Журнал для юных умов
Меню сайта

Улавливание избытка CO2 из атмосферы

Углекислый газ (CO2) играет важную роль на Земле. Но сейчас его слишком много! Сжигание ископаемого топлива увеличивает выбросы CO2 в атмосферу, вызывая глобальное потепление. Друг или враг, но сокращение выбросов CO2 крайне важно. Один из способов сделать это - улавливать CO2 до того, как он будет выброшен из заводских дымоходов, или забирать его непосредственно из воздуха. Эти стратегии не только сокращают выбросы CO2но и дают возможность повторно использовать его в продуктах повседневной жизни. Представьте себе уловленный CO2используются для создания пузырьков в вашей газировке или выращивания овощей, которые вы едите? В настоящее время усилия направлены на разработку новых материалов, способных мощно притягивать C2. Внутри этих материалов есть пространства, куда CO2 может проникать внутрь и прилипать к поверхности в результате процесса, называемого адсорбцией. Цель состоит в том, чтобы улавливать CO2 который впоследствии может быть высвобожден для использования в других целях!

Друг или враг?

Углекислый газ (CO2) находится в атмосфере с тех пор, как Земля была молодой планетой. В то время существовало множество вулканов, которые выбрасывали водяной пар, азот и CO2 в огромных количествах. Большая часть CO2 растворялась в океанах, пока микробы с помощью солнечного света не превращали ее в кислород и сахара в процессе фотосинтеза. Этот кислород накапливался в атмосфере, пузырек за пузырьком, пока не появились многие виды организмов, такие как растения и крупные животные. Удивительно, но люди существуют благодаря CO2 и его превращению в кислород!

Более того, CO2 играет важную роль в нашем климате, поскольку является одним из парниковых газов (ПГ), задерживающих солнечное тепло. Парниковый эффект - это естественный процесс, который поддерживает комфортный для живых существ климат Земли. Без него на Земле было бы очень холодно, и многие формы жизни замерзли бы. В течение 20 миллионов лет количество CO2 было ниже 280 частей на миллион (ppm). Однако деятельность человека привела к увеличению количества CO2 и других парниковых газов в атмосфере. Слишком большое количество ПГ приводит к тому, что атмосфера задерживает больше тепла, нагревая Землю. Это повышение глобальной температуры называется глобальным потеплением. Сжигание ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ, привело к увеличению выбросов CO2 на 50 % за 2 годауровня за всю историю человечества! В то же время за последние 150 лет средняя глобальная температура повысилась на 1,26 °C. 2020 год стал самым теплым за всю историю наблюдений! Вы можете наблюдать последствия глобального потепления там, где живете: жаркие дни, экстремальные дожди, таяние льда и изменение времени цветения цветов. Что произойдет, если выбросы CO 2 в атмосфере будут продолжать расти?

CO2 Выбросы: Наполнение "ванны"

Присутствие CO2 в нашей атмосфере похоже на текущую воду в ванне с открытым сливом (рис. 1). Есть кран, из которого постоянно добавляется CO2 в ванну в результате сжигания ископаемого топлива и лесов, дыхания растений и животных, извержения вулканов и лесных пожаров. Но есть и естественный сток, который поглощает CO2 через растения, океан и сушу. В настоящее время сжигание ископаемого топлива и выбросы промышленных предприятий добавляют все больше CO2чем может выдержать естественный слив, немного засоряя слив и наполняя ванну. Что произойдет, если ванна наполнится? Представьте, что вы находитесь в ванне и наслаждаетесь пеной. Чтобы наполнить ванну, вам, вероятно, следует закрыть слив и включить кран. Но что, если вы забудете выключить кран? Ваша ванная комната непременно будет затоплена, ведь мыльная вода переполнит ванну! По мнению ученых, если мы не сократим выбросы CO2 и выбросы продолжат расти после 2050 года, средняя глобальная температура повысится на 4,5-5°C [ 2 ]. Это может показаться не очень большим, но даже такое повышение может вызвать волны жары, сильные дожди, вымирание видов и потерю среды обитания, повышение кислотности океана, потерю коралловых рифов и угрозу здоровью людей. По этой причине нам необходимо сократить выбросы CO2 и создавать новые "искусственные стоки", способные предотвратить переполнение.

Как удалять и хранить СО2?

Существует множество способов создания "искусственных стоков" для удаления CO2из атмосферы. Среди идей - лесовосстановление, восстановление мангровых зарослей и морской травы, выращивание ламинарии, некоторые виды сельскохозяйственной практики и ряд передовых технологий. Хотя некоторые технологии находятся на ранней стадии, они могут стать возможными благодаря специальным исследованиям. В частности, системы улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS) включают в себя технологии улавливания CO2 выбрасываемого электростанциями (где производится электричество) и крупными промышленными предприятиями, чтобы не выбрасывать его в атмосферу [ 3 ]. Ученые разработали несколько способов улавливания CO2. Наиболее распространенным является улавливание его непосредственно из дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива (рис. 2).

Рисунок 2 - Системы улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS) могут служить в качестве

Дымовые газы - это смесь газов, выходящих через дымоход в результате горения, и обычно они содержат 3-15 % CO2 наряду с азотом, водяным паром, кислородом, частицами и другими веществами. Вы когда-нибудь видели мощную заводскую трубу, извергающую дым? Если завод использует систему CCUS, заменяя заводские дымовые трубы на улавливающие башни, его выбросы CO2 может сократиться на 80-90 %! В системе CCUS дымовые газы из дымовой трубы направляются в башню, где CO2 улавливается жидким или твердым материалом. В другой башне CO2 из материала, чтобы его можно было использовать снова. Как только CO2улавливается, его необходимо сжать, чтобы транспортировать по трубопроводу в место, где он может быть безопасно сохранен, возможно, навсегда. Хранение CO2Под землей, в глубинах океана или превращение в минералы, например, в цемент - вот некоторые идеи безопасного хранения, которые изучаются в настоящее время.

Кроме того, после улавливания CO2 может быть использован для создания продуктов, которые мы используем в повседневной жизни. Знаете ли вы, что тонны CO2 используются для выращивания овощей? Когда CO2 закачивается в теплицу, выращенные помидоры, огурцы и салат-латук становятся больше, лучше и вкуснее. CO2 также может использоваться для производства газированных напитков, в качестве хладагента для замороженных продуктов и в качестве огнетушителя. CO2 можно даже превратить в метанол - вид спирта, используемый для производства топлива для автомобилей и лодок, а также для изготовления клея.

CO2 Улавливать больше углерода!

Первая и крупнейшая в мире система улавливания и хранения CO2 находится в Исландии. Она называется Orca. В настоящее время она удаляет до 4 000 тонн CO2 в год прямо из воздуха - столько же, сколько могут поглотить 145 000 деревьев! Как правило, CCUS улавливают CO2 с помощью жидких химикатов, называемых аминами. Но для высвобождения CO из аминов требуется большое количество энергии.2 из аминов, чтобы их можно было использовать снова. Общая эффективность электростанции может снизиться на 7-12 % из-за тепла и энергии, необходимых для работы CCUS! По этой причине наша исследовательская группа и другие ученые разрабатывают новые технологии получения CO2-захватывающие материалы, которые можно использовать многократно и которые требуют меньше энергии. Некоторые из этих материалов состоят из атомов углерода. Какое совпадение! Твердые формы углерода обычно имеют черный цвет. Каждый представитель семейства углеродных материалов уникален по форме, текстуре и способности улавливать чужеродные атомы. Алмаз в кольце, графит в карандаше, древесный уголь в барбекю и активированный уголь в аквариуме - вот некоторые представители этого семейства. Эти вещества состоят из атомов углерода, соединенных в гексагональную форму (рис. 3А), а один слой атомов углерода, соединенных таким образом, называется графеном [ 4 ].

Рисунок 3 - (A) Некоторые углеродные материалы представляют собой черные твердые тела, состоящие из неупорядоченных слоев атомов углерода, как стопка картофельных чипсов.

При наблюдении под мощным микроскопом графен напоминает чрезвычайно тонкие соты: в миллион раз тоньше человеческого волоса! Если слои графена накладываются друг на друга беспорядочно (как стопка картофельных чипсов), образуются промежутки, которые называются порами. Для удаления CO2 из дымовых газов, размер пор должен быть аналогичен размеру молекулы CO2 молекулы. Попадая внутрь, CO2проходит через поры и прилипает к поверхности в процессе, называемом адсорбцией (рис. 3B). В результате на поверхности образуется очень тонкий слой молекул, прилипших к поверхности благодаря слабым электростатическим силам. Эти силы обусловлены притягательными и отталкивательными взаимодействиями, вызванными естественными электрическими зарядами частиц. Чтобы удалить CO2 с поверхности, мы можем подать тепло или вакуум, чтобы разрушить электростатическое взаимодействие. Этот процесс называется десорбцией. Затем CO2 можно сконцентрировать, а графеновые слои использовать повторно.

Напутствие на будущее

В настоящее время наша исследовательская группа работает над созданием углеродных материалов с высокой способностью улавливать CO2. Чем выше притяжение CO2тем больше газа может быть уловлено за очень короткое время. Аналогичным образом, сочетание углеродных поверхностей с жидкостями или мелкими металлическими частицами может увеличить улавливание CO2 за счет сочетания их суперспособностей по притяжению газа. Также возможно "выращивание" других углеродных материалов на поверхности графена для увеличения пространства, где CO2можно поймать. Эти исследования играют важную роль в шагах по борьбе с глобальным потеплением и его негативными последствиями. Однако важно помнить, что сами по себе системы CCUS не решат проблему. Транспорт, производство и строительство являются значительными источниками выбросов CO2 в атмосферу и значительными потребителями энергии. Поэтому создание зданий с более длительным сроком службы, переход на гибридные или электрические автомобили, использование переработанных материалов - вот еще несколько важных шагов, которые необходимо предпринять для снижения уровня выбросов CO2 уровня. Вы можете изменить ситуацию и дома! Выключайте свет, принимайте душ, ездите на велосипеде, а не на машине, когда это возможно, выбрасывайте меньше еды, более осознанно относитесь к своим пищевым привычкам, перерабатывайте... И самое главное - продолжайте учиться!

Это интересно: