Ученые создали ускоритель реакции, который удалил из дизельного топлива 99% серы, при горении которой в воздух попадают токсичные оксиды. В основе разработки лежит дешевый и безопасный материал — гидроксиапатит с нанесенными на его поверхность ионами молибдата. Реакция очистки топлива с помощью такого катализатора проходит в присутствии перекиси водорода, что обеспечивает экологичность процесса. Предложенный катализатор позволяет очищать топливо при невысоких температурах и атмосферном давлении, благодаря чему сильно упрощает и удешевляет процесс. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.

В природной нефти, помимо углеводородов, которые составляют «полезную», то есть горючую часть топлива, содержатся «вредные» примеси, например, содержащие соединения серы. При сжигании топлива с большим количеством серы в воздух попадают вредные оксиды, которые могут приводить к кислотным дождям и раздражению дыхательных путей у людей. Поэтому бензин и дизель очищают от серы с помощью гидроочистки — обработки водородом. Но такой подход технически сложен: он требует температур порядка 300–400°C и высокого давления. Более того, эта технология не позволяет удалить из топлива некоторые стойкие ароматические соединения серы, поэтому ученые ищут более эффективные альтернативы.

Исследователи из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (Москва) с коллегами разработали катализатор для очистки дизельного топлива от серы в мягких условиях — то есть не требующих очень высоких температур и давления.

За основу авторы взяли гидроксиапатит — доступный, стабильный и безопасный материал, который легко синтезировать из недорогих кальциевых и фосфатных прекурсоров (веществ-предшественников). Ученые пропитали гидроксиапатит раствором, содержащим ионы молибдата. При последующем нагреве поверхность гидроксиапатита провзаимодействовала с молибдат-ионами, в результате чего образовались активные фосфомолибдатные кластеры.

Чтобы заставить катализатор работать, был нужен окислитель — вещество, которое образует комплекс с молибденовыми кластерами и активирует их для удаления серных групп из топлива. В качестве такого вещества авторы выбрали перекись — она активно взаимодействует с молибдатами и в ходе превращений образует всего один безопасный продукт — воду.

Исследователи протестировали свойства нового катализатора, добавив его вместе с перекисью в образцы реального дизельного топлива, не проходившего очистку от серы. Реакцию провели при невысокой температуре — всего 70°C — и атмосферном давлении.

Эксперимент показал, что предложенный материал за восьмичасовой цикл удаляет из топлива более 99% серы и позволяет получить продукт, который отвечает самым строгим экологическим требованиям. Более того, катализатор оказался многоразовым: он не терял активность даже после пяти циклов использования.

«Сочетание дешевых материалов, мягких условий и высокой эффективности делает разработку экономически конкурентоспособной и позволяет легко ее масштабировать. В дальнейшем мы планируем разработать системы, которые смогут эффективно окислять соединения серы кислородом воздуха, чтобы уйти от использования перекиси водорода и, тем самым, дополнительно существенно снизить себестоимость процесса», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Маргарита Гольдберг, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории композиционных керамических материалов и биоматериалов Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва), Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) и Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва).