РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ХИМИИ TBEPДОГО ТЕЛА
   
| | | |
| | |
 03.08.2018   Карта сайта     Language По-русски По-английски
Новые материалы
Экология
Электротехника и обработка материалов
Медицина
Статистика публикаци


03.08.2018

Цивилизация солнца и газа. Углекислого

кандидат физико-математических наук

С.М. Комаров


Можно ли изъять из атмосферы и утилизировать весь созданный человеком углекислый газ? да, соответствующие технологии не только созданы, но и показывают свои возможности в виде раз- личных демонстрационных, а то и коммерческих установок. дело в финансировании.


Борьба с газом


Тем, кто живет в холодной стране с большими запасами нефти, угля и газа, трудно понять тех, кто призывает от всего этого богатства отказаться и перейти к безуглеродной экономике. более того, некоторых такие призывы раздражают, поскольку подрывают основу их благосостояния, связанную именно с по- ставками упомянутых полезных ископаемых тем, кто их лишен. однако последние настроены весьма решительно и, подписав парижское климатическое соглашение, твердо намерены выполнить взятые на себя обязательства, а именно: сделать к 2050 году экономику своих стран углеродно-нейтральной. то есть такой, в которой объем парниковых газов, образо- вавшихся от человеческой деятельности, равен объему этих газов, утилизированных в рамках все той же деятельности. и для этого придумывают хитрые технологии, позволяющие замкнуть углеродный антропогенный цикл, добыв энергию на это из возобновляемых источников.

В советское время схожая проблема называлась комплекс- ной переработкой сырья (тогда, правда, никому в голову не могло прийти, что придется перерабатывать безвредный и мало кому нужный углекислый газ), однако, как можно судить по многочисленным публикациям «химии и жизни» 70—80-х годов, решена она так и не была. возможно, к современным инженерам из стран Евросоюза фортуна повернется лицом и им удастся осуществить комплексную переработку метана и углекислого газа — двух веществ, объявленных главными врагами современного человечества. своими последними идеями по этому поводу они поделились друг с другом на конференции «диоксид углерода как сырье для производства топлива, химических компонентов и полимеров», прошедшей в кёльне в марте 2018 года. Материалы конференции были любезно предоставлены нашей редакции организаторами. главный среди них — берлинская частная исследовательская организация «Nova-Institute», которая ставит перед собой задачу построения экономики на основе биотехнологий и утилизации углекислого газа.




СО2 : хоронить или перерабатывать? 




После того как климатологи в конце XX века нарисовали апокалиптическую картину гибели цивилизации из-за ан- тропогенной эмиссии парниковых газов, стали возникать идеи, как бороться с этим бедствием, благо климатологи все же дают на решение проблемы несколько десятилетий. по- мимо очевидных соображений о том, что экономика должна быть экономной, что она должна перейти на возобновляемые

источники энергии и химического сырья, в числе прочих по- явилась идея захоранивать углекислый газ, образующийся в большом количестве при сжигании ископаемого топлива на тепловых электростанциях, а также на предприятиях по изготовлению металлов, цемента, бумаги, химических производствах и в сельском хозяйстве. всего в мире на- считывается около 8 тысяч крупных предприятий, дающих примерно половину глобальной эмиссии антропогенного углекислого газа, а она в 2015 году составляла около 40 гт. вот именно их газ, чтобы не распыляться на многие тысячи мелких котельных, и предполагается захоранивать. отличным местом захоронения считались полости в земной коре, например те, что остаются после извлечения нефти и природного газа, — по расчетам, имеющихся в наличии полостей нам хватит на полтора столетия.

Однако у этой замечательной идеи были два серьезных не- достатка. первый — угроза экологической катастрофы, если такое хранилище прохудится, второй — полная экономическая несостоятельность: захоронение газа порождает дополни- тельные расходы и не дает никаких денежных доходов, а только чувство удовлетворения от спасения планеты. поэтому со временем идея захоронения трансформировалась в идею переработки — использования углекислого газа перечислен- ных предприятий для изготовления чего-то нужного. лучше всего — топлива для них же. несколько ранее аналогичные соображения позволили наладить утилизацию другого парни- кового газа — метана, который образуется, в частности, при перегнивании отходов сельского хозяйства: во многих странах благодаря соответствующей налоговой политике этот газ те- перь не бесконтрольно поступает в атмосферу, а тщательно собирается и используется для замены ископаемого газа.

Вот как директор «Nоva-Institute» Михаэль карус объясняет разницу подходов: «сегодня ископаемый углерод содержится в земле. у нас есть такие альтернативы. первая — извлечь его, использовать запасенную энергию, собрать получившийся углекислый газ и снова его закопать. вторая — оставить ис- копаемый углерод там, где он лежит, заменив его топливом и химическим сырьем, которое сами же и синтезируем из имею- щегося углекислого газа. Если использовать возобновляемую энергию, такое синтетическое топливо или химическое сырье будет лучше, чем ископаемое, и даже лучше, чем полученное из растений. синтетическое топливо, изготовленное из «чер- ного», то есть полученного от сжигания ископаемого топлива, углекислого газа, снижает скорость роста концентрации пар- никовых газов: оно ведь заменяет ископаемое топливо. одна- ко эта замена возможна не везде. Если произойдет перевод городского транспорта на электричество, такое топливо будет хуже, чем электричество из возобновляемых источников. а вот для самолетов, грузовых судов и перевозок по суше на боль- шие расстояния только синтетическое топливо и оказывается спасительной для климата заменой ископаемому. причиной тому, что мы до сих пор не летаем на синтетическом керосине, служат глупость, невежество и лоббизм традиционных постав- щиков. изготовление синтетических углеводородов оказыва- ется не временной малоэффективной мерой, а полноценной альтернативой захоронению углекислого газа, поскольку так удается замкнуть углеродный цикл и тогда не потребуется никакого захоронения лишнего углекислого газа, его ведь по- просту не будет. главный залог успеха — использование при переработке углекислого газа возобновляемых источников электроэнергии. пессимисты говорят, что их слишком мало и они ненадежны. однако при правильном выборе технологии переработки и правильном размещении соответствующих предприятий это не станет лимитирующим фактором».

какие же идеи и технологии имеются сегодня для создания этого прекрасного нового мира с замкнутым углеродным ци- клом и безопасным топливом?




Утилизация растением




Самый известный и повсеместно используемый уже не одну сотню миллионов лет способ извлечения углекислого газа из атмосферы — это фотосинтез. казалось бы, им и надо вос- пользоваться для решения проблемы накопления углекислого газа в атмосфере. например, восстановить существовавшую в доиндустриальную эру площадь лесов, поскольку деревья за свою долгую жизнь накапливают в своих стволах много угле- рода. сделать это не просто – суша в основном распахана под сельскохозяйственные культуры, — площадь лесов составляет лишь 39% площади обитаемых земель. однако некоторые пустующие земли можно засадить быстрорастущими деревья- ми, которые и захоронят в своих корнях и стволах углекислый газ. увы, они это сделают на весьма непродолжительное вре- мя — полвека-век, то есть пока лес молодой и бурно растет. а после гибели деревья будут достаточно быстро утилизиро- ваны бактериями и грибами и превращены, по сути, в воду и углекислый газ. в лучшем случае часть изъятого углекислого газа превратится в гумус, где задержится на продолжительное время. дольше всего этот углерод будет захоронен в виде торфа, но его образование к лесам отношения не имеет.

один из способов надолго спрятать углерод, изъятый рас- тениями из атмосферы, — пережечь их на уголь, а тот закопать в почву: считается, что такая добавка улучшает ее структуру и повышает плодородие. угольный углерод будет храниться столетиями, и некоторые энтузиасты проводят опыты, чтобы выяснить детали этого процесса. другой способ — исполь- зовать дерево как строительный материал, тогда срок осво- бождения из него углерода увеличится еще на век-полтора.

Сторонники переработки углекислого газа, однако, скажут, что таким деревьям можно найти лучшее применение — пре- вратить их в моторное топливо, прежде всего, в этанол. тогда мы оказываемся на пути к биологической экономике, которая активно развивается в странах Евросоюза. в качестве энерге- тических быстрорастущих деревьев там используют тополя, ивы, а также травянистые растения-гиганты, вроде кенафа или бамбука. Если их не превращают в древесно-волокнистую плиту, не разлагают пиролизом на углерод и углеводороды, то перерабатывают в биоэтанол. для этого, правда, нужно отделить целлюлозу от принципиально несбраживаемого лигнина, что требует немалых затрат энергии и порождает большое количество отходов. однако можно пойти и другим путем, опробованным в бурятском городе тулуне (см. «химию и жизнь», 2009, No 5). созданная там при перепрофилировании спиртзавода технология переработки древесины в бутанол позволяет не только получать это ценное топливо — по ха- рактеристикам бутанол не отличается от бензина, его можно заливать в бензобак и использовать без переделок двигателя автомобиля, — но и делать из лигнина пеллеты для топливных котлов. при использовании такой технологии и целлюлозно- бумажный комбинат с подшефной теплицей оказались бы в числе предприятий замкнутого углеродного цикла: лигнин с добавкой солнечного/ветряного электричества обеспечат по- требности предприятия в энергии, а углекислый газ из дыма, ранее утилизированный деревьями, пройдет сквозь теплицу, повышая урожай, то есть создавая добавочную стоимость, и вернется в атмосферу в том же количестве. при этом часть целлюлозы надо бы отправлять на производство не бумаги, а бутанола — он служит топливом для техники лесорубов и работников теплицы. даже из этого простого примера вид- но, сколь разные бизнес-интересы должны быть учтены для того, чтобы сделать предприятие углерод-нейтральным, и неочевидно, что в конце концов вся эта система не окажется планово-убыточной.




Микроб-синтезатор




Борясь за экономическую эффективность, золотой спонсор конференции, компания «Phytonix» из северной каролины (сша), придумала, как можно обойтись без всякой деревопе- реработки и получать чистейший бутанол сразу из выбросов промпредприятия и солнечного света. для этого ее специ- алисты модифицировали цианобактерию. обычно этот микро- организм занимается фотосинтезом, изготавливая прежде всего сахара. из них другие микроорганизмы делают спирт. например, в упомянутой тулунской технологии эту работу выполняют анаэробные бактерии клостридии, перерабаты- вающие созданную деревом целлюлозу. инженеры компании сумели убрать посредника и встроили гены, ответственные за превращение сахара в спирт, в геном цианобактерии. она не только сохранила жизнеспособность, не отравившись чуже- родным продуктом, но и стала выделять его в культуральную жидкость. работникам компании оставалось только закачивать в биореактор углекислый газ, солнечный свет и очищать жид- кость от нарабатываемого бутанола — 560 литров на каждую тонну поданного углекислого газа. бонусом получается тонна кислорода, который можно отделить да и продать пользова- телям промышленных газов.

На конференции основатель и бессменный руководитель компании брюс данненберг сообщил, что с 2017 года идут переговоры о строительстве первых двух фабрик для реа- лизации этой технологии — в колумбии, столице северной каролины, где будут использованы выбросы углекислого газа от газовой электростанции местной ковровой фабрики, и в Евросоюзе, где источником углекислого газа послужит дым угольной электростанции. интересно, что в производстве такой бутанол оказывается чуть ли не в три раза дешевле, чем получаемый по традиционной технологии из пропилена. при- чины, видимо, в том, что и сам пропилен обходится в восемь раз дороже, чем бросовый углекислый газ, и переработчики углекислого газа в сша получают неплохие налоговые льготы, хотя сша и вышли из парижского соглашения.

Сейчас бутанол используют не в качестве топлива, по- скольку он дорогой, в 2018 году стоил в четыре раза дороже, чем бензин или этиловый спирт; бутанол — это химическое сырье. а вот у сделанного бактериями бутанола себестои- мость оказывается всего в полтора раза выше, чем у самого дешевого этанола из кукурузы, и почти такая же, как у самого дорогого, то есть он имеет неплохие шансы стать востребо- ванным топливом. по оценкам оптимиста данненберга, если бы ему удалось синтезировать и продать столько бутанола, чтобы его хватило на замену всех видов моторного топлива планеты, тогда глобальная эмиссия углекислого газа упала бы примерно на треть. при этом получится еще и выигрыш в зем- ле. так, сейчас в сша под производство этанола из кукурузы отведено 50 тыс. км2 плодородных земель, которые дают 60 млн литров этанола, а синтез такого же количества бутанола модифицированными бактериями потребует в двадцать раз меньшую площадь, причем неорошаемых земель.




Уксус и мясо из электричества




Бактерии можно заставить эффективно превращать молекулы углекислого газа в цепочки из нескольких углеводородных звеньев — то есть уже не топливо, а химическое сырье —не только генетической модификацией, но и при помощи элек- тричества. в биоэлектрореакторе микроорганизмы заселяют пористый электрод и при пропускании углекислого газа со- единяют его молекулы друг с другом и с ионами водорода, а необходимые для этого электроны они получают из сети. в 2010 году так были в лабораторных экспериментах получены первые заметные партии уксусной кислоты. спустя пять лет ученые располагали предварительными результатами по элек- тробиосинтезу этанола, бутанола, пропионовой и масляной кислот — последние содержат соответственно три и четыре атома углерода. а в 2017 году в продуктах синтеза случайно заметили и следы капроновой кислоты, содержащей шесть атомов с. это было уже очень интересно. оказалось, что с помощью электричества можно практически из ничего — из бросового углекислого газа — получать жирные кислоты, а за- тем использовать их как кормовые добавки либо превращать в синтетическое топливо или химическое сырье.

в принципе, биохимики давно научились наращивать углеродную цепочку уксусной кислоты с помощью фермен- тативных систем, где донором электронов служит этиловый или метиловый спирт. однако спирт надо еще получить из ис- копаемого сырья или из растений; в любом случае возникают как сточные воды, так и выбросы углекислого газа, то есть для уменьшения эмиссии такой способ не очень годится. а вот возобновляемое электричество в качестве донора электрона делает такую технологию интересной для защитников климата планеты от парниковых газов.

На сегодня самых высоких результатов добились голланд- ские исследователи из вагенингеновского университета во главе с людовиком жордином. год они гоняли электричество и смесь из 20% углекислого газа с 80% азота через электроре- актор. и вот на четвертом месяце опыта на его катоде сформи- ровался толстый мат из нескольких видов микроорганизмов, которые стали весьма охотно — о чем судили по резкому росту силы проходящего через систему тока — синтезировать уксусную, масляную и капроновую кислоты с максимальной скоростью 10, 6 и 1 граммов на литр в день соответственно. это меньше, чем скорости синтеза в коммерческих фермен- тативных реакторах (30— 90 г/л в день для производства этанола из крахмала), но, как видно, не безнадежно. затраты же электричества составили 23,5, 64,3 и 174 вт*ч на грамм каждой кислоты, что неудивительно: для синтеза уксусной кислоты из углекислого газа надо затратить 8 электронов, а капроновой — 32.

Эта технология еще находится в начале пути, поэтому иссле- дователи полны оптимизма. все-таки они до сих пор не разо- брались даже во взаимоотношениях внутри бактериального сообщества и, соответственно, не оптимизировали его. зато не используют никаких витаминов и других дорогостоящих питательных добавок — бактериальное сообщество обходится собственными силами. как бы то ни было, по факту, исследо- ватели уже умеют получать если не масло, то уксус из воздуха и электричества. а уксусная кислота — важное сырье для хи- мического синтеза, главное — получить на такое климат-обе- регающее производство льготы, дотации да и свести баланс.

А вот финские коллеги из технического исследовательского центра финляндии и лаппенрантского технологического ин- ститута во главе с доктором Юха-пекка питканеном пошли еще дальше: из тех же субстанций они собираются делать искусственную еду, которой накормят всех людей. в приду- манном ими процессе электричество используют несколько по-иному: им разлагают воду на кислород и водород. кис- лород как-то утилизируют, а водород вместе с углекислым газом отправляют в реактор. там живут водород-окисляющие бактерии: они умеют соединять водород с кислородом в мо- лекулу воды, а получившуюся при этом энергию направляют на усвоение углекислого газа, который в конце концов превра- щают в сахар и далее в белок. в сущности, этот процесс подобен фотосинтезу — там на одной из первых стадий тоже идет разложение воды, — только он проходит без действия света и волей человека. и в этом, по мнению питканена с коллегами, его большое преимущество. эффективность фотосинтеза у высших растений в пересчете на получаемые человеком по- сле гидролиза биомассы сахара оказывается менее 1%. Если использовать одноклеточные водоросли вроде хлореллы или спирулины, то эффективность вырастает до 5%. а снабжение бактерий уже подготовленным водородом увеличивает ее до 10% (солнечный свет здесь служит источником электричества для электролиза воды). аминокислотный состав такой пищи из углекислого газа тепловой станции и солнечного элек- тричества, как показали опыты, ничуть не хуже, чем у водо- рослевой или грибной (из белка плесневых грибов Fusarium venenatum с 1985 года делают искусственное мясо куорн). по соотношению питательных компонентов «электрическое» мясо оказывается очень диетическим: содержание жиров около 1% при 18% углеводов. самое же главное — такому реактору не нужно ничего из того, что требуется в сельском хозяйстве, ни пахотных земель, ни пастбищ, ни водопоя, ни стойла, ни хранилища. не нужны ему и протяженные светлые бассейны для выращивания одноклеточных водорослей или огромный реактор, где зреет упомянутая плесень: установка питканена помещается в стандартном контейнере и круглый год работает в холодном финском климате. польза же от технологии огромная: по расчетам питканена, углекислого газа всего лишь от одного, третьего по объему производства, целлюлозно-бумажного комбината финляндии хватит, чтобы синтезировать 59 000 тонн белка, что покрывает половину финского дефицита, а пойдет на это лишь 1% финского про- изводства электроэнергии. в перспективе же каждый сможет поставить у себя в доме мини-реактор и получать съедобный белок самостоятельно, из собственного солнечного электри- чества, обеспечив индивидуальную пищевую безопасность.




Поймать углекислый газ




Как это — в своем доме? — спросит внимательный читатель. хорошо, воду можно заправить, бактерий купить, солнечную электростанцию развернуть хоть в пустыне, хоть в подмо- сковье, а откуда взять углекислый газ? воздух здесь явно не подойдет, ведь углекислого газа в нем ничтожно мало, сотые доли процента. оказывается, об этой проблеме инженеры уже подумали и создали несколько технологий для улавливания углекислого газа. принципиально различаются те, что пред- назначены для обработки отходящих газов промпредприятий и для обычного воздуха.

например, квебекские инженеры из компании «со2Solutions» придумали и запатентовали самый перспективный, как они ут- верждают, способ изъятия углекислого газа из дыма электро- станций. ход их мысли таков. промышленность углекислого газа существует не одно десятилетие, ведь этот газ нужен многим. в пищевой промышленности им газируют напитки, нефтяники закачивают его в старые скважины для увеличения нефтедобычи, его применяют как безвредный подкислитель при подготовке питьевой и промышленной воды, для полу- чения сухого льда. поэтому технология извлечения углекис- лого газа из дыма предприятий создана давно. однако в ней используют раствор аминов, который требует достаточно бережного обращения, высокой температуры и вызывает быструю коррозию оборудования. в результате углекислый газ выходит дорогим. то есть для указанных целей его цена всех устраивает, а вот если смотреть в будущее и пытаться ис- пользовать углекислый газ там, где без него можно обойтись, нужно снижать цену. например, если в теплице поднять его концентрацию в три раза, до 0,1%, то урожайность удвоится. однако не покупают фермеры углекислый газ в баллонах, а направляют в теплицу дым от сожженного природного газа. дым — это не очень хорошо, в нем много влаги – не все рас- тения это любят, зато любят вредители. но при учете потерь все равно выходит экономически выгодно.

Промышленные легкие компании «CO2Solutions», как и настоящие, используют ферменты для поглощения и выделения углекислого газа квебекцы же решили отказаться от аминов и за несколько лет провели большую работу, создав ферментативную тех- нологию, которая должна давать столь дешевый углекислый газ, что даже в тепличном хозяйстве не смогут устоять перед соблазном. технология работает по принципу легких человека: главным в ней оказался фермент карбоксидегидрогеназа (у всех дышащих организмов он обеспечивает растворение в крови углекислого газа при его высокой концентрации и выде- ление из крови при низкой). в 2014 году химики компании син- тезировали улучшенную версию фермента, которая позволила всерьез заявить о готовности к промышленному внедрению технологии. в 2015 году была построена демонстрационная установка мощностью в одну тонну углекислого газа в день. а спустя год начались два коммерческих проекта. в одном, мощностью 30 тонн газа в день, будет утилизирован газ цел- люлозно-бумажного комбината, а затем, вместе с бросовым теплом, его употребят в строящейся неподалеку теплице. в другом же, расположенном на территории химического заво- да, утилизируемый газ станет сырьем для изготовления мета- нола, который превратится в уксусную кислоту и отправится в заводской производственный цикл. в недалеком будущем опробуют и технологию изготовления из метанола прекрасно- го топлива и химического сырья —диметилового эфира, а так- же начнут использовать углекислый газ для получения белка с помощью микробов. электричество для этих проектов будет, как и положено, возобновляемым — гидроэлектростанций в квебеке предостаточно.

иначе выглядит технология извлечения углекислого газа из бедного источника — имеющегося на планете воздуха. в установке швейцарской компании «Climeworks» поток воздуха продувают сквозь пористую мембрану с аминами, молекулы углекислого газа и водяного пара совместно осаждаются на поверхности пор. при наполнении мембраны ее нагревают до 1000с, вода испаряется, связь CO c аминами разрушается, большой, вполне хватает солнечной энергии или бросового тепла предприятия. поставив батарею таких устройств, можно обеспечить непрерывный поток углекислого газа в соответ- ствующую установку. попутно, при охлаждении испарений с мембраны, получается немало воды. поместив в наших фан- тазиях такой утилизатор газа где-нибудь в пустыне недалеко от моря – источника влаги, – получаем рядом с ним участок орошаемой земли.

Хотя такая установка совсем необязательно должна стоять рядом с предприятием — источником выбросов, это все равно будет считаться извлечением антропогенного углекислого газа. нет разницы, забирают ли его непосредственно из ис- точника или из окружающего воздуха — все равно содержа- ние газа в атмосфере уменьшается, а предприятие получает льготы и привилегии. правда, непосредственно из источника газ брать удобнее и экономичнее. при больших масштабах локальное обеднение атмосферы углекислым газом может сказаться на фотосинтезе растений в месте расположения установки, но эта тема пока не обсуждается — масштабы считаются слишком малыми, чтобы беспокоиться о такой опасности.

Первые промышленные установки компании «Climeworks» уже работают. одна, запущенная 31 мая 2017 года, снабжает углекислым газом теплицу в швейцарском хинвиле неподалеку от Цюриха. Мощность установки — 2,5 тонны углекислого газа в день, а поставили ее на крыше местного небольшого завода по переработке отходов. при этом, как отмечают менеджеры тепличного хозяйства, удается использовать бросовое тепло, что повышает энергетическую эффективность предприятия, а демонстрируемая экологическая ответственность способству- ет маркетингу помидоров и огурцов, выращенных в теплице.

Другая, мощностью 135 кг в день, стоит в исландском хед- лисхейде, где расположена третья в мире по мощности гео- термальная электростанция. эта установка демонстрирует способность при помощи бросового тепла электростанции извлекать из воздуха углекислый газ и надежно захоранивать его — газ растворяют в воде и закачивают под землю, на глу- бину 700 метров, где находится базальт. В нем происходит минерализация — отложение карбонатов. видимо, у исланд- цев, располагающих огромными ресурсами для производства геотермальной электроэнергии, есть возможность безболез- ненно проводить такие опыты, получая доход от продажи квот на выбросы парниковых газов.

Третий проект не менее интересен: в феврале 2018 года компания заключила контракт с путешественниками робертом и барни сванами. недавно они добрались до Южного полюса, используя только возобновляемые источники энергии, а с помощью установки «Climeworks» изъяли из атмосферы угле- кислый газ, который оказался там вследствие их перелета на самолете и доставки оборудования экспедиции в антарктиду. загоревшись идеей показать всему миру, как важно подчи- щать углеродный след, они твердо намерены использовать свой авторитет, чтобы организовать изъятие из атмосферы не менее 326 млн тонн со2 в ближайшие шесть лет. компания «Climeworks» со своими установками участвует и в несколь- ких международных проектах с большим финансированием (десятки миллионов евро) по превращению углекислого газа в топливо и химикалии. действительно, благодаря таким установкам эти проекты получают неплохое преимущество: нет необходимости располагать новое производство исклю- чительно поблизости от мощных источников антропогенного углекислого газа. Можно, напротив, удалиться в места, наибо- лее перспективные для получения второго необходимого ком- понента — электроэнергии из возобновляемых источников.




Воздушный пластик




Использование для производства пищи углекислого газа, изъятого из атмосферы либо из дыма предприятия, имеет достаточно отдаленное отношение к углерод-нейтральной экономике. Еда, будучи потребленной, очень быстро станет все тем же углекислым газом, то есть ископаемый углерод, что освободился при горении угля на электростанции, даже если его поймали и отправили в теплицу или в реактор питконена, в течение года-двух все равно окажется в атмосфере. в теплице некоторый выигрыш получится от того, что для ее насыщения углекислым газом не потребуется сжигать природный газ. кроме того, если продукцию продадут в окрестных поселках, не придется ее везти издалека.

С производством синтетического белка хоть из водорослей, хоть из плесени, хоть из воздуха ситуация несколько иная. такой белок, несомненно, сокращает объем сельскохозяй- ственного производства, а оно, особенно когда речь идет о животноводстве, дает немало парниковых газов. повсемест- ный переход на синтетическое мясо позволил бы избавиться

от сельскохозяйственных выбросов или существенно их со- кратить. однако, как свидетельствует горячая любовь жителей рф к ветчине из индейки, мороженому и сыру из пальмового масла или колбасе из сои, подавляющее большинство челове- чества перейдет на мясо из водорослей или бактерий только под дулом пистолета.

Творцы безуглеродного будущего, видимо, догадываются об этом и основным направлением своей деятельности считают все-таки утилизацию углекислого газа для получения топлива или сырья химической промышленности. впрочем, некоторым удается и прямо использовать этот газ как сырье для изготов- ления современных пластиков. интересным примером служит деятельность одного из лидеров немецкой химической про- мышленности — компании «Covestro», которая до недавнего времени называлась «Bayer MaterialScience».

За годы сотрудничества с университетом аахена и техниче- ским университетом берлина специалисты компании сделали катализатор, который обеспечивает полимеризацию углекис- лого газа. в результате они создали блоксополимер с фирмен- ным названием «Cardyon», состоящий из фрагментов такого полимера и полиольных участков. из кардиона можно делать как волокна, так и пористый упругий полиуретан, например, для изготовления матрасов или мягкой мебели. технологи су- мели запихнуть в молекулу кардиона до 20% углекислого газа без какого-либо ухудшения свойств материала по сравнению с полностью полученным из нефти. такая замена не только позволяет захоронить углекислый газ в изделии с длительным сроком службы, но и сокращает потребность в ископаемом сырье. в 2017 году было запущено производство кардиона объемом 5 тысяч тонн в год, а мебельщики уже используют сделанные из него матрасы в мягкой мебели. в дальнейшем номенклатуру планируется расширить, создать не линейные, а разветвленные, то есть более жесткие, полимеры — они пойдут в композиты как наполнители. а пока специалисты компании удовлетворены тем, что продемонстрировали воз- можность прямого использования углекислого газа в синтезе пластиков, позволили на реальном примере оценить экономи- ческую целесообразность подобной замены, заодно получив полное право рекламировать свое детище лозунгом «Sleeping on CO » — «сплю на углекислом газе». Впрочем, такое прямое использование углекислого газа в

химии — скорее исключение из правила.




Топливо из воздуха и солнца


У  возобновляемой энергетики есть несколько серьезных про- блем. одна из них — крайне неравномерное распределение удачных мест на планете, зачастую очень далеко от потреби-телей — например, как геотермальное тепло в исландии или сильный ветер у нас на берегу северных морей. другая — по- ток этого электричества, особенно солнечного и ветряного, непостоянен, он зависит от времени дня, сезона, погоды. поэтому использовать такое электричество трудно: нужно создавать какие-то емкости для сохранения энергии во вре- мя максимума производства и расходования при минимуме. оптимального, то есть дешевого и надежного, решения этой проблемы пока нет. одно из перспективных — массовая рас- становка аккумуляторных батарей. считается, что этому по- способствует переход на электромобили — их аккумуляторы можно будет использовать как емкости для хранения электри- чества, ведь большую часть времени автомобиль простаивает в ожидании хозяина. Если при этом он подключен к сети, то его аккумулятор либо накапливает, либо отдает электричество, за что хозяин получает дополнительный доход. впрочем, даже этот способ не считается идеальным.

вот тут-то и появляется превращение углекислого газа в моторное топливо. для этого нужно провести электролиз воды и получить водород, затем нагреть смесь водорода с углекислым газом, сделать синтез-газ, то есть смесь водо- рода и угарного газа, а из него по известным химическим технологиям синтезировать углеводороды, прежде всего метанол. это гораздо эффективнее аккумуляторов: кубо- метр метанола содержит столько же энергии, сколько 222 новейших, полностью электрических автомобилей «BMW i3». Можно отправить синтез-газ и в реактор фишера — тропша, из него выйдет целый набор углеводородов: жидкое дизельное топливо, густая нафта для нефтехимии и твердый воск. не так давно считалось, что процесс фишера — тропша неэффек- тивен и проще все это делать крекингом нефти, но борьба с потеплением и экономическое соперничество вносит свои коррективы. так, в катаре, бедном нефтью, но богатом газом, компания «Shell» построила крупнотоннажное производство методом фишера — тропша жидких и твердых углеводородов именно из природного газа.

о том, как создают технологии производства углеводоро- дов из углекислого газа и возобновляемого электричества, можно судить по истории немецкой компании «SunFire», штаб-квартира которой находится в дрездене, как и демон- страционная установка. изначально эта компания занималась разработкой топливных ячеек и электролизом, в частности создавала установки для электролитического получения во- дорода — он нужен многим химическим и металлургическим производствам. когда идея утилизации углекислого газа обрела перспективы получения финансирования хотя бы от правительства, в компании решили освоить новую область за счет накопленного опыта.

для начала была собрана небольшая установка, где прохо- дил совместный электролиз водяного пара и углекислого газа. после отделения кислорода продукты отправляли в колонку, в ней шла так называемая обратная реакция конверсии водяно- го газа, в ходе которой получался синтез-газ. Его направляли в колонку фишера — тропша, откуда выходила синтетическая нефть. за 2000 часов процесс был отработан и успешно дал три тонны нефти. при этом конверсия электроэнергии в энергию топлива составила 60%, а утилизировано было 85% поступившего в реактор углекислого газа. так подтвердилась справедливость концепции.

на втором этапе начались улучшения. например, для про- ведения электролиза использовали высокотемпературную топливную ячейку с твердооксидной мембраной. удалось избавиться и от промежуточных стадий — синтез-газ стали делать сразу в этой ячейке. сейчас на демонстрационной установке при расходе 150 квт солнечного электричества получается 540 кубометров синтез-газа в час, который отправ- ляют химикам. а дальше будет еще интереснее — к установке добавят устройство извлечения углекислого газа компании

«Climeworks». в нем получается уже нагретая до 100ос смесь углекислого газа с водяным паром, поэтому можно обойтись вообще без расхода воды — надо лишь немного подогреть полученную из установки смесь. для нагрева собранного на мембране газа используют бросовое тепло реактора — про- ходящие в нем реакции экзотермические. все это с

Новости  


Требуются на работу в институте: - ведущий инженер с высшим химическим образованием.


Обращаться в отдел кадров института: 362-35-97.



Дизайн и программирование N-Studio 
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я
  • Chen Wev .  honorary member of ISSC science council

  • Harton Vladislav Vadim  honorary member of ISSC science council

  • Lichtenstain Alexandr Iosif  honorary member of ISSC science council

  • Novikov Dimirtii Leonid  honorary member of ISSC science council

  • Yakushev Mikhail Vasilii  honorary member of ISSC science council

  • © 2004-2018 ИХТТ УрО РАН
    беременность, мода, красота, здоровье, диеты, женский журнал, здоровье детей, здоровье ребенка, красота и здоровье, жизнь и здоровье, секреты красоты, воспитание ребенка рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок медицина, клиники и больницы, болезни, врач, лечение, доктор, наркология, спид, вич, алкоголизм православные знакомства, православный сайт творчeства, православные рассказы, плохие мысли, православные психологи рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок