Углекислота и ее применение: Физические свойства углекислоты

Физические свойства углекислоты

Углекислый газ: формула, плотность, свойства, применение. Баллон для углекислоты

Углекислый газ

бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н₂CO₃, придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см³ (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO₂.

Как получилось так, что у данного газа столько много терминов неизвестно, но в сварочном производстве, согласно ГОСТ 2601, используется термин «углекислый газ». В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота», а в ГОСТ 8050 — «двуокись углерода». Поэтому далее мы будем оперировать всеми этими понятиями.

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000°С.

Жидкая двуокись углерода

Жидкая двуокись углерода

бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см³ (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С — легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты.

При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Сухой лед

Твердая двуокись углерода (сухой лед)

по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое — 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода — поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

История открытия углекислого газа

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO₃) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO₃ + 2HCl = СО₂ + CaCl₂ + H₂O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO₂ через водный раствор извести Ca(OH)₂ на дно осаждается карбонат кальция CaCO₃.

Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Способы получения углекислого газа

В статье «Как получить углекислый газ» рассказано все в мельчайших подробностях, здесь лишь скажем, что основными способами получения являются:

• из известняка;
• из газов при брожении спирта;
• из газов котельных;
• из газов производств химической отрасли.

Применение углекислого газа

Двуокись углерода чаще всего применяют:

• для создания защитной среды при сварке полуавтоматом;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• очистка сухим льдом от загрязнений поверхности изделий.

Применение углекислоты для сварки

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является активным газом, т.е. в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.

В настоящее время ввиду большого разбрызгивания металла сварочной ванны при сварке в углекислоте все чаще применяют сварочные смеси с аргоном. Производители сварочного оборудования не остались в стороне от даной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания. Еще один путь решения данной проблемы – это применение специальных спреев или жидкостей, которые не позволяют прикипать брызгам к металлу свариваемой детали. В любом случае применение любого из данных методов с лихвой окупит затраты времени и расходных материалов на удаление брызг путем механической зачистки.

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование дефектов в швах в виде пор. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

СO₂=CO+O

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (полуавтоматическая сварка порошковой проволокой).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + О = МэО

где Мэ — металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное — кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом — только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Вредность и опасность углекислого газа

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м³) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как он тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м³ (0,5%).

Хранение и транспортировка углекислого газа

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы.

В стандартный баллон с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м³ углекислого газа.

В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10…15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги.

Баллон окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».

Характеристики углекислого газа

Характеристики углекислого газа представлены в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы CO₂ при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Коэффициенты перевода объема и массы CO₂ при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Углекислый газ в баллоне

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

• Сколько углекислоты в 40 л баллоне?
  Ответ: 12,5 м³ или 25,0 кг
• Сколько весит баллон углекислоты?
  Ответ:
  58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
  25,0 — кг масса углекислоты в баллоне;
  Итого: 58,5 + 25,0 = 83,5 кг вес баллона с углекислотой.

Способы получения и производства углекислого газа

Углекислый газ не является редким и получают его как побочный продукт, что положительно сказывается на его стоимости. Поэтому он является самым дешевым газом, применяемым для защиты, метала сварного шва в процессе сварки. Кратко о способах производства углекислоты говорилось в статье о свойствах углекислого газа и теперь настало время рассмотреть их более подробно.

В промышленном масштабе углекислый газ получают следующими способами:

1. из известняка, в котором содержится до 40% СО₂, кокса или антрацита до 18% CO₂ путем их обжига в специальных печах;
2. на установках, работающих по сернокислому методу за счет реакций взаимодействия серной кислоты с эмульсией мела;
3. из газов, образующихся при брожении спирта, пива, расщепления жиров;
4. из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо. Дымовой газ содержит 12-20% СО₂;
5. из отходящих газов химических производств, в первую очередь синтетического аммиака и метанола. Отходящие газы содержат примерно 90% СО₂.

На данный момент наиболее распространенным способом производства углекислоты является – получение из газов при брожении.

Получение углекислого газа из газов при брожении

Отходящий газ при брожении представляет собой почти чистый углекислый газ и является дешевым побочным продуктом производства.

На гидролизных заводах при брожении дрожжей с опилками выделяются газы, содержащие 99% CO₂.

1 — бродильный чан; 2 — газгольдер; 3 — промывочная башня; 4 — предварительный компрессор; 5 — трубчатый холодильник; 6 — маслоотделитель; 7 — башня; 8 — башня; 9 — двухступенчатый компрессор; 10 — холодильник; 11 — маслоотделитель; 12 — цистерна.

Схема получения углекислого газа на гидролизных заводах

Газ из бродильного чана 1 подается насосами, а при наличии достаточного давления поступает самостоятельно в газгольдер 2, где происходит отделение от него твердых частиц. Затем газ поступает в промывочную башню 3, заполненную коксом или керамическими кольцами, где он омывается встречным потоком воды и окончательно освобождается от твердых частиц и растворимых в воде примесей. После промывки газ поступает в предварительный компрессор 4, где он сжимается до давления 400-550 кПа.

Так как при сжатии температура углекислого газа повышается до 90-100°С, то после компрессора газ поступает в трубчатый холодильник 5, где охлаждается до 15°С. Затем углекислота направляется в маслоотделитель 6, где отделяется масло, попавшее в газ при сжатии. После этого углекислый газ подвергается очистке водными растворами окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂P₇, гипохромитом) в башне 7, а затем осушке активированным углем или силикагелем в башне 8.

После очистки и осушки углекислота поступает в двухступенчатый компрессор 9. На ступени I происходит сжатие его до 1-1,2 МПа. Затем углекислый газ поступает в холодильник 10, где охлаждается со 100 до 15°C, проходит маслоотделитель 11 и поступает на II ступень компрессора, где сжимается до 6-7 МПа, превращается в жидкую двуокись углерода и собирается в цистерну 12, из которой производится заправка стандартных баллонов или других емкостей (танков).

Принципиально процесс производства углекислого газа другими методами ничем не отличается от вышеуказанного: сначала газ очищается, потом производят осушку, а на последнем этапе охлаждение и сжатие для превращения в жидкость, поскольку в данном виде его удобно хранить и транспортировать.

Использование модели баланса масс для понимания диоксида углерода и его связи с глобальным потеплением

1. Это упражнение было выбрано для коллекции образцов обучения «На переднем крае»

   ресурсов в этой коллекции верхнего уровня a) должны иметь оценку «Образцовый» или «Очень хорошо» во всех пяти категориях обзора, а также должны иметь оценку «Образцовый» как минимум в трех из пяти категорий. В процесс рецензирования включены пять категорий:

   .

   • Научная точность
   • Согласование учебных целей, мероприятий и оценок
   • Педагогическая эффективность
   • Надежность (удобство использования и надежность всех компонентов)
   • Полнота веб-страницы ActivitySheet

   Дополнительные сведения о самом процессе экспертной оценки см. На https: // serc.carleton.edu/teachearth/activity_review.html.

2. Это действие было выбрано для включения в коллекцию CLEAN.

   Это мероприятие было тщательно проверено на предмет включения в коллекцию образовательных ресурсов Сети по климатической грамотности и энергетической осведомленности. Для получения информации о процессе и сборе см. Http://cleanet.org/clean/about/selected_by_CLEAN.

3. Это мероприятие было основано на материалах процесса обзора и предложений, которые были частью семинара по развитию деятельности.

   В этом упражнении участвовали преподаватели, не входящие в состав автора, путем рассмотрения и внесения предложений в рамках семинара по развитию деятельности. Участникам семинара было предложено просмотреть задания, представленные другими участниками их дисциплинарной группы до семинара. Затем группы собрались в начале семинара, чтобы обсудить материалы и внести предложения по улучшению. Чтобы узнать больше об этом процессе проверки, см. Http://serc.carleton.edu/quantskills/review_processes.html № 2004.

Эта страница впервые обнародована: 23 октября 2009 г.

Резюме

Студенты изучают увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере за последние 40 лет с помощью интерактивной онлайн-модели. Они используют модель и наблюдения для оценки текущих темпов выбросов и темпов роста выбросов. Затем модель используется для оценки будущих уровней диоксида углерода с использованием различных сценариев будущих выбросов. Затем студенты связывают эти различные сценарии с прогнозами климатической модели МГЭИК.Использовали это занятие? Поделитесь своим опытом и модификациями

Цели обучения

• Используйте модель для оценки будущих концентраций диоксида углерода при нескольких различных предполагаемых сценариях выбросов.
• Узнайте, как различные сценарии выбросов диоксида углерода влияют на наш лучший прогноз будущих глобальных температур.
• Узнайте, как модель баланса массы применима к глобальной атмосфере.
• Откалибруйте модель по последним наблюдениям.
• Синтез дает хорошо написанное резюме.
• Точно считывайте графическую информацию.
• Считывает и интерполирует данные из таблицы значений.

Контекст использования

Это задание полезно для любого курса с разделом о двуокиси углерода и глобальном потеплении. Он успешно использовался во вводном курсе по метеорологии, а также в старших курсах по климату Земли для неосновных.

Описание и учебные материалы

Действия и соответствующие ссылки доступны в Интернете по адресу http: // www.atmosedu.com/physlets/GlobalPollution/carbon_dioxideQS.htm (в архиве). Это действие лучше всего работает на ПК, но при правильной настройке также работает и в MAC OS X.

Лист вопросов к заданию (Microsoft Word 125 КБ 3 июня 11) для использования в онлайн-деятельности.

Лист вопросов для заданий (Acrobat (PDF) 95 КБ, 3 июня, 11) для использования при работе в Интернете.

Учебные заметки и советы

Вот несколько советов по эффективному использованию в классе и более подробная информация о математике, лежащей в основе модели.

Оценка

Ответы на вопросы (Acrobat (PDF) 386kB Jun3 11)

Последующие обсуждения в лекциях и экзаменационных вопросах также полезны для оценки понимания студентами.

Ссылки и ресурсы

Вводная глава: Обзор химии, использования и технологии двуокиси углерода

1. Введение

Двуокись углерода (CO ₂ ) — стабильная и относительно инертная трехатомная молекула, которая существует в виде газа при температуре и давлении окружающей среды.Молекула CO ₂ имеет линейную структуру, в которой углерод связан с каждым атомом кислорода через сигма-связь и пи-связь, образуя две связи C = O. Каждая связь C = O имеет длину 116,3 пм и 750 кДж.моль ^–1 энергии связи, что значительно выше, чем энергия связи связей C = C, C – O и C – H [1]. Углекислый газ образуется естественным образом из различных источников, таких как лесные пожары, извержения вулканов и дыхание живых организмов. Фотосинтез растений и других автотрофов играет незаменимую роль в балансировании углеродно-кислородного цикла и, следовательно, в поддержании земной жизни.До промышленной революции общая концентрация CO ₂ в атмосфере составляла приблизительно 270 частей на миллион по объему. В настоящее время уровень углекислого газа достиг 405 ppm, что примерно на 50% больше. Этот устойчивый рост выбросов CO ₂ связан с большим потреблением ископаемого топлива и антропогенной деятельностью (электростанции, нефтеперерабатывающие заводы, цементная, металлургическая и сталелитейная промышленность, очистка биогаза, химическая промышленность и переработка), а также широкомасштабное обезлесение. для землепользования [2].

Загрязнение считается проблемой нашей эпохи, поскольку доминирующие отрасли рассматривают свой контроль как расходы, которые превосходят области, которые приносят пользу достижениям науки. Поиск альтернатив незаменимым областям, таким как обеспечение энергией, пищей, лекарствами и красителями для медицинских зондов, среди прочего, кажется, противоречит прогрессу инноваций, о котором ежедневно сообщается в академических кругах и промышленности. Парниковый эффект — одна из самых актуальных проблем в этом отношении. Двуокись углерода в настоящее время является самым распространенным парниковым газом (ПГ).Парниковые газы, такие как озон, закись азота, метан, хлорфторуглероды (CFC) и CO ₂ , играют пагубную роль в предотвращении потерь тепла и защите жизни на Земле в ночное время. Однако считается, что повышенные концентрации парниковых газов, особенно CO ₂ , вызывают радикальные изменения, такие как глобальное потепление и закисление океана [3].

Глобальное потепление означает повышение средних глобальных температур, наиболее заметное при таянии ледяных шапок в полярных регионах и повышении уровня моря.В частности, парниковый эффект CO ₂ основан на его асимметричных колебательных модах растяжения и изгиба, которые позволяют этому газу поглощать и излучать инфракрасное излучение с длинами волн 4,26 и 14,99 мкм соответственно [1, 4]. С другой стороны, подкисление океана относится к продолжающемуся снижению pH воды в морях и океанах. Около 30-40% антропогенного CO ₂ растворяется в океанах и морях, образуя угольные кислоты для достижения химического равновесия. Следовательно, образующиеся ионы H ⁺ приводят к снижению pH земной воды от слегка щелочных до нейтральных или даже кислотных в долгосрочной перспективе, тем самым влияя на жизненные циклы морских организмов и последующие пищевые цепи [5].

Несколько международных конвенций и правительственных протоколов были сформулированы для сокращения выбросов CO ₂ , таких как Киотский протокол , Рамочная конвенция ООН об изменении климата и Межправительственная группа экспертов по изменению климата . На сегодняшний день не существует универсального согласия по этим законам, и многие страны и отрасли не соблюдают эти конвенции. Поэтому требуются немедленные действия и решения, чтобы избежать потенциального влияния еще высоких выбросов CO ₂ на климат.В общем, общий выброс CO ₂ можно контролировать путем снижения энергоемкости, ограничения углеродоемкости или улучшения связывания CO ₂ . В краткосрочной перспективе ископаемое топливо на основе углерода останется основным источником энергии. Таким образом, существует острая необходимость в разработке экономически целесообразных и эффективных процессов для улавливания, разделения, хранения, секвестрации и использования непрерывных выбросов CO ₂ . Однако будущие тенденции должны быть направлены на снижение потребления энергии и зависимости от ископаемого топлива, а также на разработку и использование возобновляемых и менее углеродоемких источников энергии в больших масштабах, таких как ядерная энергия (например,g., H ₂ ), биотопливо, геотермальная энергия и приливная энергия [4, 6, 7].

В этой вводной главе обсуждаются основные свойства и основные технологии диоксида углерода . На рисунке 1 показаны основные источники выбросов CO ₂ и различные методы, используемые или предполагаемые для улавливания, хранения, хранения ( CCS ) и использования ( CCU ) CO . Наиболее важные технологии будут представлены в следующих разделах этого предварительного просмотра и будут подробно описаны в отдельных главах проекта « Book ».”

Рисунок 1.

Основные источники выбросов CO2 и технологии, используемые в CCS и CCU.

2. Улавливание диоксида углерода

Технологии улавливания диоксида углерода включают процессы производства потока CO ₂ относительно высокой чистоты для транспортировки и хранения, поскольку большая часть выбросов CO ₂ от производства электроэнергии и промышленности выбрасывается в виде дымовых газов ( 4–14% по объему CO ₂ ). Хранение дымового газа возможно в принципе путем сжатия до давления, обычно выше 10 МПа, что требует огромного количества энергии помимо больших объемов, которые могут быстро заполнить резервуары для хранения.Таким образом, технологии улавливания и хранения углерода (CCS) представляют собой экономичное решение для хранения дымовых газов [4, 8].

Известны три метода улавливания CO ₂ в системах сжигания ископаемого топлива, а именно улавливание после преобразования , улавливание до преобразования и сжигание кислородного топлива (Рисунок 1).

2.1. Улавливание после конверсии

Отделение CO ₂ из потоков отходящего газа после конверсии (в основном сжигания) источника углерода известно как процесс постконверсии.Для этого процесса улавливания разработаны различные технологии, такие как адсорбция твердыми сорбентами, вакуумная адсорбция, абсорбция растворителями и криогенное разделение. Эти методы до сих пор считаются энергоемкими. В качестве примера улавливания здесь рассматривается абсорбция растворителем. В частности, физическая абсорбция CO ₂ зависит от его растворимости на основе закона Генри, не вызывая химической реакции. Таким образом, для этого применения необходимы низкие температуры и повышенное парциальное давление CO ₂ .Напротив, химическая абсорбция зависит от химической реакции между CO ₂ (при низком парциальном давлении) и используемым растворителем, образующим слабые связи. Последний в большей степени приспособлен для улавливания выбросов CO ₂ в промышленных процессах с учетом условий дымовых газов при атмосферном давлении и больших объемах с различными концентрациями CO ₂ , которые могут быть низкими в некоторых процессах.

2.2. Улавливание до конверсии

Он включает улавливание CO ₂ , полученного на промежуточной стадии некоторых конверсий, таких как синтез аммиака.Обычно это достигается за счет абсорбции растворителями или процессов адсорбции. Этот захват также страдает от высоких требований к энергии.

2.3. Улавливание кислородного сжигания

Эта технология используется только в конверсиях сжигания, при которых образуются дымовые газы с высоким содержанием CO ₂ , но не содержащие продуктов N ₂ и NO _x . Энергетические потребности в этом процессе улавливания ниже, но затраты в основном связаны с необходимостью использования чистого кислорода в процессе сгорания, чтобы избежать образования побочных продуктов и их последующего отделения.

3. Хранение углекислого газа

После улавливания CO ₂ может быть сжат и транспортирован отгрузкой или по трубопроводам к местам хранения в земле (геологическая секвестрация), в океанах (все еще на стадии испытания) или в виде минерала. карбонаты (рассматриваемые как процесс утилизации и хранения) [4] (Рисунок 1).

В геологическом хранилище , CO ₂ закачивается под высоким давлением в устойчивые породы, богатые порами, которые захватывают природные флюиды на глубине от 0 до 0.8 и 1 км. Могут использоваться различные механизмы улавливания, температуры и давления, позволяющие хранить CO ₂ в виде жидкости, сжатого газа или в его сверхкритическом состоянии, в зависимости от характеристик коллектора. Геологические образования включают в себя неразработанные угольные пласты, истощенные залежи нефти и газа.

Напротив, карбонизация минерала или образование карбоната металла включает прямую или косвенную реакцию между CO ₂ и оксидом металла, таким как Са и Mg, естественным образом встречающимся в виде силикатных минералов.Помимо доступности минералов, преимуществом этой технологии является получение стабильных карбонатов, которые подходят для длительного хранения, которое может длиться веками без утечки. Другим преимуществом является прямое использование CO ₂ из дымового газа без дорогостоящей необходимости создания чистого потока, поскольку другие газовые примеси, такие как NO _x , не влияют на реакцию карбонизации. Широкомасштабные приложения этого метода еще не полностью разработаны и все еще связаны с высокой общей стоимостью [4, 9].

4. Улавливание и использование углерода

Технологии улавливания и хранения углерода (CCS) до сих пор страдают от экономических и технических ограничений для крупномасштабного использования, таких как огромные капитальные вложения, нехватка мест геологического хранения и высокая скорость утечки CO ₂ . Однако стратегия улавливания и утилизации углерода (CCU) стала перспективной альтернативой CCS, направленной на превращение выбросов CO ₂ в соответствующие продукты, такие как топливо и химические вещества.Обе технологии нацелены на улавливание антропогенных выбросов CO ₂ до их выброса в окружающую среду, но они различаются конечным пунктом назначения, в котором CCS нацелено на долгосрочное хранение, а CCU — на преобразование в полезные продукты. CCU имеет ряд преимуществ перед CCS, а именно снижение затрат за счет синтеза ценных продуктов и инвестирование CO ₂ как доступного, нетоксичного и «возобновляемого» ресурса, который постоянно выбрасывается. Тем не менее, CCU может быть только краткосрочным решением, которое задерживает выброс CO ₂ на более поздние стадии.Другой важный аспект, который вызывает серьезные опасения при широкомасштабном применении как CCU, так и CCS, — это обеспечение того, чтобы смягчение последствий изменения климата не достигалось за счет других экологических проблем [10, 11].

Двуокись углерода действительно представляет собой чрезвычайно ценную молекулу, которую можно использовать различными полезными способами, как показано на Рисунке 1 и подробно описано здесь.

4.1. Прямое использование CO ₂

Двуокись углерода обычно используется в огнетушителях и фотосинтезе, а также в качестве газирующего агента и консерванта в пищевой промышленности и производстве напитков.

Кроме того, сверхкритический диоксид углерода (scCO ₂ ) нашел незаменимое применение в технологии сверхкритических жидкостей. scCO ₂ представляет собой жидкое состояние CO ₂ , в котором он поддерживается на уровне критической температуры (304,25 К) и давления (7,39 МПа) или выше. В процессах при высоком давлении (при критических параметрах или выше) плотность резко увеличивается, поэтому scCO ₂ может заполнять объем как газ, но с плотностью как жидкость.scCO ₂ используется для устойчивой экстракции биоактивных соединений и в качестве более экологичной альтернативы для многофазных каталитических реакций, где он используется в качестве промотора или модификатора жидкофазных органических реакций, но не в качестве реактора. Растворенный CO ₂ в органической фазе действует как «промотор», изменяя физические свойства растворителя из чистой органической фазы в состояние с высокой плотностью CO ₂ , которое может растворять газообразные реагенты, такие как O ₂ , CO , H ₂ , тем самым ускоряя вовлеченные реакции, такие как окисление, гидроформилирование и гидрирование соответственно.Напротив, влияние scCO ₂ на химические свойства модулируется его взаимодействием с функциональными группами субстратов и / или промежуточных продуктов (газами или нет), что подтверждается инфракрасным преобразователем Фурье in situ высокого давления спектроскопия. Следовательно, здесь он действует как «модификатор» реакционной способности этих групп и, тем самым, селективности реакции (например, реакции Хека). Стоит отметить, что большинство вышеупомянутых применений ограничено выбросами CO ₂ с высокой чистотой (например, при производстве аммиака) [10, 12].

4.2. Повышенная нефтеотдача (EOR) и добыча метана из угольных пластов (ECBM)

Закачка CO ₂ в процессы добычи сырой нефти (EOR или третичная добыча) и природного газа (ECBM), соответственно, с нефтяных месторождений и угля залежи представляют собой привлекательный вариант для получения ископаемого топлива, которое в противном случае невозможно извлечь. Эти методы были успешно протестированы и активно исследуются для снижения затрат, оптимизации условий CCS и CCU и, таким образом, предотвращения повторного выброса CO ₂ в окружающую среду.При увеличении нефтеотдачи закачка CO ₂ в сверхкритических условиях позволяет эффективно смешивать с нефтью, уменьшая вязкость и, следовательно, увеличивая выход экстракции на 5–15%. В ECBM используется аналогичная технология, в которой закачанный CO ₂ занимает пористые пространства угольного пласта и адсорбируется на угле с удвоенной скоростью метана, что приводит к его более быстрому вытеснению и увеличению извлечения. Стоит отметить, что поверхностно-активные вещества и другие газы, а также различные методы, такие как процессы тепловой энергии, также применяются в процессах EOR и ECBM.

4.3. Преобразование CO ₂ в химические вещества и топливо

CO ₂ представляет собой богатый и безопасный источник углерода и кислорода, который может быть использован в синтезе различных полезных продуктов, соответствующих принципам зеленой химии. Например, использование CO ₂ в качестве альтернативы токсичным реагентам, таким как фосген и CO, привлекает огромное внимание. Типы превращений диоксидов углерода вместе с примерами основных продуктов показаны в таблице 1.Они будут дополнительно обсуждаться в этом разделе, за исключением биологического процесса, который будет описан в разделе о биотопливе и образовании неорганического карбоната, который уже обсуждался в качестве варианта хранения [13].

Таблица 1.

Типы химических превращений диоксида углерода.

Химический состав CO ₂ можно разделить на две основные категории (Схема 1):

1. «Основные превращения CO ₂ » зависят от поляризации связей C = O, где более высокие электроотрицательные атомы кислорода несут частичный отрицательный заряд -0,296, а углеродный центр имеет частичный положительный заряд +0,592. Эта поляризация обеспечивает реакцию нуклеофилов (амины, реактивы Гриньяра, феноляты и др.)) в углеродном центре.

2. «Более продвинутые химические взаимодействия CO ₂ » основаны на координации трехатомных молекул с металлами, вызывая серьезные изменения в его химической реакционной способности за счет изменения как его молекулярной геометрии (например, от линейной до более активной изгиба), так и его электронное распределение (например, менее электронодефицитный углерод при координации). К настоящему времени были исследованы различные катализаторы для достижения этой цели и активации стабильного и относительно инертного CO ₂ .Эта область до сих пор считается горячей темой в металлоорганических и теоретических исследованиях из-за различных способов координации между CO ₂ и различными металлами [1].

Схема 1.

Общие закономерности химических превращений СО2.

На основании этих двух режимов химии сообщалось о многочисленных превращениях CO ₂ с получением ряда полезных химических продуктов. Большинство этих трансформаций суммированы в схеме, показанной на схеме 2, и были рассмотрены Сакакурой и др.Преобразования включают либо (i) использование молекулы CO ₂ в качестве предшественника органических соединений, таких как карбонаты, карбаматы, полимеры и акрилаты , посредством реакций карбоксилирования , либо (ii) восстановление связей C = O, приводящее к химическим веществам, таким как метанол, диметиловый эфир, метан, мочевина (важное удобрение), синтез-газ и даже муравьиная кислота и CO. Муравьиная кислота является безопасным материалом для хранения H ₂ , а CO может быть преобразован в жидкие углеводороды с помощью процесса Фишера-Тропша.Некоторые конверсии CO ₂ были индустриализированы (Схема 2) и в настоящее время играют важную роль в восстановлении антропогенных выбросов CO ₂ . Основными недостатками этих технологий являются короткий срок хранения, интенсивная потребность в энергии и необходимость высокоселективных процессов катализа из-за низкой химической активности и высокой термодинамической стабильности CO ₂ в дополнение к короткому сроку хранения [13 ].

Схема 2.

Основные химические превращения СО2.

Последние достижения во всех областях катализа (органокатализ, фотокатализ, палладиевый катализ и т. Д.) [14, 15, 16, 17, 18] сопровождались значительным прогрессом в превращениях CO ₂ , особенно в электрохимическом процессе . и фотохимическое восстановление и реформинг как в каталитических, так и в нетепловых плазменных технологиях. Следовательно, разработка новых эффективных электро- и фотокатализаторов направлена ​​на улучшение селективности и снижение внутренней потребности в энергии за счет использования возобновляемых источников, таких как солнечная энергия.

Электрохимическое и фотохимическое восстановление CO ₂ включает различные экспериментальные подходы, но по сути они имеют схожую природу. Оба они полагаются на внешний энергетический стимул, чтобы активировать химически инертный CO ₂ и вызвать термодинамически тяжелую реакцию. Кроме того, стадия переноса поверхностного заряда при фотокаталитическом восстановлении CO ₂ действительно является электрохимическим процессом, которому обычно способствует добавление сокатализатора (электрокатализатора).Оба процесса могут протекать через перенос 2, 4, 6, 8, 12 или более электронов в зависимости от природы используемого катализатора и условий эксперимента, и, следовательно, они дают различные продукты, как упоминалось ранее.

4.3.1. Электрохимическое восстановление CO ₂

Кинетика электрохимического восстановления является вялой из-за реорганизации линейной молекулы CO ₂ в более активную изогнутую форму, которая создает перенапряжение к первому переносу электрона после адсорбции молекулы на рабочий электрод.Этот этап в основном определяется как этап, определяющий скорость, начинающийся при -1,9 В, и он формирует анион-радикал CO ₂ ^{• —} , который далее протонируется в HCOO ^• или HOOC ^• и восстанавливается до HCOO ^— (формиат) или CO соответственно. Большинство электрохимических восстановлений CO ₂ производят HCOOH или CO в качестве первичных продуктов. Очень немногие электрокатализаторы (например, Cu) обеспечивают дальнейшее восстановление CO до углеводородов, но до сих пор не выяснен механизм.В процессах восстановления CO ₂ были исследованы различные электролитические материалы, включая металлы (Sn, Pd, Cu, Pt и т. Д.), Слоистые дихалькогениды переходных металлов (например, WS ₂ , MoSe ₂ и MoS _2). ), а также углеродсодержащих катализаторов с гетероатомами, таких как углеродные нановолокна, легированные азотом, и графеновые квантовые точки [19].

4.3.2. Фотохимическое восстановление CO ₂

Фотокаталитическое восстановление CO ₂ широко изучалось с использованием различных полупроводников следующих типов: оксиды, сульфиды или нитриды металлов, слоистые металлические материалы, такие как слоистый двойной гидроксид, металлоорганические каркасы, и углеродистые материалы, не содержащие металлов, такие как графитовый нитрид углерода.Фотокаталитическое восстановление можно разделить на пять этапов:

• Поглощение фотонов полупроводниковым фотокатализатором, генерирующим дырочные и электронные пары.

• Зарядовое разделение генерируемых электронов и дырок.

• CO ₂ Адсорбция и перенос электронов на молекулы CO ₂ .

• Поверхностная окислительно-восстановительная реакция, включающая восстановление CO ₂ и окисление обычных восстановителей, таких как H ₂ O и H ₂ .

• Десорбция продуктов [19, 20].

4.3.3. CO ₂ риформинг с метаном

Наконец, риформинг CO ₂ и CH ₄ в синтез-газ (смесь H ₂ / CO) может быть проведен каталитическими и нетепловыми плазменными методами или новым гибридным методом, сочетающим и то и другое. Каталитические методы по-прежнему страдают от высокого потребления тепловой энергии, дезактивации катализатора из-за отложения кокса и высокой стоимости. Избранными примерами катализаторов процесса риформинга являются Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Co и Ni.Общий механизм сухого риформинга метана (DRM) включает адсорбцию CO ₂ и CH ₄ на катализаторе с последующей диссоциацией молекул на атомы CO и O, C и H. Атомы рекомбинируют, образуя дополнительную молекулу CO и газ H ₂ , с последующей десорбцией газов, при этом десорбция CO представляет собой этап, определяющий скорость процесса.

Нетепловая плазма основана на электронной энергии. Электроны ускоряются внешним электрическим полем и сталкиваются с CO ₂ и CH ₄ , передавая свою энергию, чтобы вызвать диссоциацию молекул, когда энергия превышает 4.5 и 8,8 эВ соответственно. При диссоциации образуются радикалы и более активные частицы, которые реформируют продукты CO и H ₂ . Основной характеристикой этого метода является низкая селективность, поскольку радикалы могут превращаться в побочные продукты, такие как углеводороды [4].

4.4. Биотопливо из микроводорослей

Фотосинтезирующие микроорганизмы (например, микроводоросли) представляют собой будущие источники энергии, альтернативные ископаемому топливу, и могут служить для фиксации CO ₂ непосредственно из потоков отходов, снижая существующие высокие уровни.Микроводоросли могут преобразовывать солнечную энергию в химические формы посредством фотосинтеза и обладают более высокой скоростью роста, чем растения. Их можно выращивать в различных средах, таких как открытые или закрытые водоемы и фотобиореакторы с минимальными требованиями к питательным веществам. После выращивания биомассу собирают, сушат и превращают в топливо с помощью термохимических (например, пиролиз) или биохимических (например, ферментация) процессов. Ограниченные посевные площади и затраты на этапе сбора урожая все еще обременяют крупномасштабные маршруты предполагаемого использования CO ₂ [21].

5. Зрелость технологий двуокиси углерода

Технологии двуокиси углерода, которые были описаны в этой перспективе, можно резюмировать на основе их зрелости для промышленного использования следующим образом.

• «Зрелый рынок», , например, сепарация и транспортировка газа, повышение нефтеотдачи и промышленные преобразования в химические вещества, такие как мочевина.

• « Экономически целесообразно», , например, захват до и после преобразования.

• «Демонстрационная фаза» , например, кислородно-топливное сгорание и ECBM.

• «Фаза исследования» , например карбонизация минералов и хранение в океане.

6. Заключение

В этой главе представлены основные свойства диоксида углерода, которые используются для разработки технологий его использования или хранения, чтобы помочь в смягчении его последствий глобального потепления. Были выделены основные источники выбросов CO ₂ и обсуждены технологии хранения и утилизации углерода (CCS и CCU).Особое внимание уделялось химическим превращениям CO ₂ как инструментам для снижения высоких уровней CO ₂ и понимания химии CO ₂ . В рамках этого аспекта были особенно описаны электрохимическое и фотохимическое восстановление и риформинг CO ₂ с метаном. Глава завершалась классификацией технологий хранения и использования в соответствии с их рыночной зрелостью.

Система может преобразовывать CO2 в CO для использования в промышленности

Шаровидная модель двуокиси углерода.Кредит: Википедия.

Каждый день более 2 миллионов фунтов углекислого газа выбрасываются в атмосферу заводами, выбросами легковых и грузовых автомобилей, а также сжиганием угля и природного газа для выработки электроэнергии.

Для многих это повод для беспокойства об окружающей среде, но для Хаотянь Ванга это идеальное сырье.

Сотрудник Института Роуленда в Гарварде Ван и его исследовательская группа разработали систему, которая использует возобновляемую электроэнергию для электрохимического преобразования двуокиси углерода в окись углерода — ключевой продукт, используемый в любом количестве промышленных процессов.Эффективность преобразования энергии солнечного света в CO может достигать 12,7%, что более чем на порядок выше, чем при естественном фотосинтезе. Устройство описано в недавней статье, опубликованной в Chem .

«По сути, это форма искусственного фотосинтеза», — сказал Ван. «В растении солнечный свет, CO2 и вода превращаются в сахар и кислород. В нашу систему поступают солнечный свет, CO2 и вода, а мы производим CO и кислород».

Эта реакция происходит в скромном на вид устройстве размером с смартфон, которое включает в себя две заполненные электролитом камеры, разделенные ионообменной мембраной.

На одном участке электрод, работающий от возобновляемых источников энергии, окисляет молекулы воды до газообразного кислорода и освобождает протоны. Эти протоны перемещаются в другую камеру, где — с помощью тщательно разработанного металлического одноатомного катализатора — они связываются с молекулами углекислого газа, образуя воду и окись углерода.

«Проблема в том, что большинство известных катализаторов имеют тенденцию производить газообразный водород», — сказал Ван. «Таким образом, при разделении воды трудно предотвратить соединение этих протонов с образованием газообразного водорода.Нам нужен был катализатор, который мог бы предотвратить выделение водорода и вместо этого мог бы эффективно вводить эти протоны в СО2, тем самым достигая высокой селективности по снижению СО2 ».

К сожалению, двумя наиболее известными такими катализаторами являются золото и серебро — драгоценные металлы, которые очень дороги, чтобы сделать реакцию рентабельной в больших масштабах.

«Итак, мы начали с изучения недорогих материалов, таких как никель, железо и кобальт, которых много на Земле», — сказал Кун Цзян, научный сотрудник группы Ван и первый автор этой работы.«Но проблема в том, что все они являются очень хорошими водородными катализаторами, поэтому они хотят производить газообразный водород.

Кроме того, все они очень легко могут быть отравлены угарным газом, — добавил он. — Даже если вам удастся использовать их для уменьшения содержания CO2, образующийся CO будет очень прочно связываться с поверхностью, предотвращая любые дальнейшие реакции ».

Чтобы решить эти проблемы, Ван и его сотрудники из Стэнфорда, профессор Йи Цуй и профессор Йенс Нёрсков, приступили к работе по «настройке» электронных свойств металлов.Доктор Самира Сиахростами, штатный научный сотрудник группы профессора Нёрскова, рационализировала природу активных центров с помощью моделирования в атомном масштабе и обнаружила, что диспергирование металлов никеля на изолированные одиночные атомы, захваченные в вакансиях графена, дает материал, который стремится реагировать с углекислый газ и готов высвободить образовавшийся окись углерода.

Этот окись углерода, сказал Ван, может быть использован во множестве промышленных процессов.

«Окись углерода — очень важный промышленный продукт», — сказал Ван.«Его можно использовать в производстве пластмасс, для производства углеводородных продуктов или сжигать как топливо. Он широко используется в промышленности».

В конечном итоге, однако, есть надежда, что однажды система сможет быть расширена настолько, чтобы очищать атмосферу от углекислого газа в целях борьбы с глобальным изменением климата.

«Основная идея заключалась в том, что если мы сможем улавливать существующий CO2 и использовать возобновляемую электроэнергию из солнечной или ветровой энергии, чтобы преобразовать его в полезные химические вещества, — сказал Ван, — тогда мы, возможно, сможем сформировать углеродную петлю.»

Превращение выбросов в топливо — метод превращения диоксида углерода в полезные соединения

Информация журнала:
Chem

Предоставлено
Гарвардский университет

Ссылка :
Катализирование диоксида углерода: система может преобразовывать CO2 в CO для использования в промышленности (2017, 5 декабря)
получено 28 ноября 2020
с https: // физ.