Об извлечении диоксида углерода из отходящих газов

Общепринято, что наблюдаемые сегодня заметные изменения климата во многом определяются антропогенной эмиссией парниковых газов, включая диоксид углерода, метан, оксиды азота и некоторые другие. Еще в 1827 г. французский ученый Жан Батист Жозеф Фурье дал теоретическое обоснование парникового эффекта: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает собственную длинноволновую радиацию Земли. В 1896 году шведский физико - химик Сванте Аррениус пришел к выводу, что из-за сжигания угля изменяется концентрация диоксида углерода в атмосфере, и это приводит к потеплению климата.

Исследования последних лет свидетельствуют о неуклонном возрастании выбросов парниковых газов в атмосферу. Согласно оценкам, приведенным в докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата, современная антропогенная эмиссия парниковых газов является самой высокой в истории наблюдений, причем наибольший вклад в общий объём выбросов вносит диоксид углерода [7].

На территории Российской Федерации постоянный мониторинг содержания и изменчивости наиболее распространенных парниковых газов – метана и диоксида углерода – проводится Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в северных широтах и в центральном районе Европейской части.

Результаты измерений, выполненных в 2017 году на трех арктических станциях, показали, что уровень концентрации диоксида углерода в приземном слое атмосферы достиг здесь очередного максимума и составил более 408 млн-1 (в 2016 г. – 405 млн-1) [3]. Аналогичная тенденция обнаруживается и в центральном районе Европейской части Российской Федерации. Например, исследования, выполненные на станции Обнинск, свидетельствуют о том, что за период 1998–2017 гг. скорость роста концентрации диоксида углерода составляла 2,08 млн-1 в год [3].

Понимание международным сообществом необходимости сдерживания климатических изменений привело к разработке и принятию в ходе Конференции по климату в Париже в декабре 2015 г. соглашения, регулирующего меры по снижению содержания диоксида углерода в атмосфере. Оно пришло на смену действовавшего до того момента Киотскому протоколу от 1997 года [8]. Ключевыми положениями нового соглашения стали следующие позиции [6]:

• 1.    Не позволять средней температуре на планете расти выше 2˚С по отношению к показателям доиндустриальной эпохи, а по возможности снизить ее до 1,5˚С.

• 2.    Начать в период с 2050 - 2100 г.г. ограничивать выброс парниковых газов, получаемых в результате промышленной деятельности человека, до уровня, который деревья, почва и Мировой океан могут переработать естественным образом.

• 3.    Пересматривать в сторону увеличения каждые пять лет вклад каждой отдельной страны по снижению вредных выбросов в атмосферу.

• 4.    Развитые страны должны выделять средства в специальный климатический фонд для помощи более бедным государствами на борьбу с последствиями климатических изменений (например, стихийные бедствия или подъем уровня океана) и переход на использование возобновляемых источников энергии.

Сегодня улавливание диоксида углерода из отходящих газов промышленности и энергетики с последующим его использованием в качестве ценного ресурса рассматривается как одно из основных направлений достижения глобальных индикаторов, определенных Парижскими соглашениями [4, 5, 7,

• 11]. Подобный подход не только позволяет решать проблемы изменения климата, но и в определенной степени снимает своего рода негативный контроль над использованием углеродсодержащего топлива и развитием топливной энергетики.

Такое решение нашло также свое отражение и в комплексном плане реализации Климатической доктрины Российской Федерации на период до 2020 года. Одним из мероприятий этого плана является разработка и реализация пилотных проектов по сооружению и опытно-промышленной эксплуатации объектов в области энергетики для улавливания и захоронения диоксида углерода. В настоящее время в Российской Федерации такие технологии пока не нашли применения. Другое мероприятие предусматривает разработку и реализацию мер по модернизации технологий и оборудования (установок) для производства основных химических веществ (аммиака и нефтепродуктов). Одним из основных результатов проведенной модернизации стало, в частности, увеличение производства аммиака в 2012–2018 гг. на 5,7% при росте выброса парниковых газов только на 1,2% [2].

Следует отметить, что основным фактором, сдерживающим реализацию технологий улавливания диоксида углерода из отходящих газов в настоящее время, является их высокая стоимость. По оценкам, приведенным в [4], она составляет 75% от общих затрат на улавливание, транспорт и утилизацию диоксида углерода.

Выполненный в рамках настоящих исследований аналитический обзор позволил определить основные методы извлечения диоксид углерода из отходящих газов промышленных и энергетических установок, к числу которых следует отнести абсорбцию и адсорбцию.

Обычно используемая хемосорбция с применением водных растворов аминов отличается высокой скоростью реакции и большой поглощающей ёмкостью. Однако метод не свободен от ряда существенных недостатков, а именно: высокая энергоемкость процесса, коррозионная активность применяемых растворов [9]. Повышение эффективности абсорбционного процесса связывают, в частности, с применением в качестве сорбентов смесей аминов и ионных жидкостей [10,11].

Существенное снижение расходов на улавливание диоксида углерода примерно на 20-30% возможно при использовании адсорбционных технологий [4]. Применение этого метода приводит к заметному снижению энергоёмкости процесса, кроме того, твердые сорбенты характеризуются значительно меньшей коррозионной активностью и устойчивостью по отношению к различным примесям, содержащимися в исходном газе [1].

Извлечение диоксида углерода из отходящих газов представляется основой для решения актуальной проблемы изменения климата, а также задачи превращения этого вещества в ценный сырьевой ресурс, с использованием которого возможно получение широкого круга различных химических продуктов [7].