Производство дизельного топлива с низким содержанием серы с помощью ультразвуковой каталитической окислительной технологии, использующей новые нанокомпозиты на основе смешанных оксидов с поддержкой экстракции растворителем

Почему очистка дизеля важна

Каждый раз при работе дизельного двигателя мелкие серосодержащие соединения в топливе могут превращаться в вредные газы и тонкие частицы, загрязняющие воздух и угрожающие здоровью людей. Во многих странах теперь требуются топлива с очень низким содержанием серы, но стандартный промышленный метод очистки требует большой энергии и дорог. В этом исследовании рассматривается более рациональный способ удаления серы из реального дизеля с помощью звуковых волн, «умных» наноматериалов и заключительного промывочного этапа с тщательно подобранными растворителями, с целью получить более чистое топливо при меньших энергозатратах и стоимости.

Новый путь вместо традиционных методов НПЗ

На НПЗ обычно применяют гидродесульфуризацию — процесс, при котором серу удаляют из топлива при высоких температурах и давлениях с использованием большого количества водорода. Хотя этот метод эффективен для простых серосодержащих соединений, он с трудом справляется с устойчивыми циклическими молекулами, плотно связанными с дизелем, и требует значительных энергозатрат и дорогостоящего водорода. Исследователи поставили задачу разработать альтернативу, работающую при гораздо более мягких условиях. Их подход сочетает окислительную химию, превращающую серу в более легкоудаляемые формы, и ультразвук, который с помощью высокочастотных звуковых волн интенсивнее перемешивает и активирует реагирующие жидкости.

Крошечные помощники из смешанных металлов

В основе нового метода — наночастицы смешанных оксидов, содержащие железо, кобальт и никель. Эти частицы получали простым осаждением, а затем нагревали для формирования небольших твердых оксидных зерен. Регулируя время формирования частиц — от получаса до восьми часов — команда настраивала их размер, внутреннюю структуру, магнитные свойства и удельную поверхность. Образец, приготовленный всего за 0,5 часа и обозначенный как T1, имел наибольшую поверхность, небольшие и относительно однородные частицы и множество доступных пор. Эти свойства делали его особенно эффективным в контакте с серными молекулами в дизеле и в активации перекиси водорода, выбранного окислителя, для атаки на серу.

Звуковые волны ускоряют реакцию

Этап десульфуризации проходит в жидкой смеси дизеля, перекиси водорода и катализатора Fe–Co–Ni при воздействии ультразвука. Звуковые волны создают микропузырьки, которые быстро растут и схлопываются, формируя микроскопические горячие точки и интенсивное локальное смешивание. При тщательно подобранных условиях — около 60 °C, 90 минут обработки, объемном соотношении перекиси к дизелю 1:1 и 10 граммов катализатора на литр — процесс окисляет большую часть серосодержащих соединений в более полярные продукты, называемые сульфонами. С лучшим немодифицированным катализатором (T1) содержание серы в дизеле сократилось более чем вдвое за этот один этап, и исследование показало, как время реакции, температура, количество окислителя и доза катализатора влияют на эффективность и стабильность.

От окисления к вымыванию серы

Само по себе окисление не удаляет серу из жидкой фазы; оно превращает серосодержащие соединения в формы, которые предпочитают находиться в полярных жидкостях, а не в масляном дизеле. Поэтому после ультразвуковой стадии исследователи провели этап экстракции растворителем, при котором обработанное топливо сопоставляли с полярным растворителем, выборочно вытесняющим окисленную серу. Они сравнили несколько вариантов и обнаружили, что смесь диметилформамида (DMF) и ацетонитрила работает особенно эффективно. При соотношении растворителя к топливу 4:1 эта постобработка повысила общее удаление серы с примерно 55–60% после одного окисления до примерно 89%, показав, что окисление и экстракция в сочетании работают значительно лучше, чем по отдельности.

Улучшение эффективности с защитной оболочкой

Чтобы дополнительно повысить эффективность, команда покрыла частицы смешанного оксида тонким слоем полистирола, создав структуру «ядро–оболочка». Полимерная оболочка добавляет пористости и содержит ароматические кольца, которые сильно взаимодействуют с циклическими серосодержащими молекулами в дизеле, помогая притягивать их к активному оксидному ядру. При оптимизированных ультразвуковых и экстракционных условиях этот модифицированный катализатор снизил содержание серы в реальном образце дизеля примерно с 21 700 частей на миллион до всего 920 частей на миллион. Это соответствует примерно 96% удалению серы, достигнутому при относительно мягких температурах и без экстремальных давлений и потребления водорода, характерных для традиционных установок НПЗ.

Что это значит для более чистого топлива

Проще говоря, исследование показывает, что сочетание продуманных наноматериалов, звуковых волн и подобранной промывки растворителем может удалить большую часть серы из реального дизельного топлива без большой энергетической нагрузки традиционных методов. Частицы смешанных оксидов ускоряют химию, ультразвук помогает разным жидкостям взаимодействовать и реагировать, а финальный растворительный этап физически уносит окисленную серу. Хотя для масштабирования подхода и достижения самых строгих предельных значений по ультранизкой серности потребуются дополнительные инженерные решения, работа указывает на более гибкие и энергоэффективные технологии очистки топлива, способные сократить загрязнение воздуха и снизить экологический след использования дизеля.

Цитирование: Zahran, A.I., El-Fawal, E.M., Naggar, A.M.A.E. et al. Production of low sulfur diesel fuel through ultrasonic catalytic oxidative route using novel mixed oxides nanocomposites assisted by solvent extraction. Sci Rep 16, 12058 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39220-0

Ключевые слова: десульфуризация дизеля, ультразвуковая катализация, наночастичные каталитические материалы, окислительная очистка, топливо с низким содержанием серы