Um7.ru

Аренда стройтехники
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Кладбище для CO₂: как устроены технологии улавливания и хранения углерода

Кладбище для CO₂: как устроены технологии улавливания и хранения углерода

Чтобы сдержать глобальное потепление в относительно безопасных границах, ископаемое топливо придется заменить на ВИЭ, автомобиль сделать электрическим. Но выбросы образуются и при производстве химикатов, полимеров, стали, бетона и тех же аккумуляторов для электромобилей. Решить проблему помогут технологии улавливания, использования и хранения углерода (Carbon capture, utilisation and storage, CCUS). Plus-one.ru рассказывает, как они устроены и какие у них перспективы в России.

Диоксид углерода CO2

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

СВОЙСТВА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

СВОЙСТВА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Читайте так же:
Разметка деталей со сложной конфигурацией

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В ПРИРОДЕ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

  • Дыхание животных и растений.
    Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
  • Вулканическая деятельность.
    Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
  • Разложение органических веществ.
    Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

  • промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
  • автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Читайте так же:
Покрасочные камеры для легковых автомобилей

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ И МЫ: ЧЕМ ОПАСЕН СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Читайте так же:
Пропорции бетона м 400

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Углекислый газ в атмосфере Земли

Несмотря на такое ничтожное процентное содержание диоксида углерода в атмосфере, он оказывает огромное влияние на климат планеты. Углекислый газ – один из парниковых газов. Он поглощает и удерживает инфракрасное излучение с поверхности Земли, что в конечном итоге способствует повышению температуры на планете. Этот процесс называется парниковым эффектом. Без парникового эффекта температура на земном шаре была бы примерно на 30°С ниже.

Атмосфера Венеры на 96,5% состоит из углекислого газа, и, по-видимому, тоже подвержена парниковому эффекту. Из-за него Венера является самой жаркой планетой Солнечной системы, она горячее даже ближайшего к Солнцу Меркурия. Температура на Венере около 464°С – этого хватит, чтобы расплавить свинец и олово.

Рост уровня СО2 в атмосфере Земли ведет к усилению парникового эффекта, а тот, в свою очередь – к необратимым изменениям климата. Уже сейчас можно наблюдать таяние ледников. Например, знаменитая снежная шапка Килиманджаро уменьшилась за последние 100 лет на 80%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что и говорить, без углекислого газа наш мир был бы совершенно другим. Он участвует в важнейших химических, биологических, климатических и геологических процессах на Земле. И чем больше мы о них знаем, тем проще нам принимать важные решения: выбирать образ жизни и создавать свою среду – свой здоровый и комфортный микроклимат.

Наблюдения за вулканами

На 2016 год 9 вулканов включёны в мониторинг научного проекта Deep Earth Carbon Degassing (DECADE), задачей которого является сбор данных о выбросах диоксида углерода (CO2) и оксида серы (SO2, одного из основных компонентов вулканических газов). В том числе в мониторинг включен вулкан Поас в Коста-Рике.

Последствия парникового эффекта

Изменение температуры прямо пропорционально радиационному воздействию. Ученые уже подсчитали, что если количество CO2 удвоится, это вызовет потепление от 1,5°C до 4,5°C — это так называемая чувствительность климата. Уже сейчас концентрация углекислого газа в 1,5 раза выше доиндустриального уровня. [10]

Читайте так же:
Печки для бани картинки

Некоммерческий исследовательский центр Oxford Economics опубликовал исследование о влиянии глобального потепления на экономику. Ученые взяли за основу показатель оптимальной температуры, при которой люди работают максимально производительно, а сельскохозяйственные культуры дают наибольший урожай. Эксперты определили этот показатель в 15°C. Государства, в которых среднегодовая температура ниже этого значения, могут получить небольшие преимущества от потепления. Страны с более жарким климатом, наоборот, понесут ущерб.

В ходе исследования специалисты из Oxford Economics проанализировали данные о положении в 203 развитых и развивающихся странах и спрогнозировали падение мирового ВВП на 20% к 2100 году. Такой вывод основан на предположении, что средняя температура продолжит расти с такой же скоростью, что и сейчас (примерно на 0,2°C в десятилетие). Выводы специалистов из Oxford Economics подтверждают результаты более раннего исследования, которое в 2015 году опубликовали ученые из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли.

По мнению экспертов из Oxford Economics, больше всего пострадает экономика Индии: ВВП на душу населения в стране упадет на 90% к 2100 году, если выбросы парниковых газов в атмосферу не снизятся. Специалисты также предположили, каким мог бы быть этот показатель в разных странах, если бы средняя температура была на 1,1°C ниже. Согласно прогнозу, он был бы значительно выше. Например, ВВП на душу населения в Нигерии мог бы быть на 35% больше, чем сейчас.

Источники углекислого газа

Основной деятельностью человека, в результате которой выбрасывается CO2, является сжигание ископаемых видов топлива (угля, природного газа и нефти) для использования в энергетических и транспортных целях, хотя некоторые промышленные процессы и изменения в землепользовании также выбрасывают CO2. Основные источники выбросов CO2 описаны ниже.

Транспорт

Сжигание ископаемых видов топлива, таких как бензин и дизельное топливо, для перевозки людей и товаров было крупнейшим источником выбросов CO2 в 2018 г., составив более трети от общего объема выбросов CO2 и почти треть от общего объема выбросов парниковых газов. В эту категорию входят такие транспортные источники, как автомобильный и пассажирский транспорт, воздушные перевозки, и железнодорожный транспорт.

Энергетическая промышленность

Электроэнергия является важным источником энергии и используется для электроснабжения жилых домов, бизнеса и промышленности. В 2018 году сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии стало вторым по величине источником выбросов CO2 в стране, на долю которого приходится около трети от общего объема выбросов CO2 и четверти от общего объема выбросов парниковых газов. Разные типы ископаемого топлива, используемые для производства электроэнергии, будут выделять разное количество CO2.

Читайте так же:
Регистр из профильной трубы своими руками

Для производства определенного количества электроэнергии сжигание угля будет производить больше CO2, чем природный газ или нефть.

Хотите избежать чрезмерного загрязнения атмосферы? Вот что можно сделать:

Промышленные предприятия

Многие предприятия выбрасывают CO2 при потреблении ископаемого топлива. Некоторые компании также производят выбросы CO2 в результате химических реакций, которые не связаны с сжиганием; например, производство и потребление минеральных продуктов, таких как цемент, производство металлов, таких как железо и сталь, и производство химикатов.

В 2018 году на сжигание ископаемого топлива в результате различных промышленных процессов приходилось около 1/6 от общего объема выбросов CO2 и 1/8 от общего объема выбросов парниковых газов.

Отметим, что многие промышленные процессы также используют электроэнергию и, следовательно, косвенно приводят к выбросам CO2 при производстве электроэнергии.

Строение окида углерода (II) .

Степень окисления +2. Связь выглядит следующим образом:

Оксид углерода II

Стрелкой показана дополнительная связь, которая образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов атома кислорода. Из-за этого связь в оксиде очень прочная, поэтому оксид способен вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких температурах.

Является ли CO2 самым опасным парниковым газом?

Одна молекула хлорфторуглерода может создать след, эквивалентный 10 000 молекул CO2, метан может поглотить в 30 раз больше тепла, а водяной пар является самым сильным среди всех парниковых газов, присутствующих в воздухе.

Несмотря на то, что эти газы гораздо более мощные парниковые газы, чем CO2, их концентрация не подвержена значительному влиянию человеческой деятельности. То же самое нельзя сказать о CO2, поскольку он является основным побочным продуктом многих видов деятельности человека. С 1970 года объем выбросов CO2 увеличился на 90%, поэтому, хотя по своей сути он не является самым опасным парниковым газом, он стал предметом беспокойства из-за его чрезмерного и практически нерегулируемого выброса в атмосферу.

Углекислый газ является очень важным фактором в поддержании нашего статуса «планеты золотого сечения». Благодаря ему наши воды остаются жидкими, а наш дом — пригодным для жизни, но лето с каждым годом становится все жарче из-за дисбаланса, который мы создали чрезмерными выбросами. К счастью для нас, природа предоставила нам колоссальные поглотители углерода в виде почвы, лесов и океанов. Самое меньшее, что мы можем сделать, это сохранить и восстановить их и позволить им выполнять свою работу!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector