отслеживающий, как свет рассеивается от вибрирующих молекул. Эксперименты показали, что метан быстро заполняет два типа микроскопических клеток внутри структуры гидрата, причём их заполненность превышает 90%.
«Это даёт нам прямое доказательство того, что аминокислоты не только ускоряют процесс, но и позволяют метану эффективно упаковываться в клетки гидрата», — сказал доктор Е Чжан, ведущий автор статьи, научный сотрудник Департамента химической и биомолекулярной инженерии.
Команда также протестировала различные аминокислоты и обнаружила чёткую закономерность. Примечательно, что гидрофобные аминокислоты, такие как метионин и лейцин, работали хорошо, в то время как гидрофильные, такие как гистидин и аргинин, — нет. Это «правило проектирования», по словам профессора Линги, может помочь в будущих усилиях по адаптации поверхностей льда для хранения газа.