Журналы
НЕФТЕГАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Серия: Морская техника и технология Серия: РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО Серия: УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА Серия: ЭКОНОМИКА

Вестник АГТУ (АРХИВНЫЙ)
История Ссылки Новости Контакты
Отправить рукопись
Главная / Журналы / Вестник Астраханского государственного технического университета / Том 2014 Номер 2 / ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ДОБЫЧЕ АКВАЛЬНЫХ ГАЗОГИДРАТОВ
ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ДОБЫЧЕ АКВАЛЬНЫХ ГАЗОГИДРАТОВ
Отправить рукопись
Цитировать
Цитирований:

ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ДОБЫЧЕ АКВАЛЬНЫХ ГАЗОГИДРАТОВ
Воробьев А. Е. 1
Авторы:
1.  Российский университет дружбы народов (главный научный сотрудник института инновационных инженерных технологий)

Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 23 по 30
Статус:
Опубликован
Получено:
10.10.2014
Одобрено:
15.10.2014
Опубликовано:
15.10.2014
Классификаторы:
УДК 622.279.72(075.8):550.8
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
нанотехнологии, наночастицы, газогидратные залежи
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрены различные механизмы образования газовых гидратов и соответствующие им промышленные технологии получения из них метана. Представлены разнообразные типы наночастиц, с использованием которых целесообразно вести разработку газогидратных залежей. В целом механизм формирования газогидратных залежей определяется многими, часто стохастическими факторами: интенсивностью генерации и особенностями миграции углеводородов, составом газа, степенью газонасыщенности и минерализации вод, литологической характеристикой разреза, структурой пористой среды, термодинамическим режимом разреза вмещающих пород, геотермическим градиентом в зоне гидратообразования и в подстилающих породах и др. Знание кинетики и морфологии образования залежей газогидратов будет способствовать разработке более эффективных технологий их освоения, что обусловлено их различным строением. Различные виды газогидратных залежей, а также их перемешивание при формировании с илом и илистыми частицами будет предопределять возможные количественные параметры и основные режимы промышленных технологий их разработки.

Ключевые слова:
нанотехнологии, наночастицы, газогидратные залежи
Текст
Введение Переход к широкому применению промышленных нанотехнологий является одним из важнейших направлений эффективного мирового научного и технологического развития. В частности, в 2000 г. мировой рынок нанопродукции оценивался в 2,6 млрд долл. США, а в 2014 г. - уже более чем в 25 млрд долл. США [1]. В 2003 г. в мире было зарегистрировано 8600 патентов на изобретения, имеющих отношение к нанотехнологиям и наноматериалам (в 1976-2003 гг. на США приходилось свыше 60 % таких патентов). В 2003 г. из этих 8600 патентов в странах «Большой восьмерки» на США приходилось 5228 патентов, Японию - 926, Германию - 684, Канаду - 244 и Францию - 183 [1]. Отметим, что в США наибольшее количество патентов на изобретения в области нанотехнологий и наноматериалов используют такие компании, как IBM, Intel и L’Oreal. Развитие и становление наноиндустрии в Российской Федерации определяют следующие стратегические документы [2]: - Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года (одобрена Правительством Российской Федерации 18 ноября 2004 г. № МФ-П7-6194); - федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Постановление Правительства Российской Федерации № 613 от 17 октября 2006 г.); реализация стратегической цели этой программы включает 2 этапа: первый этап - 2008-2011 гг., второй этап - 2012-2015 гг.; - президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии» (№ Пр-688 от 24 апреля 2007 г.); - федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» (постановление Правительства Российской Федерации № 498 от 2 августа 2007 г.); - Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года (одобрена Правительством Российской Федерации 4 мая 2008 года ВЗ-П7-2702); - Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации № 1662-р от 17 ноября 2008 г.). Основы нанотехнологий Различные наноструктуры имеют размеры в пределах от одной десятой части нанометра (0,1 нм = 1 Ǻ (один ангстрем - единица длины порядка равного размеру одного атома) до 100 нм [3, 4]. Благодаря своим размерам наноструктуры «подчиняются» прежде всего законам квантовой природы и поэтому проявляют свойства, принципиально отличающиеся от свойств, описанных в терминах традиционной физики, химии, механики и биологии [5]. Наночастица - это квази-нульмерный (0D) нанообъект, все характерные линейные размеры которого имеют один порядок величины [6]. Формальными признаками наночастиц являются их преимущественно сферическая форма (рис. 1) и значения размеров - от 1 до 250-300 нм. Рис. 1. Наночастица Если в структуре наночастицы наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами [7, 8]. В связи с этим к наночастицам относят весьма разнородные по химическому строению и физическим свойствам частицы (табл.). Классификация наночастиц [9] Вид наночастиц Разновидности (примеры) Углеродные Фуллерены Цельноуглеродные наночастицы Кремнеземные Аэросил Дендримеры Полиамидоамин Полилизин Липосомы Малые однослойные липосомы Большие однослойные липосомы Многослойные липосомы Полимерные мицеллы Полиаспартат-b-полиэтиленгликоль Поликапролактон-b-метокси-полиэтиленгликоль Полимерные (биодеградируемые) Синтетические Полиметилметакрилат Полиметилцианакрилат и др. Гамма-полиглутаминовая кислота Полилактид Поли(лактид-ко-гликолид) Натуральные Хитозан Альбумин Желатин Агароза Квантовые точки Селенид кадмия Теллурид кадмия Фосфид индия Арсенид индия Металлические Золото Серебро Суперпарамагнитные Оксид железа Перфторуглеродные Наночастицы, состоящие из жидкого перфторуглеродного ядра, покрытые липидным монослоем Наличие наноструктур и наночастиц, обладающих особыми свойствами, обусловливает необходимость разработки соответствующих технологий. В настоящее время под термином «нанотехнология» подразумевают создание и использование различных материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований [10-12]. В соответствии с этим нанотехнологии предполагают контролируемое регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне (1-100 нм), определяющих большинство фундаментальных параметров и свойства физических объектов на основе целенаправленного манипулирования их атомами и молекулами [13-15]. Выбор основных инвестиционных наноприоритетов в большинстве развитых стран мира обусловлен прежде всего получением наибольшей финансовой отдачи. В Российской Федерации одним из важных приоритетов наноиндустрии является сфера недропользования. Однако освоение (разработка) выявленных к настоящему времени значительных объемов природных газогидратов (прежде всего - аквальных залежей), содержащих около 15000 · 1012 м3 СН4, сдерживается их довольно неустойчивым состоянием, обусловливающим возможное быстротечное (взрывное) разрушение их массивов, что существенно осложняет использование промышленных технологий их разработки и даже препятствует их применению [16]. Отметим, что традиционно эффективность возможной промышленной добычи аквальных газогидратов определяется, как правило, только давлением, температурой, солевым (ионным) составом морских (океанических) вод, параметрами придонных течений, наличием и характеристиками различных дисперсных частиц, характеристиками и свойствами включенных газов и некоторыми другими факторами обычной размерности [17]. Основным структурным элементом газовых гидратов является кристаллическая ячейка, состоящая из молекул воды, внутри которой и размещена молекула газа [18]. Структура гидратов подобна структуре льда, но отличается от последней тем, что молекулы газа расположены внутри кристаллических решеток (рис. 2), а не между ними. Рис. 2. Упаковка метана в газогидратах Способностью образовывать газовые гидраты обладают все гидрофобные газы и легколетучие органические жидкости (Ar, N2, О2, СН4, С2Н4, С2Н6, С3Н6, С3Н8, изо-С4Н10, H2S, Сl2, галогенопроизводные углеводородов С1-С4 и т. д.), а также некоторые гидрофильные соединения (СО2, С3Н6О (ацетон) и SО2) [18, 19]. К настоящему времени предложено два принципиально разных механизма образования газовых гидратов [15]: - механическое вхождение молекулы СН4 в полость кристалла воды; - донорно-акцепторное образование газовых гидратов. Каждый из этих механизмов образования газогидратов предполагает и принципиально разные технологии их освоения: - механистический - технологии, базирующиеся на основе повышения температуры и снижения давления, а также с использованием различных ингибиторов; - донорно-акцепторный (дипольный) - соответствующие ему наноразмерные технологии. Так, согласно механистическому механизму образования газовых гидратов, для практического использования в настоящее время предлагаются 3 основных способа добычи газа из аквальных гидратосодержащих залежей (рис. 3): - депрессионный (предусматривающий понижение давления ниже равновесного); - тепловой (обусловленный нагревом гидратов выше равновесной температуры); - химический; - комбинации методов. Рис. 3. Основные известные методы добычи газа из газовых гидратов [20] При разработке технологии освоения газогидратных залежей по донорно-акцепторному механизму более приемлемым является использование различных наночастиц. В частности, к настоящему времени получены следующие новые наночастицы и наноматериалы [2, 21]: - неионные коллоидные растворы наночастиц металлов; - анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов; - гидратированные наночастицы биогенных металлов; - гидратированные и карботированные наночастицы биогенных металлов; - электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов; - электрически нейтральные и электрически заряженные металлические наночастицы в аморфном состоянии; - структурированные агломераты наночастиц; - наногальванические элементы; - энергоаккумулирующие металлические наноматериалы. Кроме этого, промышленным методом уже созданы мелкодисперсные водные коллоидные растворы фуллеренов С60 и С70, содержащие частицы размерами менее 0,22 мкм (или 2200 Å) [22]. Отметим, что эти растворы довольно стабильны в течение трех месяцев [23]. В [24] показано, что коллоидные растворы фуллеренов являются типичными гидрофобными гидрозолями, в которых частицы имеют поверхностный отрицательный заряд. Сами частицы имеют преимущественно сферическую форму [23]. Получены также коллоидные растворы с концентрацией фуллеренов С60 вплоть до 2 . 10-3 моль/дм3, которые являются стабильными в течение 12-18 месяцев [24]. Отметим, что эти растворы коагулируют при добавлении к ним электролитов [23]. В настоящее время синтезирован еще один водный молекулярно-коллоидный раствор (СnFWS) по меньшей мере одного гидратированного фуллерена [25]. Минимальный размер кластерных частиц в таких растворах составляет 34 Å, а сами частицы представляют собой агрегаты, состоящие из 13 молекул фуллерена С60, причем каждая из них окружена 20-24 молекулами Н2О [26]. В целом фуллерены представляют собой шарообразные сетчатые полые молекулы, в которых число атомов углерода n может быть различным, начиная с 60 (диаметром ~10 Å). Наиболее распространенным, изученным и типичным представителем фуллеренов является С60 [23]. Известны молекулы фуллеренов Сn, содержащие 70, 76, 82, 84 и до 240 атомов углерода. Очевидно, что чем большее число атомов углерода содержится в молекуле фуллерена, тем больше по размеру и сама молекула [23]. Следует отметить, что с увеличением n фуллерены становятся менее доступными и более редкими, однако их основные физико-химические свойства достаточно близки, вследствие чего в водных растворах они ведут себя одинаково, и закономерности формирования коллоидных растворов фуллеренов, независимо от n, также одинаковы. Символ @ в их формуле означает, что сферическая молекула фуллерена Cn окружена сферической сеткой, состоящей из адсорбированных молекул воды, которые связаны между собой водородными связями [23]. Как было показано в [26], количество молекул воды (m + n), адсорбированных на поверхности каждой молекулы фуллерена С60, равно или больше 20. Для последовательного (не взрывного) промышленного разрушения клатратных соединений - газогидратов (с целью извлечения содержащегося там метана) целесообразно подавать к ним наночастицы в составе неактивных водных струй в количестве, соответствующем запланированному количеству разрушаемых газогидратов. Первоначально предполагалось подавать наночастицы любой формы. Главным условием являлась их соразмерность с разрушаемыми ячейками клатратов - газовых гидратов. В дальнейшем была установлена зависимость эффективности разрушения газогидратов от формы наночастиц и прежде всего - от таких, которые имеют различные шипы и иголки. Наноструктуры, которые выглядят как морские ежи, создаются очень легко электрохимическим методом [27]. Основным материалом для их строительства является полистирол. Микросфера полистирола составляет основу, на которой полупроводниковый оксид цинка посредством нанопроводов образует трехмерную поверхность. Получаются полые, сферической формы структуры, с шипами, торчащими во все стороны, которые выглядят так же, как морские ежи. Однако для последующей эффективной разработки залежей газогидратов имеет большое значение и механизм их возникновения и формирования (уже не как отдельной частицы-клатрата, а как залежи в целом). В целом механизм формирования газогидратных залежей определяется многими, зачастую стохастическими факторами [28]: интенсивностью генерации и особенностями миграции углеводородов, составом газа, степенью газонасыщенности и минерализации вод, литологической характеристикой разреза, структурой пористой среды, термодинамическим режимом разреза вмещающих пород, геотермическим градиентом в зоне гидратообразования и в подстилающих породах, фазовым состоянием гидратообразователей и др. Знание кинетики и морфологии образования залежей газогидратов будет способствовать разработке более эффективных технологий их освоения, что обусловлено различиями в их строении (рис. 4). Рис. 4. Различные виды газовых гидратов озера Байкал [29]: А - порфировидные; В, С - массивные; D - скопления гранул; Е - гранулы и вертикальные слои-жилы; F - слои и гидрат в виде цемента между ними (серый осадок между белыми слоями); G - слои; H, I, J - жилы и прожилки различного залегания Вследствие этого целесообразно найти общие закономерности на уровне наноразмеров, позволяющие эффективно их разрабатывать. Очевидно, что различные виды газогидратных залежей (порфировидные, массивные, грануловидные, жилы, прожилки и т. д.), а также их перемешивание при формировании с илом и илистыми частицами будет предопределять возможные количественные параметры и основные режимы промышленных технологий их разработки. Выводы Эффективное освоение газогидратных залежей, в связи с их крайне нестабильным состоянием, может быть достигнуто только на основе применения нанотехнологий. При этом целесообразно применять различные наночастицы, и прежде всего - обладающие шипами и иголками, позволяющими интенсифицировать разрушение газогидратной залежи.
Список литературы

1. Киселев В. Н. Инновационная политика в области нанотехнологий: опыт США и ЕС / В. Н. Киселев, Д. А. Рубвальтер, О. В. Руденский // Информ.-аналит. бюл. № 1. М.: ЦИСН, 2008.

2. URL: http://www.allbest.ru.

3. Алексенко А. Г. Нанотехнология как основа новой научно-технической революции / А. Г. Алексенко // Наука и технологии в промышленности. 2004. № 3-4. С. 56-61.

4. Андриевский Р. А. Наноструктурные материалы / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. М.: Изд. центр «Академия», 2005. 192 с.

5. Рынок нано: от нанотехнологий - к нанопродуктам. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 319 с.

6. Губин С. П. Магнитные наночастицы: методы получения, строение, свойства / С. П. Губин, Ю. А. Кокшаров, Г. Б. Хомутов, Г. Ю. Юрков // URL: http://magneticliquid.narod.ru/autority/437.htm.

7. Елисеев А. А. Функциональные наноматериалы / А. А. Елисеев, А. В. Лукашин. М.: Физматлит, 2010. 456 с.

8. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И. П. Суздалев. М.: URSS, 2006. 592 c.

9. Разновидности наночастиц // URL: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy.

10. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику / Ю. и. Головин. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.

11. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А. И. Гусев. М.: Физматлит, 2005. 410 с.

12. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам: сб. ст. под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2005. 592 с.

13. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005. 448 с.

14. Рамбиди Н. Г. Физические и химические основы нанотехнологий / Н. Г. Рамбиди, А. В. Березкин. М: Физматлит, 2008. 455 с.

15. Хавкин А. Я. Наноявления и нанотехнологии в добыче нефти и газа / А. Я. Хавкин / под ред. член-корр. РАН Г. К. Сафаралиева. М.; Ижевск, 2010. 692 с.

16. Воробьев А. Е. Наноявления и нанотехнологии при разработке нефтяных и газовых месторождений / А. Е. Воробьев, В. П. Малюков. М.: РУДН, 2009. 106 с.

17. Воробьев А. Е. Аквальные залежи газогидратов: ресурсы и инновационные технологии освоения / А. Е. Воробьев, Г. Ж. Молдабаева, Е. С. Орынгожин, Е. В. Чекушина. Алматы: КазНТУ, 2013. 403 с.

18. Дядин Ю. А. Газовые гидраты / Ю. А. Дядин, А. Л. Гущин // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 3. С. 55-64.

19. Сергеев Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. М.: Изд-во МГУ, 2009. 288 с.

20. Басниев К. С. Способы разработки газогидратных месторождений / К. С. Басниев, В. В. Кульчицкий, А. В. Щебетов, А. В. Нифантов // Газовая промышленность. 2006. № 7. С. 22-24.

21. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности / Л. Фостер. М.: URSS, 2008. 352 c.

22. Andrievsky G. V. On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes / G. V. Andrievsky, M. V. Kosevich, O. M. Vovk, V. S. Shelkovsky, L. A. Vashchenko // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995. Iss. 12. P. 1281-1282 // URL: http://www.ipacom.com/index.php/en/publications-about-c60hyfn/71-physical-and-chemical-properties.

23. Пат. Российская Федерация 2213692. Водный молекулярно-коллоидный раствор по меньшей мере одного гидратированного фуллерена / Андриевский Г. В., Клочков В. К.; опубл. 10.10.2003.

24. Mchedlov-Petrossyan N. O. Colloidal dispersions of fullerene С60 in water: some properties and regularities of coagulation by electrolytes / N. O. Mchedlov-Petrossyan, V. K. Klochkov, G. V. Andrievsky // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1997. Iss. 93. P. 4343-4346.

25. Andrievsky G. V. Studies of aqueous colloidal solutions of fullerene С60 by electron microscopy / G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, E. L. Karyakina, N. O. Mchedlov-Petrossyan // Chemical Physics Letters. 1999. Vol. 300, iss. 3-4. P. 392-396.

26. Andrievsky G. V. FWS-molecular-colloid systems of hydrated fullerenes and their fractal clusters in water solutions / G. V. Andrievsky, V. К. Klochkov, L. I. Derevyanchenko // The Electrochemical Society Interface (195-th Meeting, May 2-6, 1999, Seattle, Washington) Spring 1999, Abs#710.

27. Ежи и наноструктуры // URL: http://youege.com/vysokie-texnologii/ezhi-i-nanostruktury.

28. Макогон Ю. Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели формирования, ресурсы / Ю. Ф. Макогон // Российский химический журнал. 2003. Т. 47, № 3. С. 70-79.

29. Клеркс Ж. Гидраты метана в поверхностном слое глубоководных осадков озера Байкал / Ж. Клеркс, Т. И. Земская, Т. В. Матвеева // Докл. Акад. наук. 2003. Т. 393, № 6. С. 822-826.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 Unported

© "Редакция научных журналов"
Поддержка Powered by Editorum,  Инструкции
Войти или Создать
* Забыли пароль?