[Прелесть химии] Чистый воздух

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть химии":
  Строительные блоки материи
  Зачем учить физхимию?
  Неорганическая химия
  Органическая химия
  Полимеры
  Синтез жизни
  Химия и медицина: химическое оружие, аспирин и плесень

Вступление

За всё время своего существования человечество сталкивалось с большим множеством глобальных потрясений, как голод, мировые войны или пандемии. Но за последние пару столетий ко всем этим “краткосрочным” проблемам присоединилось еще одно затяжное бедствие в виде глобального потепления, которое существенно повлияло на экосистемы, качество воздуха и жизнедеятельность всех живых существ в мире. А всему виною стремительный рост уровня атмосферных загрязнений, вызванных деятельностью человека. В \(1950\) году, например, суммарное количество выбросов углекислого газа было чуть больше \(5\) миллиардов тонн, что примерно в \(2\) раза меньше нынешних годовых выбросов одного Китая, а тот же показатель для всего мира за последние несколько лет перевалил за \(36\) миллиардов тонн углекислого газа в год. [1]

К счастью, современное общество стало всё чаще замечать последствия неконтролируемого индустриального развития двадцатого века, и неравнодушные люди, сплотившись в экологические движения, стали бороться за будущее нашей планеты. Постепенно в нашу жизнь начали внедряться зелёные технологии, а различные экопродукты стали все быстрее набирать популярность.

Многие страны по всему миру объединились против этой техногенной напасти. В \(2015\) году на конференции в Париже, посвященной изменению климата, страны-участницы подписали соглашение о реализации плана по сокращению выбросов парниковых газов на \(50\%\) к \(2050\) году. Так, основной экологической задачей мирового сообщества на данный момент является удержание суммарного повышения температуры атмосферы нашей планеты в пределах \(1.5-2\) градусов по Цельсию в сравнении с показателями до начала двадцатого века. Еще совсем неизвестно, получится ли добиться подобного результата в указанные сроки, но ясно одно: нужно как можно скорее начать принимать эффективные меры. Как технологии помогают справляться с проблемами окружающей среды? В чьих руках находится экологически чистое завтра всей планеты? Давайте же узнаем, почему нынешние инженеры-химики играют ключевую роль на пути к решению и искоренению современных экологических проблем.

Главный виновник проблемы

В своей сущности, загрязнение воздуха вызвано обширной добычей нефти и использованием ископаемого топлива, а также выбросами парниковых газов различными химическими предприятиями. Основной компонент парниковых газов — углекислый газ (\(CO_2\)) — газообразная молекула, состоящая из двух атомов кислорода и одного атома углерода и существующая в линейной форме. По своей природе диоксид углерода малоактивен и нетоксичен, но из-за своего чрезмерно большого количества в атмосфере он все же оказывает негативное воздействие на нашу планету, так как хорошо поглощает инфракрасные лучи солнечного света, тем самым задерживая солнечное тепло и рассеивая его по всем слоям атмосферы. Отсюда и происходит интуитивное название явления «глобальное потепление».

Химическая инженерия окружающей среды посвящена разработке наиболее экономически и технологически приемлемых стратегий для решения многочисленных экологических проблем с применением прикладных концептов химии и физики на реальных системах.

Что касается атмосферных загрязнений, то исследования в прикладной химии как раз сосредоточены на ликвидации углекислого газа, поскольку именно \(CO_2\) признан эталонным стандартом для расчета выбросов парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом Конференции сторон \(1998\) года. [2]

Direct Air Capture

Существует несколько подходов к снижению уровня углекислого газа в атмосфере, и один из них – уменьшение количества новых загрязнений путем очищения производственных выбросов, либо же прямая очистка атмосферного воздуха от уже присутствующего в нем парникового газа. В то время как улавливание с источников выбросов (Onsite Air Capture) является мерой предотвращения, прямое улавливание (Direct Air Capture, DAC) обращает загрязнение атмосферы углекислым газом вспять. Таким образом, различие этих двух способов заключается в концентрации углекислого газа, захватываемого очистительной системой.

Оборудование для улавливания углекислого газа может быть интегрировано с существующими источниками выбросов, концентрация углекислого газа которых гарантированно обеспечит высокую степень разделения, тогда как улавливание \(CO_2\) из атмосферного воздуха, где его доля незначительна, будет затрачивать гораздо больший объем энергоресурсов на нагнетание больших объемов воздуха. Отсюда не сложно догадаться, что для эффективного сбора загрязнений из атмосферы методом DAC установке требуется большее использование возобновляемой энергии, иначе сам процесс будет выделять куда больше парникового газа, чем получится его собрать. Методы улавливания углерода включают разделение на основе химических или физических свойств углекислого газа. Современные полупроницаемые мембраны, основанные на адсорбционных материалах, таких как металлоорганические каркасные структуры (MOF), способны селективно разделять компоненты дымовых газов на отдельные концентрированные потоки. В дополнение к этому широко применяется абсорбция углекислого газа (кислотного оксида) щелочными и амин-содержащими водными растворами.

Давайте рассмотрим поближе общую последовательность химических превращений, задействованных в DAC установке компании Carbon Engineering. [3]

Первым делом углекислый газ поглощается щелочным раствором гидроксида калия.

\[2KOH_{(р-р)} + CO_{2(г)} \rightarrow K_2CO_{3(р-р)} + H_2O_{(ж)}\]

Полученный карбонат калия затем осаждают в виде твердого карбоната кальция, при этом щелочной раствор одновременно возвращается в новый цикл.

Далее, раскаляясь в кальцинаторе, твердые гранулы разлагаются.

Отделив чистый углекислый газ от остальных компонентов газообразных отходов, ученые направляют его на один из последующих этапов: либо на захоронение, либо на утилизацию.

Carbon Capture and Storage

Одной из наиболее экономически и экологически выгодных стратегий по ликвидации углекислого газа является его геологическое захоронение (англ. carbon capture and storage/sequestering — CCS). Собранный \(CO_2\) может быть закачан в полые геологические формации, а плотный солевой слой, лежащий над ними, предотвратит утечку газа обратно в атмосферу. По своей сути углерод, который находился под землей в составе полезных ископаемых, возвращается “домой”, но уже полностью в отработанном виде. В качестве похожей альтернативы, \(CO_2\) можно использовать для повышения нефтеотдачи (Enhanced Oil Recovery — EOR), так как закачиваемый под землю \(CO_2\) способен повышать давление в подземных нефтяных пластах, тем самым ​​выталкивая полезное сырьё наружу и одновременно занимая его место.

На сегодняшний день существует \(5\) полномасштабных геологических хранилищ, достигших значительных успехов в коммерциализации технологий CSS: два находятся в Норвегии (Sleipner и Snøhvit), два CSS-EOR проекта — в Канаде (Weyburn) и США (Rangely), а также один проект по переработке и хранению газа расположен в Алжире (In Salah). Несмотря на один небольшой случай утечки \(CO_2\) в In Salah из-за неисправности устьевого оборудования скважины, все установки подтвердили надежность и безопасность этого инженерного чуда — технологии CSS. [4]

Раз уж углекислый газ является кислотным оксидом и способен растворяться в воде, то можно хранить собранный \(CO_2\) в воде. Еще одно хранилище! Однако не все так просто. Прямое хранение \(CO_2\) в глубоком океане отвергается во всем мире, так как это может привести к подкислению мирового океана и последующему негативному воздействию на морские экосистемы. Химический баланс между водным углекислым газом, гидрокарбонат- и карбонат-ионами чрезвычайно хрупок, и любые изменения сразу же сказываются на нормальной жизнедеятельности морских обитателей.

Получается, что современные методы сбора и захоронения углекислого газа сводят к минимуму прямое участие отработанных парниковых газов в глобальном потеплении, что равносильно полностью отрицательным атмосферным выбросам.

Carbon Capture and Utilization

1) Замкнутый цикл

Другой метод расправы с пойманным \(CO_2\) является утилизация, более известная как улавливание и утилизация углерода (англ. carbon capture and utilization — CCU). Утилизация считается одним из эффективных способов уменьшения выбросов \(CO_2\) за счет конвертации углерода в полезные химические вещества, карбонизацию минералов и выращивание микроводорослей для дальнейшего биосинтеза органических соединений.

В то время как уже знакомый нам метод CSS представляет собой полностью отрицательные выбросы, метод CCU приводит к нулевым выбросам. Иными словами, весь углерод заключается в замкнутый цикл улавливания, переработки и замыкающего сжигания.

А чтобы понять, как происходит утилизация \(CO_2\), нам помогут основы школьной химии, ведь углекислый газ представляет собой форму углерода в его наивысшей возможной степени окисления. Соответственно, для преобразования \(CO_2\) в полезные вещества, в которых углерод встречается с более низкими значениями степени окисления, нужно сначала подвергнуть его восстановлению, например, водородом. Под действием катализаторов и необходимых температурных условий смесь водорода и углекислого газа благополучно превращается в синтез-газ — смесь угарного газа и водяного пара.

Все дальше углубляясь в науку каталитической химии, ученые и инженеры стали применять различные неорганические и металлоорганические катализаторы переходных металлов для превращения смеси водорода, углекислого и угарного газов в искусственное транспортное топливо, которое по количеству выделяемого тепла ничем не уступает дизельному топливу и керосину.

Ниже приведена схема каталитического синтеза молекулы октана \(С_8H_{18}\), составляющую большую долю в дизельной смеси:

Еще с начала двадцатого века данный процесс известен человечеству как синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу. Однако же из-за своей дороговизны получаемое по этой схеме искусственное топливо, на данный момент, не способно конкурировать с дешевым ископаемым. Но не все потеряно! Живет надежда, что этот процесс получит широкое применение в будущем. В сочетании с возобновляемыми источниками энергии, технологией прямого улавливания углерода из воздуха и эффективного получения водорода путем электролиза воды, синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу имеет все шансы обеспечить самодостаточный процесс искусственной циркуляции углерода. [5]

На самом деле, существует множество альтернатив для конвертации углерода: преобразование в полезные полимеры (поликарбонаты и поликарбаматы), легкие горючие вещества (метан, метиловый спирт, этиловый спирт) и другие важные химические соединения, как формальдегид, мочевина, муравьиная кислота, карбоновые кислоты и многие другие. Также, современные исследования в области химической инженерии нацелены именно на поиск наиболее эффективных реактивных систем для многотоннажного производства.

2) Минерализация

Вторым эффективным вариантом переработки углекислого газа является превращение силикатных горных пород в строительные материалы: мрамор, известняк, гипс, а также диоксид кремния для стекольного дела. В данных целях широко используются водные суспензии измельченных минералов — часто встречающихся в природе оливина, волластонита и серпентина.

Оливин:

Волластонит:

Серпентин:

Сам химический процесс минеральной карбонатизации основан на способности ископаемых силикатов магния и кальция реагировать с углекислым газом, в результате чего происходит вытеснение диоксида кремния (\(SiO_2\)) из минерального состава. Всё это возможно благодаря наиболее схожим по своему электронному строению и соответствующим химическим свойствам кремнию и углероду — элементам, занимающим соседние места в IV группе периодической таблицы Менделеева.

Общая химическая реакция:

На примере волластонита реакция будет выглядеть так:

Стоит отметить, что несмотря на экзотермическую природу данной реакции (процесс не нуждается в потреблении энергии, а наоборот выделяет её), энергия, необходимая для добычи и измельчения силикатного сырья, требует значительной подпитки от возобновляемых источников энергии. В противном случае получится так, что выделится больше \(CO_2\), чем получилось его обратить в твердый строительный материал.

Получаемый карбонатный материал используют в строительстве,

для создания береговой защиты из “тетраподов” от морской эрозии

или же в качестве искусственных подводных рифов для сохранения коралловых рифов и их обитателей.

Подобная схема утилизации углекислого газа уже введена в эксплуатацию в рамках второй фазы национальной энергетической программы Тайваня. Отработанный шлак со стального завода China Steel Corporation используется для улавливания и фиксации \(CO_2\) из выхлопных газов предприятия. Затем карбонизированный шлак идет на создание искусственных рифов для водорослей и рыб.

Интересно, что от подобных карбонатных рифов кислотность океана не повышается (как это могло быть, если просто растворить углекислый газ в морской воде), а наоборот уменьшается. А всё потому, что карбонат-ион является основным состоянием углекислого газа в кислотно-основном равновесии. [6]

Сточные воды, содержащие азотсодержащие микроэлементы, могут быть источником питательных веществ для культивирования микроводорослей, способствующих очистке самих сточных вод. Затем культивируемые водоросли используются в качестве корма для океанических организмов или сырья для получения ценных химикатов и биотоплива. Кроме того, для работы системы задействованы преимущественно возобновляемые источники энергии.

3) Микроводоросли

Помимо этого, использование концентрированного потока \(CO_2\) в качестве исходного сырья для выращивания водорослей позволит осуществить биосинтез разнообразного биотоплива и органических материалов. Этот метод CCU приравнивается чистым нулевым выбросам из-за устойчивой циркуляции \(CO_2\).

Согласно технологическим оценкам, на 100 тонн биомассы водорослей можно зафиксировать и перевести в полезные химические вещества около \(1.8\) тонн углекислого газа. [7]

Благодаря фотосинтезу и дальнейшим метаболическим реакциям в микроводорослях можно получить структурные биомолекулы (аминокислоты и углеводы), горючие вещества (метанол, этанол) или же растительные масла. Последние как раз переводятся в биодизельное топливо путем их трансэтерификации — химической реакции, в которой длинный остаток жирной кислоты заменяет связанную с собой молекулу глицерина на метиловый или же этиловый спирт. В результате получившийся биодизель способен выделять количество тепла, сопоставимое с ископаемым источникам энергии.

Преимуществом подобных биомолекулярных технологий является их автономность и широкое разнообразие производимого биосырья. Людям же остаётся лишь ухаживать за этими биозаводами: кормить углекислым газом, давать достаточно солнечного света, и, само собой, обогащать азот- и фосфорсодержащими питательными веществами.

Если фотобиореактор размером в один кубический метр пространства способен конвертировать от \(36\) до \(600\) грамм углекислого газа в биомассу за сутки, а в год нужно утилизировать свыше \(36\) миллиардов тон \(CO_2\), то несложно представить, каких огромных масштабов биотехнологические установки придётся развернуть для коммерциализации данной технологии улавливания и утилизации углерода. В сравнении с традиционными агрокультурами, микроводоросли можно выращивать в изолированных прудах под открытым небом или в фотобиореакторах как в пресной, так и в морской воде, а также на непригодной для сельского хозяйства почве. Именно поэтому культивирование микроводорослей может быть осуществлено без какой-либо конкуренции с сельским хозяйством.

Несмотря на все перечисленные преимущества технологии микроводорослей в борьбе с углекислым газом, существует ряд ограничивающих факторов в их реализации. До сих пор производство биотоплива из микроводорослей уступает производству растительных масел из наземных агрикультур. Основная причина заключается в том, что на предварительную обработку микроводорослей (сбор и сушку), экстракцию масел из клеток водорослей и дальнейшее преобразование биоматериалов расходуется в \(3\)-\(4\) раза больше энергии, чем на подготовку сельскохозяйственных культур. Чтобы получить биотопливо сопоставимое энергии \(3.5\) баррелей нефти, необходимо инвестировать энергию, равной сжиганию от \(1.5\) до \(10\) баррелей нефти в зависимости от типа фотобиореактора. [4]

Другим же минусом является губительное воздействие микроводорослей на экосистему водоемов: баланс в пищевой цепи может быть нарушен более адаптивными микроводорослями, которые способны вытеснить коренных морских обитателей, либо забирая весь свет, либо забирая все необходимые для жизни питательные вещества.

Итог

Загрязнение воздуха уже стало серьезной проблемой для выживания всего живого на Земле, а чрезмерное сжигание углеводородных ресурсов, на которые мы чересчур полагаемся, только ухудшает всю ситуацию. Многие международные организации, такие как Межправительственная группа экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), стремятся снизить повышение температуры воздуха до \(1.5\)-\(2\) градусов Цельсия. Тем не менее тенденция накопления тепла уже существующими парниковыми газами увеличивается с каждым годом. Как утверждает ученый-эколог Университета Штата Аризона Клаус Лакнер из Центра отрицательных выбросов углерода в атмосферу, человечество уже не сдержало это обещание, и только смелые инновации в создании отрицательных выбросов действительно помогут нам справиться с экологической катастрофой вовремя. По его оценкам сбор отработанных газов на месте выбросов (меры предотвращения загрязнений) смогли бы полностью удержать потепление в пределах \(1.5\) градусов Цельсия, если бы производства начали осуществлять эффективные меры по утилизации атмосферных отходов хотя бы в \(80\)-х годах прошлого столетия. Но современные обстоятельства приводят лишь к одному логичному заключению: нам необходимо всесторонне развивать технологии Direct Air Capture, CCS и CCU, и начать напрямую очищать воздух, которым мы дышим. [8]

Но что же делать с энергией? Чтобы начать полномасштабную коммерциализацию энергозатратных мер борьбы с атмосферными загрязнениями, необходим быстрый темп развития возобновляемых источников энергии, или же применение безопасной ядерной энергетики. В противном случае, подпитка очистительных установок энергией от ископаемого топлива приведет к еще большим выбросам углекислого газа, не стоящим его поимки.

Независимо от того, сколько международных конвенций или соглашений увидят свет, судьба нашей планеты напрямую зависит от современных исследований и реализации экологически устойчивых моделей. Кто знает, может и в вас, наш дорогой читатель, кроется тот самый инженер или же исследователь, способный спасти нынешнюю экологическую ситуацию нашей планеты. Главное не забывайте, что Земля...стоит свеч.

References

1. Friedlingstein, P., Jones, M. W., O'Sullivan, M., Andrew, R. M., Hauck, J., Peters, G. P., Peters, W., Pongratz, J., Sitch, S., Le Quéré, C., Bakker, D. C. E., Canadell, J. G., Ciais, P., Jackson, R. B., Anthoni, P., Barbero, L., Bastos, A., Bastrikov, V., Becker, M., Bopp, L., Buitenhuis, E., Chandra, N., Chevallier, F., Chini, L. P., Currie, K. I., Feely, R. A., Gehlen, M., Gilfillan, D., Gkritzalis, T., Goll, D. S., Gruber, N., Gutekunst, S., Harris, I., Haverd, V., Houghton, R. A., Hurtt, G., Ilyina, T., Jain, A. K., Joetzjer, E., Kaplan, J. O., Kato, E., Klein Goldewijk, K., Korsbakken, J. I., Landschützer, P., Lauvset, S. K., Lefèvre, N., Lenton, A., Lienert, S., Lombardozzi, D., Marland, G., McGuire, P. C., Melton, J. R., Metzl, N., Munro, D. R., Nabel, J. E. M. S., Nakaoka, S.-I., Neill, C., Omar, A. M., Ono, T., Peregon, A., Pierrot, D., Poulter, B., Rehder, G., Resplandy, L., Robertson, E., Rödenbeck, C., Séférian, R., Schwinger, J., Smith, N., Tans, P. P., Tian, H., Tilbrook, B., Tubiello, F. N., van der Werf, G. R., Wiltshire, A. J., and Zaehle, S.: Global Carbon Budget 2019, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1783–1838, https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019, 2019.
2. Report of the Conference of the Parties on its third session, held at Kyoto from 1 to 11 December 1997 Addendum Part Two: Action taken by the Conference of the Parties at its third session. p31 “Methodological issues related to the Kyoto Protocol”. Conference of the Parties (25 March 1998).
3. “A process for capturing CO2 from the atmosphere” David W. Keith, Geoffrey Holmes, David St. Angelo, Kenton Heidel (2018). https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.05.006
4. “Carbon Capture and Utilisation in the green economy” Peter Styring, Daan Jansen, Heleen de Coninck, Hans Reith, Katy Armstrong. ISBN: 978-0-9572588-1-5 Publisher: The Centre for Low Carbon Futures 2011 and CO2Chem Publishing 2012.
5. “A life cycle assessment of greenhouse gas emissions from direct air capture and Fischer–Tropsch fuel production” by Caroline M. Liu, Navjot K. Sandhu, Sean T. McCoy and Joule A. Bergerson. Received 25th February 2020, Accepted 13th April 2020. DOI: 10.1039/c9se00479c
6. N. T. Prasad et al., "Carbon-dioxide fixation by artificial reef development in marine environment using carbonated slag material from steel plant," OCEANS 2014 - TAIPEI, Taipei, 2014, pp. 1-5, doi: 10.1109/OCEANS-TAIPEI.2014.6964442.
7. Acien Fernandez FG, Gonzalez-Lopez CV, Fernandez Sevilla JM, Molina Grima E (2012) Conversion of CO2 into biomass by microalgae^ how realistic a contribution may it be to significant Co2 removal? Applied Microbiology Biotechnology 96:577-586]
8. Schiffman, Richard. “Why CO2 ‘Air Capture’ Could Be Key to Slowing Global Warming”. Yale E360.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова