Zeolity, gaz i ciepełko.

1.6.2016 Daniel Brak komentarzy

Prawda jest taka, że lato pomału dobiega końca, a tym samym zbliża się sezon grzewczy. Jak co roku powróci więc temat ogrzewania, kosztów z nim związanych oraz utrzymującego się na ulicach miast smogu. Powróci też pytanie – czym grzać? Najbardziej korzystną opcją, z punktu widzenia ekologii oraz ekonomii, jest ogrzewanie gazem; w odróżnieniu od węgla, nie wymaga ono brudzenia sobie rąk i nie generuje smogu, zaś w odróżnieniu od prądu – nie rujnuje domowego budżetu. Mało kto zdaje sobie jednak sprawę z faktu, że aby osiągnąć przyjemne i ekologiczne ciepełko w naszych domach niezbędne są… zeolity.

Gaz ziemny, który wydobywamy, nie nadaje się bowiem do bezpośredniego użycia w piecykach – wcześniej musi zostać odpowiednio oczyszczony. Proces oczyszczania obejmuje usunięcie z mieszaniny gazowej tak zwanych gazów kwaśnych (dwutlenku węgla i siarkowodoru), a niekiedy także azotu i rtęci. Co więcej, jeżeli gaz pochodzi ze złóż skondensowanych, to dodatkowo należy rozdzielić go od ropy naftowej. Gaz powinien także zostać osuszony, przy czym osuszanie nie oznacza tu całkowitego usunięcia pary wodnej. Wystarczy jedynie usunąć ją w takim stopniu, aby nie doszło do jej skroplenia w temperaturze minimalnej procesu. W praktyce oznacza to, że usuwamy tyle pary, aby temperatura punktu rosy była o mniej więcej 5°C niższa od minimalnej temperatury, w jakiej znajdzie się gaz ziemny.

Wróćmy jednak do tematu zanieczyszczeń. Gaz ziemny możemy oczyścić za pomocą różnych metod, na przykład na drodze destylacji. Zużywa ona jednak dość dużo energii oraz wymaga użycia skomplikowanych urządzeń. Siarkowodór możemy także usunąć w procesach utleniania, co jednak wymaga budowy dużych instalacji i znów wiąże się ze znacznymi kosztami. Znacznie tańszym sposobem jest natomiast rozdzielanie mieszaniny gazów za pomocą membran, a więc z wykorzystaniem sit molekularnych – czyli zeolitów. Zeolity, ze względu na swoją unikalną strukturę, zachowują się jak sita molekularne i wychwytują cząsteczki gazów o ściśle określonej wielkości i kształcie molekuł. Zachodząca na sitach adsorpcja umożliwia selektywne usunięcie różnych rodzajów zanieczyszczeń i jest procesem znacznie bardziej korzystnym z punktu widzenia kalkulacji kosztów. Często adsorpcja jest również uzupełniana o sorpcję na aktywnym tlenku węgla, która odbywa się w wysokiej temperaturze i umożliwia dokładniejsze odsiarczenie gazu.

W charakterze sit molekularnych używane są najczęściej zeolity o średnicy porów poniżej 1 nanometra, zaś membrana do rozdzielania mieszanin gazowych jest zwykle złożona z cienkiej warstewki zeolitu umieszczonej na ceramicznym podłożu. Różne typy zeolitów, ze względu na swoją odmienną strukturę i wynikające z niej właściwości, mogą służyć do usuwania różnego typu zanieczyszczeń.

Na przykład zeolit typu MF1 stosowany jest w membranie wychwytującej paraksylen z mieszaniny izomerów ksylenu, stosowany na przykład w butelkach typu PET. Inny przykładem może być zeolit typu DDR, który stosowany jest to oddzielania metanu od dwutlenku węgla. Ta technologia być może znajdzie też zastosowanie w procesach rafinacji gazu ziemnego oraz metanu, zawartego w biogazie pozyskiwanym w efekcie fermentacji wysypisk śmieci.

A po co właściwie oczyszczać gaz ziemny? Przecież… i tak się spali. Otóż, nie do końca. Niektóre komponenty, a właściwie zanieczyszczenia, jak np. rtęć, są bardzo toksyczne, zaś akumulacja tych związków w pomieszczeniach z otwartą komora spalania może być niebezpieczna dla zdrowia i życia ludzi.

Co więcej, występuje także zjawisko tzw. korozji rtęciowej, która jest niebezpieczna dla instalacji służących do skraplania zawartego w gazie azotu. Ponieważ rtęć nie rozpuszcza się w wodzie, usunięcie jej tradycyjnymi (mokrymi) metodami jest niemożliwe. Z tego powodu stosuje się chemiczną sorpcję rtęci, z użyciem adsorbentów ceramicznych, węgla lub… zeolitów.

Kiedy więc podczas długich, jesiennych wieczorów zasiądziemy w domowym zaciszu, pomyślmy ciepło o minerałach, którym to ciepełko zawdzięczamy.

...