УЛАВЛИВАНИЕ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ

Краткое содержание

Из всех проблем, стоящих перед человечеством, изменение климата является важнейшей, тем более, что скорость его изменения нарастает и, по прогнозам специалистов, ситуация с климатом будет ухудшаться. Изменение климата неразрывно связано с деградацией биосферы Земли. В конечном итоге речь идет о сохранении жизни на нашей планете. Необходимо принимать соответствующие меры уже сейчас. Поэтому рассуждения о том "когда это ещё будет и будет ли вообще" – для ленивых, беспечных и себялюбивых людей.

Уже сейчас из-за выбросов промышленностью "парниковых" газов на наших глазах температура околоземного пространства повышается, меняется климат: наблюдается резкий перепад температур, снег выпадает там, где его никогда не было, а толщина арктического льда уменьшилась почти на 40% (на Северном полюсе даже обнаружена громадная полынья), повторяемость засух возросла в 8 раз, разрушительная сила ураганов – в 2 раза, резко увеличилось количество и губительные последствия наводнений. Все это результат недальновидности, чрезмерного материализма и жадности, а также нежелания за сиюминутной выгодой увидеть (оценить) последствия.

Каким образом можно уловить СО2, SO2 и другие газовые выбросы?

В промышленном масштабе очистку газовых выбросов на тепловых электростанциях, предприятиях черной и цветной металлургии, цементных заводах и предприятиях химической промышленности применяют многозвенную систему с фильтрами и циклонами, которые улавливают твердые частицы, а также с применением различных абсорбционных и адсорбционных методов.

Введение

Углекислый газ является главным компонентом процесса фотосинтеза, т.к. в его составе содержится углерод (символ С в периодической системе элементов

Д.И. Менделеева). Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах.

Суммарное выражение фотосинтеза у растений можно представить следующим уравнением:

Растения и живые организмы, населяющие водную толщу и поверхность суши, недолговечны. По мере их отмирания образовывалось  мертвое органическое вещество, или детрит. Одна часть этого вещества быстро

перерабатывалась бактериями с выделением углекислого газа. Другая попадала в осадочные породы, например, каменный уголь, известняк или нефть. А третья – на довольно длительное время задерживалась во внешней среде, например, в болотах происходило накопление неразложившихся растительных остатков и образование торфа.

Из сказанного следует, что жизнь на Земле возникла и существует благодаря:

• Фотосинтетическому кругообороту вещества и энергии живых организмов.

• Реакция фотосинтеза является обратимой, т.е. она может проходить с поглощением СО2 и выделением О2 или наоборот с выделением СО2 и поглощением О2.

•   Природа предусмотрела процесс вывода из этого кругооборота углерода и его соединений на длительное время, что позволяло и пока позволяет сместить обратимую реакцию фотосинтеза в направлении поглощения СО2 и выделения О2.

Таким образом, углекислый газ, наряду с кислородом, является лимитирующим газом, обуславливающим существование жизни на Земле. Он содержится как в воздухе, так и в воде.

В энциклопедическом словаре говорится, что воздух – это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08%), кислород (20,95%), инертные газы (0, 94%) и углекислый газ (0,03%) [1].

Соотношение кислорода и углекислого газа в воздухе составляет:

Концентрация N2 (азота) в воде при 0°С равна 23,54 мг/л, а растворимость кислорода при тех же условиях равна 48,89 мг/л. Растворимость большинства газов в воде по порядку величин не отличается от растворимости основных компонентов воздуха – азота и кислорода. Исключения составляют газы, которые химически соединяются с водой или сильно диссоциируют на ионы. К числу таких газов относятся: углекислый газ - СО2 (растворимость 1713 мг/л при 0ºС), сероводород – H2S (4670 мг/л при 0ºС), а также двуокись серы – SO2 и аммиак –      NH3,  обладающие   исключительно  высокой   растворимостью.  Количество  растворенных   в  воде  газов уменьшается с повышением температуры [1].

Это значит сто соотношение между кислородом и углекислым газом (0oC, давление атмосферное) составляет:

можно считать одним из видов задержания во внешней среде и выводе таким образом из фотосинтетического оборота углерода и его соединений.

•   С ростом температуры содержание СО2 и О2 в воде будет уменьшаться. Выделение пузырьков газа при небольшом нагревании газированной воды или шампанского служит лучшим подтверждением данного вывода.

•    Из первых двух выводов следует самый главный вывод – при нагревании воды, и, следовательно, Мирового Океана, морей, водоемов, рек будет происходить преобладающее выделение СО2 по сравнению с N2 и О2.

•   Выделение СО2, N2 и О2 из воды Мирового Океана, морей, водоемов и рек при их некотором нагревании приведет к значительному увеличению концентрации СО2 в воздухе, т.к. его содержание в воде намного превосходит содержание О2 и N2.

Что в результате этого может произойти?

В начале XXI столетия жители Земли переживают не кризис, волнующий слабые души, а величайший перелом научной мысли человечества, совершающейся лишь раз в тысячелетие. Речь идет о выборе такого пути развития, при котором необходимые потребности человека удовлетворялись бы без ущерба для будущих поколений и биосферы в целом. Потребности должны быть необходимыми, но не чрезмерными, а результаты деятельности человека по производству товаров и услуг не должны перекрывать возможности биосферы или, другими словами, недопустима ее деградация в результате этой деятельности. Однако, в настоящее время человечество активно проводит политику интенсивного уничтожения среды своего обитания.

В частности, происходящее с интенсивностью 0,4% в год накопление в атмосфере СО2 вследствие процессов поглощения, преобразования и преимущественного излучения молекулами СО2 инфракрасной части светового спектра внутрь земной атмосферы приводит к "парниковому эффекту" – глобальному потеплению климата Земли.

Из всех проблем, стоящих перед человечеством, изменение климата является важнейшей, тем более, что скорость его изменения нарастает и, по прогнозам специалистов, ситуация с климатом будет ухудшаться. Изменение климата неразрывно связано с деградацией биосферы Земли. В конечном итоге речь идет о сохранении жизни на нашей планете. Имеются весьма обоснованные опасения, что Земля может повторить судьбу Марса или Венеры, если не принимать соответствующие меры уже сейчас. Поэтому рассуждения о том "когда это еще будет и будет ли вообще" – для ленивых и нелюбознательных, а точнее для ленивых, беспечных и себялюбивых людей.

Эксперимент

Уже сейчас из-за выбросов промышленностью "парниковых" газов на наших глазах температура околоземного пространства повышается, меняется климат: наблюдается резкий перепад температур, снег выпадает там, где его никогда не было, а толщина арктического льда уменьшилась почти на 40% (на Северном полюсе даже обнаружена громадная полынья), повторяемость засух возросла в 8 раз, разрушительная сила ураганов – в 2 раза, резко увеличилось количество и губительные последствия наводнений. Все это результат недальновидности, чрезмерного материализма и жадности, а также нежелания за сиюминутной выгодой увидеть (оценить) последствия.

 Несмотря на сокращение производства и закрытие многих предприятий уровень загрязнения атмосферы остается высоким. В целом по городам России средняя концентрация диоксида углерода, диоксида азота, сероуглерода, формальдегида и бензпирена в воздухе превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК).

Каким образом можно уловить СО2, SO2 и другие газовые выбросы?

В промышленном масштабе очистку газовых выбросов на тепловых электростанциях, предприятиях черной и цветной металлургии, цементных заводах и предприятиях химической промышленности проводят с помощью фильтров и циклонов, которые удаляют твердые частицы, а также с помощью различных абсорбционных и адсорбционных методов.

К великому сожалению в настоящее время нет эффективного метода улавливания СО2!!!

Из Рисунка 1 следует, что СО2 можно уловить, используя гидроокиси Ba, Ca, Mg, Sr, Fe(II), Ni, Co, Mn, Zn, Ag, Pb, Cu. Однако, из названных элементов практическое значение имеют гидроокиси Са2+ и Мg2+, которые достаточно широко распространены на Земле и по данному показателю занимают пятое и восьмое место. Поэтому в промышленных производствах в основном используются гидроокиси Mg2+ и Са2+, особенно последнего элемента.

СО2 эффективно улавливается только в скрубберах с использованием водного раствора Са(ОН)2 (гидроокиси кальция). Однако, данный метод не может быть использован на практике, т.к. получение Са(ОН)2 и улавливание СО2 происходит в соответствии со следующими реакциями:

Таким образом, чтобы получить Са(ОН)2 и улавливать СО2 с образованием СаСО3 требуется разложить природное сырье – известняк (мел, ракушечник, мрамор и др.) с выделением в атмосферу СО2, что делает бессмысленным данный метод улавливания.

Откуда и как еще можно получить Са(ОН)2?

Природная и, особенно, жесткая вода, т.е. вода с повышенным содержанием ионов Са2+ и Mg2+, может послужить источником сырья для мокрого улавливания СО2, SO2 и других газовых выбросов тепловых электростанций. Причем получение гидроокисей Са2+ и Mg2+ следует совместить с другим процессом – умягчением воды, который проводится на всех предприятиях энергетического комплекса. Соли ионов Са2+ и Mg2+ образуют накипь на стенках тепло-энергетических устройств, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению коэффициента полезного действия (КПД) всего энергетического комплекса. Поэтому умягчение воды проводится на всех тепловых и атомных электростанциях с использованием традиционных методов обессоливания

–   нанофильтрации, обратного осмоса, электродиализа, ионного обмена или их сочетания и очень редко методом выпаривания.

Все обессоливающие установки наряду с очищенной пресной водой производят определенное количество растворов со значительной концентрацией солей – рассолов. Эти концентрированные растворы должны быть утилизированы в производственных процессах, либо подвергнуты дальнейшему концентрированию для получения твердых солей с последующим их использованием или безопасным захоронением. Следует отметить, что проблема переработки рассолов и рапы даже в США и Японии решается крайне медленно.

Данную проблему позволяет решить новая технология мембранного разделения основанная на неэквивалентном переносе (прямом осмосе) ионов растворенных веществ через полупроницаемую мембрану. В этом процессе указанный недостаток отсутствует благодаря тому, что через мембрану проходят ионы растворенных веществ, например, ионы Са2+, в то время как в традиционном процессе обратного осмоса через мембрану проходит вода и задерживаются ионы растворенных веществ. Поэтому в процессах эквивалентного переноса растворенных ионов – нанофильтрации и обратного осмоса образуется рассол, содержащий все анионы и катионы растворенных в исходной воде веществ, что затрудняет его утилизацию [2]. Эквивалентность переноса ионов одинакового заряда хорошо иллюстрируется данными Табл.1.

Таблица 1 

Результаты разделения многокомпонентных растворов электролитов

Кроме нерешенной проблемы рассолов нанофильтрация, обратный осмос и традиционный электродиализ не позволяют решить и другую задачу современной теплоэнергетики – обеспечить выполнение более жестких показателей к технической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,01-0,05 мг-экв/л и ниже).

В Табл.2 приводятся требования по общей жесткости питательной воды для котлов различных типов.

Таблица 2 

Требования к воде для котлов различных типов.

Например, при обычной жесткости воды 3,5-7 мг-экв/л одноступенчатая обратноосмотическая установка с селективностью мембран (степенью очистки воды) 99% позволяет уменьшить этот показатель до 0,035-0,07 мг- экв/л. Из сравнения этих данных с данными Табл.2 следует, что для котлов высокого давления такая степень очистки недостаточна.

Поэтому в промышленности для умягчения воды после установок обратного осмоса используют установки ионного обмена, что, впрочем, не всегда позволяет получить воду требуемого качества.

Результаты и обсуждение

Таким образом, разработанная технология умягчения неэквивалентного переноса или прямого осмоса решает одновременно несколько задач:

·   Позволяет умягчать воду.

· Заменить установки обратного осмоса и ионного обмена.

· Исключить применение реагентов для регенерации ионообменных смол или мембран.

·    Избежать образования рассолов и получить раствор. Са(ОН)2+Mg(OH)2 с  рН=9-11, который можно использовать для улавливания СO2, SO2, NOx и других газовых выбросов.

·   И, самое главное, связать газовые выбросы в труднорастворимые соли (СаСО3, CaSO3 и другие), которые можно использовать в строительстве и таким образом вывести из фотосинтетического кругооборота веществ СO2, образующийся при сжигании топлива на тепловых электростанциях.

Выводы

Мембранная технология неэквивалентного переноса ионов (прямой осмос), жесткость воды и конопля являются научной и  технической базой  для комплекса мер, направленных на решение проблемы выбросов парниковых газов.

Также прямой осмос делает возможным решение ряда проблем, связанных с улавливанием парниковых газов:

· Получение  низкотемпературной  плазмы  воды  и  использовать   эффект  Холла  для  увеличения эффективности тепловых электростанций в 1,5 – 2 раза;

·   Получать антиоксидантную воду, которая поможет увеличить прирост веса в мясной промышленности, урожайность тепличных хозяйств и улавливание NH3 с получением азотных удобрений;

· Перевести целлюлозно-бумажные заводы на низкокачественную древесину.

Эти и некоторые другие разработанные физико-химические и технологические процессы будут описаны в дальнейших публикациях.

Список литературы

1. Terpugov D., Terpugov G. Greenhouse gases trapping. Journal of chemistry and chemical engineering.V7, №1, 2013, P. 50-55