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:

Из образовавшейся в результате фотосинтеза глюкозы при участии минеральных веществ, растворенных в воде, синтезируются углеводы - белки, липиды, пигменты, витамины и другие органические вещества. В процессе клеточного дыхания растений глюкоза расщепляется на углекислый газ и воду, высвобождая энергию, т.е. происходит процесс обратный фотосинтезу.

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:

Следовательно, содержание О2 в воздухе в ≈ 698 раз больше, чем СО2. Совершенно другое соотношение имеет место в воде.

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.

Электроэнергетика 28,5 (26) Цветная металлургия 21,6 (9,8) Черная металлургия 15,2 (17,1) Нефтедобыча 7,9 (8,7) Нефтепереработка 5,1(6,4) Машиностроение 3,6 Угольная промышленность 3,6 Газовая промышленность 3,3 Производство строительных материалов 3,2 (4,9) Химическая промышленность 2,7 Деревообработка 2,6 Пищевая промышленность 1,5 Оборонная промышленность 0,6 Легкая промышленность 0,4.

Ниже представлен существующий в настоящее время вклад (%) в загрязнение атмосферного воздуха основных отраслей промышленности (в скобках приводятся данные по 1987 г.):

 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

Система	Наблюдаемая селективность по ионам, %
	Na+	K+	Ca2+	Mg2+	Cl-	SO 2- 4
NaCl–H2O	88,1	–	–	–	87,0	–
KCl–H2O	–	87,2	–	–	85,3	–
CaCl2–H2O	–	–	92,5	–	91,5	–
MgCl2–H2O	–	–	–	93,4	93,2	–
Na2SO4–H2O	92,0	–	–	–	–	90,6
NaCl–KCl–H2O	89,0	87,5	–	–	86,0	–
NaCl–CaCl2–H2O	89,3	–	93,3	–	90,6	–
KCl– CaCl2–H2O	–	87,0	93,3	–	90,9	–
CaCl2– MgCl2–H2O	–	–	92,9	92,5	92,3	–
NaCl– Na2SO4–H2O	87,0	–	–	–	78,6	90,9
NaCl–KCl–CaCl2–H2O	88,7	84,7	93,3	–	91,6	–
NaCl–KCl–MgCl2–H2O	89,0	84,4	–	92,8	88,8	–
NaCl–CaCl2–MgCl2–H2O	85,0	–	93,7	92,5	91,6	–
KCl–CaCl2–MgCl2–H2O	–	84,3	93,3	90,9	92,1	–

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.

Тип котла	Рабочее давление, атм	Общая жесткость воды, мг-экв/л
Жаротрубные	5-15	0,35
Водотрубные	15-25	0,15
Высокого давления	50-100	0,035
Барабанные	100-185	0,005

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