Как сжечь углекислый газ?
Новые катализаторы помогут превратить диоксид углерода в топливо.
Чтобы получить энергию, как правило, необходимо что-нибудь сжечь: обычные автомобили сжигают топливо в двигателях внутреннего сгорания, электромобили заряжают свои батареи от электричества, поступающего, например, на ТЭЦ, где сжигают природный газ, и даже нам для мышечной или умственной работы надо «сжечь» внутри себя съеденный завтрак.
В любом органическом топливе, будь то бензиновые углеводороды или углеводы из шоколадки, содержатся атомы углерода, которые в конце своего энергетического пути превращаются в углекислый газ. Ну а газ, в свою очередь, отправляется в атмосферу, где он может накапливаться и вызывать всякие нехорошие эффекты вроде глобального потепления.
С энергетической точки зрения углекислый газ абсолютно бесполезен, поскольку углерод в нём полностью «сгорел», прочно и неразрывно связав себя с двумя атомами кислорода. Гореть он уже не горит, и единственное что с ним можно сделать – утопить или закопать. Утопить его можно, растворив в океане – и это действительно один из способов утилизации СО2. Другой способ – закачать его под высоким давлением под землю, желательно там, где есть нефтяные месторождения; это позволит повысить отдачу нефтяных пластов и поможет добыть больше нефти. Однако химики всё же нашли способ «сварить кашу из топора» – существует третий путь утилизации СО2, когда его превращают в топливо.
Чтобы превратить СО2 в топливо, нужно «похимичить» с молекулой углекислого газа, например, отобрать у неё один атом кислорода. Тогда углекислый газ превратится в угарный газ СО. Несмотря на то, что для большинства угарный газ – это «тот газ, от которого периодически погибают неаккуратные пользователи дровяных печей», в промышленности его используют в самых разных процессах: во-первых, его можно сжечь и получить энергию, во-вторых, его можно использовать в металлургических процессах, а в-третьих, из него можно синтезировать различные органические молекулы, в том числе и жидкое топливо. Как раз последний пункт и открывает перед углекислым газом нефтехимические перспективы.
Однако стоит заметить, что использование угарного газа в химических целях не есть что-то совсем новое. Ещё на заре ХХ века германские химики Франц Фишер и Ганс Тропш разработали способ, как из обычного угля получить жидкое топливо: сначала из каменного угля и воды получают синтез-газ – так называется смесь угарного газа и водорода, а затем с помощью катализатора из синтез-газа получают различные углеводороды. Этот способ был востребован, когда обычной нефти не хватало, однако со временем, во второй половине двадцатого века метод получения топлива из угля стала просто дорогой альтернативой «классическим» нефтеперерабатывающим технологиям. Но если в процессе Фишера-Тропша в качестве сырья используют каменный уголь, который сам по себе есть полезное ископаемое, то химики из Массачусетского технологического института для той же цели – получения синтез-газа – разработали способ, позволяющий делать его из «ненужного» углекислого газа.
Такие вещи невозможны без использования катализаторов, и, чтобы получить работающий катализатор, химикам порой приходится идти на самые разные хитрости. Дело в том, что, кроме определённого химического состава, для катализатора очень важна его внутренняя структура. Если говорить упрощённо, катализатор, нанесённый на ровную поверхность, может оказаться нерабочим, а вот если его нанести на пористую поверхность, и если у пор при этом будет определённый размер, то тогда он сможет заработать в полную силу.
Для того чтобы создать такой катализатор, химики взяли электропроводящий материал в качестве подложки и нанесли на него слой из полистирольных шариков диаметром около 200 нанометров. После чего пустоты, оставшиеся в пространстве между шариками, заполнили атомами серебра. (В качестве аналогии можно представить, что мы насыпали на пол слой из бильярдных шаров, а потом всё сверху залили ровным слоем расплавленного парафина.) Теперь, чтобы получить пористый субстрат, нужно каким-то образом убрать из материала все шарики, оставив в целости оставшуюся структуру. В случае с бильярдными шарами это было бы весьма проблематично, а вот в случае с полистирольными шариками все оказалось намного проще – и в итоге после удаления полистирола на поверхности электрода получилась ячеистая структура из серебра с «сотами» определённого размера.
Подобный материал, как оказалось, хорошо превращает углекислый газ в синтез-газ, причём эффективность и селективность катализатора управляется за счёт размера сот: если на этапе синтеза катализатора взять полистирольные шарики покрупнее, то после реакции получится один состав продуктов, а если помельче – то другой. Подробно результаты исследований опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
И вроде бы всё хорошо, и человечество должно бы праздновать победу над выбросами парниковых газов, а каждую трубу, чадящую в атмосферу продуктами сгорания, нужно оборудовать подобным серебряным катализатором, но всё-таки стоит сделать одно замечание. Один из важных законов, по которому живёт окружающий нас мир – закон сохранения: масса и энергия не возникают ниоткуда и не пропадают в никуда. Это справедливо и для атомов химических элементов, и для тепла, вырабатываемого при сжигании топлива, и для электрической энергии. Поэтому сколько энергии получается при сжигании угарного газа до углекислого, как минимум, столько же энергии нужно затратить (упрощённо), чтобы превратить молекулу углекислого газа обратно в молекулу угарного. И очевидно, что для такой, в общем-то, «зелёной» технологии по утилизации парникового газа нужен свой источник энергии, который как минимум не «начадил» бы в атмосферу столько СО2, сколько можно было бы превратить в полезный продукт.
Откуда взять энергию для превращения одного газа в другой? Например, от ветряных или солнечных энергоустановок, которые производят энергию, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива – в результате это позволило бы уменьшить общее количество углекислого газа.
Забавно, что похожей деятельностью занимались древние растения и бактерии, поглощавшие находившийся тогда в избытке в атмосфере углекислый газ, и преобразовывшие его в органические вещества, ставшие потом ископаемым топливом. Возможно, что человечеству в будущем придётся заниматься чем-то похожим, но только уже с использованием химических технологий.
Что такое CO2
Что такое CO2
Что такое диоксид углерода
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.
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.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
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:
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
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.
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,