Нефтяные отходы превратили в сырье для сверхпрочных материалов: новая технология плазменной переработки

Ученые Сургутского государственного университета (СурГУ) совместно с коллегами из Томского политехнического университета (ТПУ) разработали технологию переработки тяжелых нефтяных остатков с помощью электродуговой плазмы. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processing, предлагает способ превращать побочные продукты нефтепереработки в графитоподобный углерод — сырье для создания жаростойких карбидных материалов.

Плазма без вакуума: как «очищают» нефтяные остатки

Для Югры и других нефтедобывающих регионов актуальна не только добыча, но и эффективная утилизация тяжелых остатков. В центре внимания исследователей оказался асфальт сольвентной деасфальтизации — тяжелый продукт переработки нефти. Его сложное строение и склонность к коксованию (образованию твердого остатка при нагреве) затрудняют использование традиционных методов. Однако такой остаток богат углеродом, который можно извлечь.

Ученые обработали образцы в электродуговой плазме постоянного тока при силе тока 100 А в течение 30 секунд. Процесс идет при обычном атмосферном давлении, без вакуумных систем. «Плазменное воздействие длится около 30 секунд и приводит к образованию графитоподобного углерода, — комментирует Валентина Егорова, младший научный сотрудник Научно-образовательного центра Института естественных и технических наук СурГУ. — Одновременно удаляется значительная часть водорода, кислорода, серы и других гетероатомов». По данным элементного CHNS/O-анализа, содержание серы снизилось с 6,24% до 1,56%, кислорода — с 1,35% до менее 0,01%. Отсутствие вакуума упрощает лабораторную установку и облегчает будущее масштабирование технологии.

От углерода к карбидам: жаростойкие материалы для промышленности

Полученный графитоподобный углерод содержал 96,94% углерода и демонстрировал высокую термическую устойчивость: потеря массы при нагреве до 1030 °C составила только 2,74%. В материале обнаружены графитоподобные области, сферические нанообъекты и полиэдрические частицы графита. Этот продукт использовали как сырье для синтеза карбидов кремния и хрома. Процесс проводили в электродуговой плазме при токе 200 А в течение 60 секунд. «Содержание карбида кремния составило 85% после отжига, а содержание карбида хрома — 84%», — отметила Егорова.

Карбид кремния известен высокой твердостью и устойчивостью к нагреву, он применяется в шлифовальных материалах, огнеупорах, нагревательных элементах и электронной технике. Карбид хрома используется в защитных покрытиях и деталях, работающих в условиях износа и высоких температур. В быту и промышленности эти материалы встречаются в абразивных кругах, тормозных системах, режущем инструменте и электронных устройствах.

«Югра располагает значительными объемами углеродсодержащего сырья, включая тяжелые остатки нефтепереработки, — подчеркивает Юлия Петрова, руководитель проекта, кандидат химических наук, директор Института естественных и технических наук СурГУ. — Наша задача — научиться не просто утилизировать их, а получать полезные материалы. Проведенное исследование показывает, что такой подход принципиально возможен». По ее словам, нефтяной остаток может стать сырьем для получения графитоподобного углерода и карбидов, востребованных в современной промышленности.

На данном этапе подтверждена работоспособность метода в лабораторных условиях. Для практического внедрения необходимо разработать непрерывную подачу сырья, систему газоочистки, определить энергопотребление и ресурс оборудования. В планах ученых — исследование других типов нефтяных остатков, включая нефтешламы и асфальтосмолопарафиновые отложения, увеличение загрузки реактора и переход к непрерывному режиму обработки. Также предстоит точнее определить состав газообразных продуктов, повысить выход и чистоту карбидных фаз, оценить энергозатраты и стойкость электродов. Отдельное направление — испытание полученных материалов в качестве сорбентов, компонентов покрытий и прекурсоров для керамики.