ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ – ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА НАУЧНО
advertisement
ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ – ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Лебедь Д.М., Базанова О.А. Научный руководитель: преподаватель Базанова О.А. Стерлитамакский химико-технологический колледж г. Стерлитамак, Россия GREENHOUSE GASES AS A GLOBAL ECOLOGICAL PROBLEM RESEARCH WORK Lebed D.M., Bazanova O.A. Scientific supervisor: teacher Bazanova O.A. Sterlitamak Chemical Engineering College Sterlitamak, Russia Оглавление: Введение………………………………………………………………………........3 Глава 1. Основная часть 1.1 История изучения проблемы парниковых газов ……………………........5 1.2 Источники загрязнения атмосферы……………………………………......7 1.3 Химические загрязнители атмосферы…………………………...…...........9 1.4 Причины повышенного содержания парниковых газов в атмосфере..........................................................................................13 1.5 Влияние высокого содержания парниковых газов на биосферу ……….16 Глава 2. Технологии удаления углекислого газа из атмосферы……………… 18 2.1 Возможные решения проблемы изменения климата Земли……….........18 2.2 Современные технологии удаления оксида углерода (IV) из атмосферы….............................................................................................22 2.3 Современные технологии удаления метана из атмосферы………...........24 2.4 Инновационная технология удаления оксида углерода (IV) из атмосферы …….......................................................................................26 2.5 Инновационная технология удаления метана из атмосферы ….....…….29 Глава 3. Результаты исследований…………………………………………........31 Заключение………………………………………………………………………..33 Список использованных источников………………………………………........35 Приложения………………………………………………………………….........37 Введение «На долю развитых государств с 1950 по 2000 гг. пришлось 77 % вредных промышленных выбросов в атмосферу, и именно они несут основную ответственность за изменения климата» Ма Кай, государственный деятель КНР Охрана окружающей природной среды и рациональное использование естественных ресурсов - одна из актуальных глобальных проблем современности. Ее решение неразрывно связано с борьбой за мир на Земле, за предотвращение ядерной катастрофы и голода, разоружение и мирное и взаимовыгодное существование и сотрудничество государств. Среди стоящих перед человечеством глобальных экологических проблем, проблема парникового эффекта - одна из самых дискуссионных. Современное человечество живет в эпоху небывалого развития научнотехнического прогресса, сопровождающегося активным воздействием на природную среду, в частности на атмосферу. Конечно, по сравнению с другими компонентами геосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей высокую подвижность, изменчивость составляющих ее элементов, своеобразие молекулярных реакций, в которых могут участвовать и инертные газы. Тем не менее, год от года уровень загрязнения атмосферы постоянно растет, что уже породило ряд экологических проблем, из них самые острые связаны с состоянием атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов. И хотя в последние десятилетия принимаются меры по ее охране и оздоровлению, тем не менее, общее состояние окружающей среды продолжает ухудшаться. К сожалению, в современном мире деятельность человека не ограничивается вырубкой лесов и безжалостным уничтожением редких видов растений и животных. Вредные выбросы промышленных предприятий наполняют воздух большим количеством парниковых газов: закисью азота, хлорсодержащими веществами, метаном и др. А увеличение концентрации этих газов приводит к неизбежному нагреванию атмосферы и климатическому сдвигу в сторону повышения температуры. Мировые ледники медленно, но верно тают, 3 уровень Мирового океана растет, и, кто знает, какие страны могут в будущем оказаться под водой. Предметом изучения в данном исследовании являются химические и физические источники загрязнения атмосферы и их пагубное воздействие на атмосферу, биосферу и климат Земли. Объектом исследования являются такие загрязнители атмосферы, как парниковые газы. В частности, оксид углерода (IV) и метан. Насколько актуален этот еще с одной стороны не изученный, а с другой стороны неоднозначный процесс покажет время, но уже сейчас ясно, что составная часть парникового эффекта - глобальное потепление, приобрело невероятные ранее размеры и угрожает многим территориям земного шара. Если сейчас мы не примем срочных мер по спасению нашей планеты, в будущем Земля превратиться в сухую безжизненную пустыню, на которой будут господствовать только бури и ураганы. Ученые предполагают, что это может произойти уже через 300 лет. Целью данного исследования стало изучение способов извлечения полезных ресурсов из излишнего количества парниковых газов для дальнейшего использования и мер по предотвращению дальнейшего загрязнения атмосферы Земли. Задачи: • Проанализировать историю изучения проблемы парникового эффекта. • Изучить источники загрязнения атмосферы Земли. • Изучить причины повышенного содержания загрязнителей в атмосфере. • Выявить влияние парниковых газов на биосферу Земли. • Проанализировать технологии переработки парниковых газов и возможные решения проблемы изменения климата Земли. • Предложить инновационные способы по утилизации парниковых • Сделать вывод по результатам работы. газов. 4 Глава 1. Основная часть 1.1. История изучения проблемы парниковых газов Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Джозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли. При этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция). Фурье дал теоретическое обоснование парниковому эффекту: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженную Землей длинноволновую тепловую энергию.[ 2, c.97-125] В конце XIX века шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что из-за сжигания угля изменяется концентрация СО2 в атмосфере — и это должно привести к потеплению климата. Сванте Аррениус, для количественного определения поглощения атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (то есть при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчетным спектром её теплового излучения и рассчитал, как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов.[3, с.237-276] В 1957 - Международном геофизическом году — наблюдения показывали, что уже идет значительный рост концентрации СО2 в атмосфере. Российский ученый Михаил Будыко сделал первые численные расчеты и предсказал сильные изменения климата. Парниковый эффект вызывается водяным паром, углекислым 5 газом, метаном, закисью азота и рядом других газов, концентрация которых в атмосфере незначительна. Работа Чарльза Килинга в обсерватории Мауна-Лоа по изучению двуокиси углерода стала первым доказательством быстрого увеличения концентрации этого газа в атмосфере. Сейчас считается, что именно Чарльз Килинг стал первым человеком, который обратил широкое общественное внимание в мире к тому воздействию, которое оказывает хозяйственная активность человечества на атмосферу Земли и её климат. В период его работы в Институте Океанографии им. Скриппса с 1958 года, он стал первым, кто начал производить регулярные частые измерения концентрации атмосферного CO2 на Южном полюсе и на Гавайях. График Килинга (рис .1.) описывает изменения концентрации углекислого газа с 1958 года. Назван по имени Чарльза Килинга (англ.) русск., под руководством которого были начаты непрерывные измерения в обсерватории на горе Мауна-Лоа (Гавайи). Данные наблюдения стали первым научным подтверждением антропогенного вклада в современное изменение климата. Измерения, собранные в обсерватории на Мауна-Лоа, показывают устойчивый рост средней концентрации атмосферного CO2 с 315 ppmv1 (0,0315 %) в 1958 году до 403,94 ppmv (0,040394 %) в мае 2015 года. Рис. 1 1 Миллионная доля (млн−1) 6 1.2 Источники загрязнения атмосферы К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем. Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести: 1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. тонн углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.) содержание СО2 увеличилось на 18 %(с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%. 2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди. 3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фтор углеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы). 4. Производственная деятельность. 5. Загрязнение взвешенными частицами 6. Выбросы предприятиями различных газов. 7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель – оксид углерода (II). 8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог. При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, 7 работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории. Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных. 8 1.3 Химические загрязнители атмосферы. Загрязнение атмосферы — вопрос не новый. Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее в рассматриваемое время физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (IV) (сернистого газа), свыше 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз, мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот на Земле за то же время. Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2014 год, ежегодно в мире примерно 3,7 миллионов человек умирает из-за загрязнения атмосферного воздуха. Общее количество смертей, связанных с воздействием загрязненного воздуха как в помещениях, так и в атмосфере, достигает 7 миллионов в год. По данным Международного агентства по изучению рака ВОЗ, загрязнение воздуха является главной причиной возникновения онкологических заболеваний. Астрономы утверждают, что прозрачность атмосферы уменьшилась за последнее время. Моделирование изменений климата и загрязненности воздуха, связанных с индустриальным развитием человечества, показало, что ежегодно примерно 470 000 смертей может 9 быть связано с воздействием атмосферного озона и примерно 2 миллиона - с загрязнением воздуха высокодисперсными фракциями.[5] Основными источниками загрязнения являются парниковые газы - это газы, которые пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому излучению испариться с земной поверхности. Присутствие таких газов в атмосферах появлению парникового эффекта, то есть планет приводит к повышения температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются: 1. Водяной пар (рис. 1.2.) — газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере. Образуется молекулами воды при её испарении. 2. Рис 1.2. Модель молекулы водяного пара Оксид углерода (IV) (рис. 1.3.) — бесцветный газ без запаха, со слегка кисловатым вкусом. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,0395 %. 3. Рис 1.3. Модель молекулы оксида углерода (IV) Метан (рис. 1.4.) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. Основной компонент природного газа (77—99 %). По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан. 4. Озон (рис. 1.5.) —состоящая из трёхатомных молекул Рис 1.4. Модель молекулы метана O3 аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях — голубой газ. Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность. Рис. 1.5. Модель молекулы озона 10 Воздействие озона на организм может приводить к преждевременной смерти. Загрязнители, не относящиеся к парниковым газам, в порядке их оцениваемого воздействия на атмосферу Земли: 1. Оксид углерода (II) (рис. 1.6.) - бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, легче воздуха 2. Рис 1.6.Модель молекулы оксида углерода (II) Оксид серы (IV) (рис. 1.7.) – в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Под давлением сжижается при комнатной температуре. Рис. 1.7. Модель молекулы оксида серы (VI) Растворяется в воде с образованием нестойкой сернистой кислоты. 3. Оксид азота (II) (рис. 1.8.) - несолеобразующий оксид азота. В нормальных условиях он представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Сжижается с Рис 1.8. Модель молекулы оксида азота (II) трудом; в жидком и твёрдом виде имеет голубой цвет. 4. Оксид азота (VI) (рис. 1.9.) - газ, красно-бурого цвета, с характерным острым запахом или желтоватая жидкость. В обычном состоянии NO2 существует в равновесии со своим димером N2O4. 5. Рис 1.9. Модель молекулы оксида азота (IV) Аэрозоли — мелкие частицы размером в несколько десятых долей микрона, которые находятся в атмосфере во взвешенном состоянии. Они образуются в загрязняющими результате веществами, химических от лесных реакций пожаров, между газообразными сельскохозяйственной деятельности, от выбросов предприятий и транспорта. Аэрозоли делают нижние слои тропосферы (до 10 км) более мутными и рассеивают свет, что понижает температуру приземного слоя атмосферы. Кроме того, аэрозоли усиливают 11 облачный покров, что также приводит к охлаждению. Обычно аэрозоли находятся в атмосфере недолго: при наличии осадков, например, около недели. Поэтому действие аэрозолей достаточно локально. 12 1.4 Причины повышенного содержания парниковых газов в атмосфере Парниковый эффект был всегда, как только у Земли появилась атмосфера. По степени влияния на климат парникового эффекта Земля занимает промежуточное положение между Венерой и Марсом: у Венеры повышение температуры приповерхностной атмосферы в ~13 раз выше, чем у Земли, в случае Марса — в ~5 раз ниже; эти различия являются следствием различных плотностей и составов атмосфер этих планет. Другое дело — усиление парникового эффекта: человечество выбрасывает углекислый газ, сжигая ископаемое топливо, миллионы лет изымавшееся из атмосферы и хранившееся в виде угля, нефти и газа. Но дело даже не столько в собственно потеплении, сколько в разбалансировке климатической системы. Резкий выброс CO2 — своего рода химический толчок по климатической системе. Средняя температура на планете от этого изменяется несильно, а вот колебания внутри ее становятся гораздо сильнее. Что мы и видим на практике: резкое усиление частоты и силы экстремальных погодных явлений — наводнений, засух, сильной жары, резких перепадов погоды, тайфунов и т.п. Концентрации парниковых газов возрастали в течении ХХ века и сейчас этот рост продолжается со все большей скоростью. Парниковые газы характеризуются большим сроком нахождения в атмосфере. Половина всех выбросов CO2 остается в атмосфере 50–200 лет, в то время как вторая половина поглощается океаном, сушей и растительностью. При этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80% поглощения CO2 и производства кислорода приходится на фитопланктон. Оценки показывают, что именно с CO2 связано примерно 80% антропогенного парникового эффекта, в то время как метан дает 18–19%, а все остальные газы 1– 2%. Поэтому во многих случаях, говоря об антропогенном парниковом эффекте, подразумевают именно CO2. За последние 150–250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а значит, и запас углерода в наземных экосистемах в целом. В результате в атмосферу поступило большое количество CO2. Резко сократилась площадь лесов, прежде всего в 13 тропиках. Выпас все большего количества скота в развивающихся странах, особенно в Африке, при вел к деградации пастбищ. Все это повлияло как на местный климат, так и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. Для многих территорий угроза опустынивания, связанная с локальными явлениями), усиливается последствиями глобального изменения климата (например, большей частотой засух, ливневым характером выпадающих осадков). Способствовала изменению климата и урбанизация. Сейчас в городах живет примерно половина населения планеты. Город с населением в 1 миллион человек в день производит 25 тыс. тонн CO2 и 300 тыс. тонн сточных вод Кроме этого в больших городах температура выше на несколько градусов из-за большого количества "горячих" объектов — зданий, машин, и т.п. В развитых странах, находящихся в теплом климате, на кондиционирование воздуха расходуется больше энергии, чем на отопление. То есть борьба с потеплением с помощью кондиционеров приводит к еще большему потеплению. Заметим, что в парниковый эффект в целом вклад еще больший, чем CO2, вносит водяной пар — главный парниковый газ планеты. Однако изменений его концентрации в атмосфере пока не зарегистрировано (ни антропогенных, ни естественных), поэтому о нем обычно умалчивают, хотя в принципе можно представить себе влияние человека на водяной пар, например — при сильном изменении процессов испарения на очень большой территории. Парниковые газы достаточно долго "живут" в атмосфере и хорошо там перемешиваются. В результате парниковый эффект не зависит от места конкретного выброса CO2 или иного газа. Фактически любой локальный выброс оказывает только глобальное действие, и уже глобальный эффект порождает вторичные эффекты, которые сказываются на климате того или иного конкретного места. В связи с энергоносителей в активным качестве использованием человечеством ископаемых топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста 14 увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет. Отличительной особенностью парниковых свойств двуокиси углерода по сравнению с другими газами является её долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей её эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени. 15 1.5 Влияние высокого содержания парниковых газов на биосферу 1. Изменение частоты и интенсивности выпадения осадков. В целом климат на планете станет более влажным. Но количество осадков не распространится по Земле равномерно. В регионах, которые и так на сегодняшний день получают достаточное количество осадков, их выпадение станет интенсивнее. А в регионах с недостаточным увлажнением участятся засушливые периоды. 2. Повышение уровня моря. В течение ХХ века средний уровень моря повысился на 0,1-0,2 м. По прогнозам ученых, за XXI век повышение уровня моря составит до 1 м. В этом случае наиболее уязвимыми окажутся прибрежные территории и небольшие острова. Такие государства как Нидерланды, Великобритания, а также малые островные государства Океании и Карибского бассейна первыми подпадут под опасность затопления. Кроме этого участятся высокие приливы, усилится эрозия береговой линии. 3. Угроза для экосистем и биологического разнообразия. Существуют прогнозы исчезновения до 30- 40% видов растений и животных, поскольку их среда обитания будет изменяться быстрее, чем они могут приспособиться к этим изменениям. При повышении температуры на 1 градус прогнозируется изменение видового состава леса. Леса являются естественным накопителем углерода (80% всего углерода в земной растительности и около 40% углерода в почве). Переход от одного типа леса к другому будет сопровождаться выделением большого количества углерода. 4. Таяние ледников. Современное оледенение Земли можно считать одним из самых чутких индикаторов происходящих глобальных изменений. Спутниковые данные показывают, что, начиная с 1960-х годов произошло уменьшение площади снежного покрова примерно на 10%. С 1950-х годов в Северном полушарии площадь морского льда сократилась почти на 10-15%, а толщина уменьшилась на 40%. По прогнозам экспертов Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург), уже 16 через 30 лет Северный ледовитый океан в течение теплого периода года будет полностью вскрываться из под льда. 5. Сельское хозяйство. Влияние потепления на продуктивность сельского хозяйства неоднозначно. В некоторых районах с умеренным климатом урожайность может увеличиться в случае небольшого увеличения температуры, но снизится в случае значительных температурных изменений. В тропических и субтропических регионах урожайность в целом, по прогнозам, будет снижаться. Самый серьезный удар может быть нанесен беднейшим странам, наименее всего готовым приспособиться к изменениям климата. По данным МГЭИК, к 2080 г. число людей, сталкивающихся с угрозой голода, может увеличиться на 600 млн. человек. 6. Водопотребление и водоснабжение. Одним из последствий климатических изменений может стать нехватка питьевой воды. В регионах с засушливым климатом (Центральная Азия, Средиземноморье, Южная Африка, Австралия и т. п.) ситуация еще более усугубиться из-за сокращения уровня выпадения осадков. Из-за таяния ледников существенно снизиться сток крупнейших водных артерий Азии – Брахмапутры, Ганга, Хуанхэ, Инда, Меконга, Салуэна и Янцзы. Недостаток пресной воды коснется не только здоровья людей и развития сельского хозяйства, но также повысит риск политических разногласий и конфликтов за доступ к водным ресурсам. 7. Здоровье человека. Изменение климата, по прогнозам ученых, приведет к повышению рисков для здоровья людей, прежде всего менее обеспеченных слоев населения. Так, сокращение производства продуктов питания неизбежно приведет к недоеданию и голоду. Аномально высокие температуры могут привести к обострению сердечнососудистых, респираторных и других заболеваний. Повышение температуры может привести к изменению географического распространения различных видов, являющихся переносчиками заболеваний. С повышением температуры ареалы теплолюбивых животных и насекомых (например, энцефалитных клещей и малярийных комаров) будут распространяться севернее, в то время как люди, населяющие эти территории, не будут обладать иммунитетом к новым заболеваниям. 17 Глава 2. Технологии удаления углекислого газа из атмосферы 2.1 Возможные решения проблемы изменения климата Земли Основные пути снижения и полной ликвидации загрязнения атмосферы, следующие: 1. Восстановление лесов, поскольку леса – естественные поглотители углекислого газа из атмосферы (рис. 2.1.). 2. Очистные фильтры являются основным средством борьбы с промышленным загрязнением атмосферы. Очистка выбросов в атмосферу осуществляется путем пропускания их через различные фильтры (механические, электрические, магнитные, звуковые и др.), воду и химически активные жидкости. Все они предназначены для улавливания пыли, паров и газов. Эффективность работы очистных сооружений различна и зависит как от физико-химических свойств загрязнителей, так и от совершенства применяемых методов и аппаратов. При грубой очистке выбросов устраняется от 70 до 84% загрязнителей, средней очистке — до 95-98% и тонкой - 99% и выше. Очистка промышленных отходов не только предохраняет атмосферу от загрязнений, но и дает дополнительное сырье и прибыли предприятиям. Улавливание серы из газовых отходов Магнитогорского комбината обеспечивает санитарную очистку и получение дополнительно многих тысяч тонн дешевой серной кислоты. На Ангарском цементном заводе очистными сооружения- ми улавливается до 98% выбросов цементной пыли, а фильтрами одного алюминиевого завода — 98% ранее терявшегося фтора, что дает 300 тыс. долларов прибыли в год. Решить проблему охраны атмосферы только при помощи очистных сооружений невозможно. Необходимо применение комплекса мероприятий, и прежде всего внедрение безотходных технологий. 3. Безотходная технология эффективна в том случае, если она строится по аналогии с процессами, происходящими в биосфере: отходы одного звена в экосистеме используются другими звеньями. Цикличное безотходное производство, сопоставимое с циклическими процессами в биосфере, — это 18 будущее промышленности, идеальный путь сохранения чистоты окружающей среды. В настоящий момент КПД большинства используемых технологий составляет около 30%! Необходимо внедрять новые энергетически и экологически эффективные технологии производства. 4. Переход на использование новых экологически безопасных источников энергии. Например, строительство станций, использующих энергию приливов и отливов, использование гелиоустановок и ветряных двигателей. В 1980-е гг. перспективным источником энергии считались атомные электростанции. После Чернобыльской катастрофы число сторонников более широкого использования атомной энергии уменьшилось. Эта авария показала, что атомные источники энергии требуют повышенного внимания к системам их безопасности. В качестве частных решений защиты воздуха от выхлопных газов автомобилей можно указать на установку фильтров и дожигающих устройств, замену добавок, содержащих свинец, организацию движения транспорта, которая уменьшит и исключит частую смену режимов работы двигателей (дорожные развязки, расширение дорожного полотна, строительство переходов и т.д.). Кардинально проблема может быть решена при замене двигателей внутреннего сгорания на электрические. Для уменьшения токсических веществ в выхлопных газах автомобилей предлагается за- мена бензина другими видами горючего, например смесью различных спиртов. Перспективны газобаллонные промышленных центров: зеленые автомобили. Озеленение насаждения за счет городов и фотосинтеза освобождают воздух от диоксида углерода и обогащают его кислородом. На листьях деревьев и кустарников оседает до 72% взвешенных частиц пыли и до 60% диоксида серы. Поэтому в парках, скверах и садах в воздухе содержится пыли в десятки раз меньше, чем на открытых улицах и площадях. Многие виды деревьев и кустарников выделяют фитонциды, убивающие бактерии. Зеленые насаждения в значительной мере регулируют микроклимат города, «гасят» городской шум, приносящий огромный вред здоровью людей. Для 19 поддержания чистоты воздуха большое значение имеет панировка города. Фабрики и заводы, транспортные магистрали должны отделяться от жилых кварталов буферной зоной, состоя- щей из зеленых насаждений. Необходимо учитывать направление основных ветров (розу ветров), рельеф местности и наличие водоемов, располагать жилые кварталы с подветренной стороны и на возвышенных участках. Промышленные зоны лучше размещать вдали от жилых кварталов или за пределами города. 5. Внедрения мер по энергосбережению - переход от крупномасштабной энергетики (ГЭС, ТЭЦ, АЭС) к мелким местным электростанциям позволит сократить потери энергии. При транспортировке энергии на дальнее расстояние может быть потеряно в пути до 50% энергии! 6. Правовая охрана атмосферы — реализация конституционных прав населения и норм в экологической сфере привела к существенному расширению базы законодательного регулирования в области охраны атмосферного нормативными воздуха. Основными правовыми актами, законодательными и регламентирующими иными вопросы природоохранной деятельности, служат следующие: Воздушный кодекс Российской Федерации (19 марта 1997 г.). В нем особые требования предъявляются к состоянию полетной техники, регулированию работы двигателей для снижения загрязнения атмосферы. Федеральный закон «Об уничтожении химического оружия»» (2 мая 1997 г.) устанавливает правовые основы проведения комплекса работ по обеспечению защиты окружающей среды. Уголовный кодекс имеет ряд статей, касающихся атомной промышленности, содержит определение «экологические преступления». Федеральный закон «Об использовании атомной энергии» (21 ноября 1995 г.; в феврале 1997 г. были внесены изменения и дополнения) В Госкомэкологии России рассмотрено и утверждено несколько нормативно-правовых документов, касающихся охраны атмосферы, в частности по методике расчета выбросов в атмосфера загрязняющих веществ. 20 Эти меры позволят сократить выбросы в атмосферу парниковых газов развитыми странами на 80% к 2050 году, а развивающимися - на 30% к 2030. [13] Рис. 2.1. Механизм поглощения углекислого газ растениями 21 2.2 Современные технологии удаления оксида углерода (IV) из атмосферы Carbon Engineering Канадская компания Carbon Engineering разрабатывает технологию, которая позволит удалять углекислый газ прямо из воздуха и использовать его в различных промышленных приложениях, включая производство топлива с ультра-низким содержанием углерода. Данная технология включает в себя следующие два процесса (прил. А): • Углекислый газ улавливается с помощью созданного компанией устройства, названного воздушным контактором. Данный модуль содержит химический раствор, который абсорбирует молекулы СО2. • Раствор, содержащий углекислый газ проходит цикл регенерации, в результате которого выделяется чистый СО2 и исходный химический раствор, используемый в процессе улавливания. Для осуществления данного цикла используется природный газ, либо энергия возобновляемых источников. Извлеченный из атмосферы углекислый газ впоследствии смешивается с СО2, выделившимся при сгорании природного газа. Данная смесь очищается и передается для дальнейшего промышленного использования. На сегодняшний день существуют различные мнения о стоимости удаления углекислого газа в промышленном масштабе. При этом, оценки варьируются от $600 до $1000 за тонну удаленного СО2 [16]. Kilimanjaro Energy Другая американская компания Kilimanjaro Energy работает над созданием уникальной технологии удаления СО2 из атмосферы (прил. Б). Компания была основана Клаусом Лакнером – профессором Колумбийского университета и одним из пионеров в области прямого удаления углекислого газа из атмосферы. Профессор Лакнер разработал технологию "искусственного дерева", листья которого впитывают углекислый газ в тысячу раз эффективней, чем листья настоящих деревьев. "Искусственные листья" представляют собой полоски пластика, покрытые смолой, содержащей карбонат натрия, который абсорбирует 22 углекислый газ из воздуха и сохраняет его в виде пищевой соды на поверхности листа. Для того, чтобы удалить абсорбированный СО2, листья промываются водой в вакуумной камере. Выделенный СО2 компримируется и передается для промышленного использования. Профессор Лакнер считает, что десять миллионов "искусственных деревьев" смогут за год удалить около 3,6 млрд. тонн СО2, что будет соответствовать снижению концентрации углекислого газа в атмосфере на 0,5 ppm. По мнению Клауса Лакнера, основателя Kilimanjaro Energy, технология "искусственных деревьев" сможет удалять СО2 из воздуха за $200 [16]. 23 2.3 Современные технологии удаления метана из атмосферы Шахты являются источником мощных выбросов метана в атмосферу Земли. Объем метана, выделяющегося из одной шахты, в энергетическом эквиваленте равна не менее 30 МВт электроэнергии. Сегодня он выкачивается из шахт в атмосферу, поскольку ошибочно считалось, что ни одна технология не способна выделять метан при его концентрации в воздухе ниже 0,2 процента. Даже при средней концентрации в только 0,1% общий объем высвобождаемого метана оценивается, по меньшей мере, в три миллиона тонн в год. Если бы эти «отходы» были бы изъяты, они позволили бы генерировать электроэнергию. На сегодняшний день в мире существует ряд проектов, где шахтный метан используется для производства электричества. Наибольшим опытом ведения подобных проектов (свыше десяти лет) обладают Австралия, Германия, Япония, Великобритания и США. За последние два года утилизация шахтного газа стала все больше применяться на шахтах в развивающихся странах, таких как Китай, Польша, Россия и Украина. Согласно данным за 2005 г., в мире существует около пяти десятков электростанций, работающих на шахтном газе, суммарной мощностью свыше 300 МВт. Green Gas Компания Green Gas International вносит свой вклад в борьбу с изменением климата путем преобразования вредных выбросов метана в энергию. Проект Даттельн (Германия)(прил. В): Проект по преобразованию метана в электричество мощностью 2,7 МВт, где помимо производства электроэнергии работает модуль по извлечению тепла мощностью 2,2 МВт. Ценное тепло поступает в теплосеть и утилизируется крупнейшим поставщиком энергии. Установка была разработана и запущена в эксплуатацию компанией Green Gas Germany [17]. Некоторые характеристики проекта: • 2 x установки КТЭС по 1,4 МВт • Ежегодная выработка электричества: около 18 000 МВтч • Ежегодная выработка тепла: около 15 000 МВтч. 24 Проект Блюменталь (Германия) (прил. Г): КТЭС мощностью 4 МВт, установленная в городе Реклингхаузен, работает от закрытых шахт, поставляющих газ с концентрацией метана ниже 25%. Некоторые характеристики проекта: • 3 x установки КТЭС по 1,4 МВт • Ежегодная выработка электричества: около 25 000 МВтч Установлен комплект по работе с низкой концентрацией метана [17]. Проект Краснодонуголь (Украина) (прил. Д): Первый коммерчески успешный проект утилизации шахтного метана с целью производства электроэнергии в Украине. Проект по утилизации и факельному сжиганию шахтного метана на шахте "Суходольская-Восточная" ПАО «Краснодонуголь», Луганская область, Восточная Украина. Проект по факельному сжиганию газа был выполнен и запущен компанией Green Gas в 2010 году. В рамках программы было создано и продано 184 850 углеродных квот [17]. 25 2.4 Инновационная технология удаления оксида углерода (IV) из атмосферы. Этап 1. Горение магния в атмосфере углекислого газа, с образованием оксида магния (II) и углерода. Магний — химически активный металл. На воздухе окисляется с образованием на поверхности пленки оксида MgO, при температурах ниже 450 °С она обладает защитными свойствами. При более высоких температурах пленка становится неустойчивой и разрушается. Дальнейшее повышение температуры может привести к воспламенению магния. При нормальном давлении температура воспламенения магния равна 623 °С. 2Mg + CO2 → C +2MgO Условия реакции: Температура магния более 623 °С Рассчитаем требуемое количество вещества и массу магния: n(CO2) = кг = 22,7 кмоль кг кмоль n(Mg) = 2n(CO2) = 2 × 22,7 кмоль = 45,4 кмоль m(Mg) = 24 кг кмоль × 45,4 кмоль ≈1,1 т Этап 2. Восстановление магния из оксида магния (II) путем прокаливания оксида магния (II) c оксидом кальция (II) и кремнием. Данный этап основан на восстановительном свойстве кремния: 2MgO + CaO + Si → CaSiO3 + 2Mg Условия реакции: Сильный нагрев смеси Рассчитаем, нужную для второго этапа, массу реагентов: n(CaO) = n(Si) = n(C)=n(CaSiO3) = n (MgO) = n (Mg) = 22,7 кмоль m(CaO) = 56 m(Si) = 28 кг кмоль кг кмоль × 22,7 кмоль = 1,3 т × 22,7 кмоль = 0,64 т Узнаем массу полученных продуктов за оба этапа: m(CaSiO3) = 116 кг кмоль × 22,7 кмоль = 2,64 т 26 m(C) = 12 кг кмоль × 22,7 кмоль = 0,273 т m(Mg) = 45,4 кмоль × 24 кг кмоль ≈ 1,1 т Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Таблица 1.1 Первоначальные материальные затраты Реактивы Магний (Mg) Негашеная Цена Необходимое Стоимость (руб./тонна) количество (т.) (руб.)2 1025000 1,1 1127500 1,3 131300 0,64 99200 Всего: ≈1358000 известь 101000 (CaO) 155000 Кремний (Si) Таблица 1.2 Последующие материальные затраты Реактивы Негашеная Цена Необходимое Стоимость (руб./тонна) количество (т.) (руб.) 1,3 131300 0,64 99200 Всего: 230500 известь 101000 (CaO) Кремний (Si) 155000 Таблица 1.3 Рентабельность технологии 2 По данным сервиса http://www.vekton.ru 27 Продукты Силикат Цена Производимое Стоимость (руб./тонна) количество (т.) (руб.) кальция 240003 2,64 63360 углерод 25000 0,273 8295 Всего: 71655 (CaSiO3) Технический (С) 3 Средняя цена по данным сервиса http://goo.gl/GT8ISK - $322 28 2.5 Инновационная технология удаления метана из атмосферы. Этап 1. Окисление метана атмосферным кислородом с образованием формальдегида и воды 1 т. CH4 + O2 → HCOH + H2O Условия реакции: Температура: 450℃ Давление: 1-2 МПа Катализатор: фосфат алюминия (III) AlPO4 Рассчитаем количество вещества метана и метаналя: n(CH4) = кг кг кмоль = 62,5 кмоль n(HCOH) = n(CH4)= 62,5 кмоль Этап 2. Получение из гидроксида натрия и сульфата меди (II) гидроксида меди (II): 2NaOH + CuSO4 → Na2SO4 + Cu(OH)2↓ Рассчитаем необходимую массу гидроксида натрия и сульфата меди (II): т.к. n(Cu(OH)2)= 125 кмоль n(NaOH)=2n(Cu(OH)2) = 250 кмоль m(NaOH)=40 кг кмоль × 250 кмоль = 10 т. n(CuSO4)= n(Cu(OH)2) = 125 кмоль m(CuSO4)=160 кг кмоль × 125 кмоль = 20 т. Рассчитаем массу полученного сульфата натрия (I): n(Na2SO4) = n(CuSO4) = 125 кмоль m(Na2SO4)= 142 кг кмоль × 125 кмоль = 17,75 т. Этап 3. Получение метановой (муравьиной) кислоты путем окисления формальдегида свежеприготовленным гидроксидом меди (II): HCOH + 2Cu(OH)2 → HCOOH + Cu2O↓ + 2H2O Узнаем требуемое количество гидроксида меди (II): 29 n(Cu(OH)2) = 2n(HCOH) = 125 кмоль m(Cu(OH)2) = 125 кмоль × 98 кг кмоль = 12,25 т. Найдем количество вещества и массу оксида меди (I): n(Cu2O) = n(HCOH) = 62,5 кмоль m(Cu2O) = 143 кг кмоль × 62,5 кмоль = 8,9 т. Рассчитаем количество полученной муравьиной кислоты: m(HCOOH)=62,5 кмоль × 46 кг кмоль = 2,9 т. Таблица 2.1 Первоначальные и последующие материальные затраты Реактивы Цена Требуемое Стоимость (руб./тонна)4 количество (т.) (руб.) Сульфат меди (II) CuSO4 310000 20 6200000 Гидроксид натрия NaOH 120000 10 1200000 Итого: 7400000 Таблица 2.2 Окупаемость технологии Продукты Метановая Цена Производимое Стоимость (руб./тонна) количество (т.) (руб.) 2,9 290000 8,9 - 17,75 ≈1358000 Итого: ≈1648000 кислота 100000 HCOOH Оксид меди (I) Cu2O - Сульфат натрия (I) Na2SO4 76500 4 http://www.uahim.ru/shop/CID_89_ALL.html 30 Глава 3. Результаты исследований Результатом исследования явилось создание инновационной технологии удаления метана и углекислого газа из атмосферы, общим признаком которых является их практическая ценность. Положительные и отрицательные стороны, предложенных мною технологий, по сравнению с существующими технологиями, представлены в таблице 3 и 3.1. Таблица 3. Технологии удаления оксида углерода (IV) из Критерии атмосферы оценивания Инновационная Carbon Engineering Kilimanjaro Energy более $3000 от $600 до $1000 $200 Да Нет Нет Да Да Нет информации Да Частично Да Реализуемо Реализуемо Реализуемо технология Себестоимость 1 цикла Полный вывод газа из цикла Востребованность продуктов производства Экологическая чистота технологии Возможность реализации технологии 31 Таблица 3.1. Технологии удаления метана из атмосферы Критерии Green Gas Инновационная оценивания технология Даттельн Себестоимость 1 цикла Более Блюменталь Краснодонуголь Нет информации $100 000 Полный вывод газа из цикла Да Нет Востребованность продуктов производства Да Да Экологическая чистота технологии Возможность реализации технологии Да Частично Реализуемо Реализовано 32 Заключение В последнее время проблема парникового эффекта становится все более и более острой. Климатическая обстановка в мире требует принятия безотлагательных мер. Доказательством этому могут служить некоторые последствия парникового эффекта, проявляющиеся уже сегодня. Влажные районы становятся еще влажнее. Непрерывные дожди, которые вызывают резкое увеличение уровня рек и озер, случаются все чаще. Разливающиеся реки затапливают прибрежные поселения, вынуждая жителей покидать свои дома, спасая свои жизни. Интенсивные дожди прошли в марте 1997 года в США. Погибло много людей, ущерб оценивался в 400 миллионов долларов. Такие непрерывные осадки становятся более интенсивными и вызваны глобальным потеплением. Теплый воздух может содержать больше влаги, а в атмосфере Европы уже гораздо больше влаги, чем было 25 лет назад. Где выпадут новые дожди? Эксперты говорят, что местности, предрасположенные к затоплению должны готовится к новым катастрофам. В противоположность этому, сухие районы стали еще более засушливыми. В мире наблюдаются засухи столь интенсивные, какие не наблюдались уже в течение 69 лет. Засуха уничтожает кукурузные поля в Америке. В 1998 году кукуруза, которая обычно достигает двух метров и более, доросла только до талии человека. Однако, несмотря на эти природные предупреждения, человечество не принимает меры по снижению выбросов в атмосферу. Если человечество продолжит так безответственно вести себя по отношению к своей планете, то неизвестно какими еще бедствиями это обернется. В российском обществе принято считать, что раз Россия – холодная страна, то глобальное потепление принесет ей только пользу. Предполагаемые выгоды обычно ожидаются в сельском хозяйстве и в уменьшении расходов на отопление жилых и производственных строений в холодное время года. Действительно, по оценкам Росгидромета, которые приведены в «Стратегическом прогнозе изменений климата в Российской Федерации на период до 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России», к 2015 г. 33 продолжительность отопительного периода сократится в среднем по России на 3– 4 дня, что может дать ощутимую экономию топливно-энергетических ресурсов. Однако в том же Стратегическом прогнозе говорится о том, что в связи с ростом числа дней с высокими и критическими значениями температуры воздуха (так называемые «волны тепла») увеличатся затраты на кондиционирование зданий и промышленных предприятий. Увеличение продолжительности волн тепла также неблагоприятно отразится на самочувствии и здоровье населения, особенно в крупных городах. 34 Список источников 1. Парниковый эффект [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Парниковый_эффект, свободный. 2. Атмосфера Земли [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Атмосфера_Земли, свободный. 3. Joseph Fourier. Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires p.97-125 Mémoires de l’Académie royale des sciences de l’Institut de France, t. VII, p.570 à 604. Paris, Didot; 1827 // Gallica-Math: Œuvres complètes. 4. «On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground», Philosophical Magazine and Journal Science, Series 5, Volume 41, pages 237—276. 5. Загрязнение атмосферы Земли [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Загрязнение_атмосферы_Земли, свободный. 6. Диоксид углерода [Электронный ресурс] //Режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/Диоксид_углерода, свободный. 7. Углекислый газ в атмосфере Земли [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Углекислый_газ_в_атмосфере_Земли, свободный. 8. Геохимический цикл углерода [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Геохимический_цикл_углерода, свободный. 9. Проблема изменения климата на Земле [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://xreferat.com/112/1458-1-problema-izmeneniya-klimata-nazemle.html, свободный. 10.Парниковый эффект. Справка. [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://ria.ru/documents/20090922/186036199.html, свободный. 11.Экология и охрана природы: Парниковый эффект [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://www.eng.ru/ekologiya_i_oxrana_prirody/parnikovyj_effekt_6.html, свободный. 35 12.Причины и последствия изменения климата [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://fb.ru/article/189488/prichinyi-i-posledstviya-izmeneniya-klimata, свободный. 13.Возможные последствия [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://www.climatechange.ru/node/119, свободный. 14.Парниковый эффект. Чем грозит человечеству? Мнение специалистов [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://береги-жизнь.рф/16/3/2/, свободный. 15.Глобальное изменение климата в вопросах и ответах [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://www.wildfield.ru/caei/tetrad/02.htm, свободный 16.Making Technologies Work [Электронный ресурс] //Режим доступа: http://goo.gl/rjyp1E, свободный. 17.Green Gas International [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://greengas.net, свободный. 36 Приложение Приложение А Система Carbon Engineering для удаления углекислого газа из воздуха. 37 Приложение Б Kilimanjaro Energy "Искусственное дерево" 38 Приложение В Green Gas Проект Даттельн (Германия) 39 Приложение Г Green Gas Проект Блюменталь (Германия) 40 Приложение Д Green Gas Проект Краснодонуголь (Украина) 41
