Выделение углекислого газа из воздуха

Статья ставит перед собой цель довести до сведения людей информацию о газе, который необходим человеку для жизнедеятельности и поддержания важных процессов в природе на земле. Но его воздействие, при увеличении, дестабилизирует окружающую среду и может привести к глобальным и необратимым процессам разрушения для планеты. В настоящее время мы уже можем наблюдать изменение климатических условий на разных континентах, связанные с одним из значимых газов на земле – диоксидом углерода.

Углекислый газ выполняет важную функцию в атмосфере Земли. Он вовлечен в процессы появления и разложения всех живых организмов и образования органических соединений из неорганических.
В биосфере СО2 поддерживает процесс фотосинтеза, который образовывает растительный мир суши и поверхности океана.
Совместно с молекулами воды, метана и озона он формирует «парниковый эффект».

Диоксид углерода — это парниковый газ, который в воздухе воздействует на теплообмен земли и является ключевым элементом в формировании земного климата.
На сегодняшний день прослеживается повышение концентрации двуокиси углерода в атмосфере из-за появления новых искусственных и естественных его источников. Это значит, что климат планеты будет меняться.

• Источники углекислоты
• Поглотители двуокиси углерода
• Взаимодействие с океаном
• Взаимодействие с землей
• Заключение

Учёные разработали новый способ поглощения углекислого газа (CO2) из воздуха и его последующего хранения в морской воде, сообщает BBC.

Во время испытаний новый гибридный поглощающий материал смог впитать в три раза больше CO2, чем те, которые используются сейчас. По мнению учёных, новый метод позволит ускорить внедрение технологии по снижению содержания углекислого газа в воздухе. Это должно упростить борьбу с глобальным потеплением.

“Новый подход с использованием легкодоступных смол и других химических веществ обещает быть гораздо более эффективным при более низкой себестоимости”, – отметили авторы исследования.

Группа учёных позаимствовала уже существующий метод, используемый для очистки воды. Используемый для этого материал приспособили к поглощению углекислого газа из воздуха. Хранение собранного газа под землёй или в море в бывших нефтяных скважинах уже широко применяется. Однако новый метод предполагает, что благодаря добавлению некоторых химических веществ поглощённый CO2 можно будет преобразовать в бикарбонат натрия (то есть обычную соду) и безопасно хранить в морской воде.

Впрочем, некоторые специалисты не хотят слишком сильно полагаться на новые технологии по поглощению углекислого газа. Они считают, что это может побудить правительства и частные компании прилагать меньше усилий по сокращению выбросов. Но поскольку температурные пороги, предусмотренные Парижским климатическим соглашением, уже под угрозой превышения из-за роста выбросов, многие другие учёные выступают за скорейшее внедрение технологий по очистке воздуха. Они указывают, что только новые научные методы в сочетании с массовым сокращением выбросов позволят избежать опасного изменения климата.

Специалисты канадской компании Carbon Engineering разработали метод, позволяющий добывать углекислый газ напрямую из атмосферы с помощью цикла химических реакций. По словам создателей технологии, ее отличительная черта — невысокие расходы по сравнению с другими методами. Описание процесса опубликовано в журнале Joule.

Углекислый газ, полученный с помощью новой технологии, сможет стать основой топлива. Сегодня существуют несколько методов получения топлива из CO2: для этого используют особые мембраны, позволяющие разделить кислород и угарный газ, а также специально разработанные катализаторы.

Метод, предложенный канадскими инженерами — не первый в этой области, есть немало способов получения CO2 из атмосферы. Однако большинство этих технологий обходятся дорого: по разным оценкам, стоимость получения тонны газа может составлять от 600 долларов до тысячи. Представители Carbon Engineering говорят, что газ, полученный по их технологии, будет стоить от 94 до 232 долларов за тонну.

Авторы нового метода предлагают собирать воздух, насыщенный углекислым газом, с помощью особых конструкций, напоминающих современные градирни (охладительные башни). Воздух закачивается внутрь с помощью вентиляторов и взаимодействует с щелочным раствором. Полученную жидкость замораживают, а затем постепенно нагревают, доводя до консистенции густой суспензии. Вещество проходит цикл химических реакций, взаимодействуя с гашеной известью, затем выделяется углекислый газ. Его можно использовать в производстве бензина и дизельного топлива.

По словам инженеров, с учетом всех издержек такое топливо будет дороже привычного бензина. При этом его производители все равно смогут конкурировать с предприятиями, получающими топливо стандартными методами: в цену «обычного» бензина заложены высокие экологические налоги, и их объем постоянно растет. Carbon Engineering уже испытала технологию на небольшом предприятии в Британской Колумбии. Если компании удастся найти спонсоров, инженеры планируют построить крупный завод для получения CO2 по новой технологии не позднее 2021 года.

Лучшие посты за сегодня

Как сделать углекислый газ

Вопрос не совсем корректный, правильней будет: “Как получить углекислый газ”.
Основным и самым простым методом получения углекислого газа пользуются любители аквариумных рыбок. Смешиваем уксусную кислоту с пищевой содой и получаем диоксид углерода в виде газов.

Как распознать углекислый газ

Визуально распознать диоксид углерода не возможно. При больших концентрациях возникает кисловатый запах в носу и кисловатый привкус в ротовой полости. В атмосфере углекислого газа горит только магний. Остальные вещества, которые горят на воздухе, в углекислоте гореть не будут. Одним из самых простых способов распознавания концентрации углекислого газа в любом месте, это приобретение портативных газоанализаторов по CO2

Что тяжелее, кислород или углекислый газ

Кислород состоит из двух атомов кислорода, молярная масса его равна 32 г/моль. Углекислый газ кроме 2 атомов кислорода имеет еще 1 атом углерода. Соответственно, диоксид углерода тяжелее кислорода и масса его равна 44 г/моль.

Как добывают углекислый газ

Углекислый газ можно добывать напрямую из воздуха с помощью химических реакций. Наибольшую распространенность в европейских странах получили установки для добычи диоксида углерода непосредственно из уходящих газов электростанций. Более подробно о добыче углекислого газа можно почитать здесь.

Как углекислый газ воздействует на дыхательный центр

В дыхательном центре имеются хеморецепторы – чувствительные нервные окончания, воспринимающие химические раздражения. Когда в крови уровень углекислого газа становится выше, происходит снижение щелочной реакции в крови и хеморецепторы дают команду в дыхательный центр об усилении дыхательных процессов. При нехватке диоксида углерода дыхание становится поверхностным и замедляется до тех пор, пока баланс CO2 в крови не будет восстановлен.

Как заморозить углекислый газ

Заморозить углекислый газ в домашних условиях можно только при наличии баллона с жидкой углекислотой или углекислотного огнетушителя. Возьмите неплотный брезентовый или тряпичный мешок. Наденьте его на штуцер баллона с газом и откройте вентиль на баллоне, создав большое давление на выходе. При резком снижении давления в мешке часть диоксида углерода испаряется, часть преобразуется в сухой лед, который оседает в мешке. Температура сухого льда -78,5 градусов, поэтому голыми руками его трогать не желательно.

Углекислый газ горит или нет

Сам по себе углекислый газ является окончательным продуктом горения. Поэтому процесс сгорания различных веществ он не поддерживает. Благодаря этим свойствам его используют для зарядки огнетушителей. Однако, при создании определенных условий, CO2 поддерживает горение некоторых веществ. Ярким представителем является нагретый магний.

Углекислый газ взрывоопасен или нет

Сам по себе диоксид углерода не взрывоопасен, так как реакцию горения с кислородом он не поддерживает. Но, если газ находится в замкнутом сосуде и подвержен сильному нагреву, возможен разрыв непрочного сосуда из-за теплового расширения газа.

Как повысить уровень углекислого газа в организме

Для повышения диоксида углерода в организме применяют специальную методику дыхания, которая состоит из неглубоких вдохов и выдохов с паузой между циклами в 20 секунд. Также для этих целей используются самодельные, дыхательные тренажеры или фирменные типа “Самоздрав”.

Углекислый газ, как топливо

Речь об углекислом газе, как о топливе, ведется уже давно. В частности американские ученные нашли способы для преобразования CO2 в монооксид углерода (CO). Соединив оксид углерода с водородом (H) можно получить углеводородное топливо, но в промышленных масштабах производство еще не запущено.

Углекислый газ ядовит или нет

Нет, не ядовит. При больших концентрациях в воздухе он оказывает удушающее действие, замещая собой кислород.

В Канаде тестируют новую технологию удаления углекислого газа из атмосферы. Система Carbon Engineering создана для очистки воздуха в любом уголке земли, независимо от близости источников загрязнения. Насколько эффективен такой подход? И сколько нужно установок, чтобы остановить глобальное потепление?

На сегодня в мире насчитывается всего около 20 установок, которые улавливают углекислый газ (CO2) в промышленных масштабах. И все они расположены непосредственно на выходе из дымовых труб предприятий. Пока это, конечно, капля в море, но с развитием отрасли количество таких фильтрующих систем будет увеличиваться. А вот что делать с углеродом, который уже вырвался наружу? На сегодня концентрация CO2 в атмосфере составляет 0,04%, и этот показатель растет. Глобальные выбросы углекислого газа достигли 36 гигатонн в год, а средняя мировая температура повысилась уже на 1°С. Напомним, согласно Парижскому соглашению по климату, мировое сообщество должно сделать все возможное, чтобы удержать потепление в пределах 1,5°С до конца 21 века.

В противном случае планете грозят катастрофические последствия: затопление городов, вымирание видов, засуха и другие природные катаклизмы.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) предупредила, что для достижения поставленных целей перехода к углеродно-нейтральному обществу уже недостаточно, надо срочно внедрять технологии прямого улавливания CO2 из воздуха.

«Текущие модели предполагают, что нам нужно будет удалять 10 гигатонн CO2 в год к 2050 году, а к концу века это количество должно удвоиться до 20 гигатонн. Прямо сейчас мы практически ничего не удаляем. Поэтому придется масштабироваться с нуля», — говорит Джейн Зеликова, известный ученый-климатолог из Университета Вайоминга.

Пилотный завод Carbon Engineering в Британской Колумбии

Одна из первых в мире промышленных установок для прямого улавливания CO2 из воздуха появилась в городе Сквамиш Британской Колумбии (Канада). Это ноу-хау компании Carbon Engineering. Система мощных вентиляторов засасывает воздух и прогоняет его через фильтр, залитый гидроксидом калия. Углекислый газ поглощается этим раствором, попадает во вторую камеру и смешивается с гидроксидом кальция (строительная известь). Известь удерживает растворенный CO2, образуя небольшие чешуйки известняка. Эти частицы отсеиваются и нагреваются в третьей камере до тех пор, пока не разложатся с выделением чистого углекислого газа, который улавливается и отправляется на хранение.

Завод в Сквамише создан как испытательный стенд для тестирования различных технологических процессов. В ближайшее время компания приступит к строительству гораздо более крупного завода на нефтяных месторождениях западного Техаса, который будет ежегодно улавливать 1 миллион тонн CO2. Для сравнения, столько же поглощают 40 миллионов деревьев.

«Как только первый завод готов, это как модель формочки для печенья. Дальше вы просто создаете точные копии этого предприятия в любом месте», — говорит исполнительный директор Carbon Engineering Стив Олдхэм. Тем не менее он признает, что масштаб предстоящей задачи головокружителен. «Нам нужно вывести из атмосферы 800 гигатонн CO2. И это не произойдет в одночасье», — предупредил Олдхэм.

В компании утверждают, что их технология достаточно бюджетна: сбор одной тонны CO2 обходится примерно в 100 долларов США. При этом заводы работают на возобновляемой энергии или природном газе и не производят никаких собственных выбросов.

Проект завода Carbon Engineering в западном Техасе

Еще один завод по улавливанию и хранению углекислого газа строится в геотермальном парке Hellisheidi в Исландии. Он будет работать на возобновляемой энергии, а собранный газ закачивать в собственное подземное хранилище. Предприятие сможет фильтровать до 4-х миллионов тонн CO2 ежегодно и станет крупнейшим в мире объектом, способствующим улучшению климата. Запуск намечен на лето 2021 года.

Строительство завода Orca, геотермальный парк Hellisheidi, Исландия, март 2021 г

Правда, есть у этой технологии и недостатки. Чтобы успевать фильтровать все 36 гигатонн CO2 в год, нужно около 30 000 заводов, то есть более трех на каждую угольную электростанцию, работающую сегодня в мире. Каждый завод обойдется в 500 млн долларов, а общая стоимость строительства составит почти 15 трлн долларов. Для сравнения годовой бюджет США на 2021 год — 4,8 трлн долларов. К тому же для бесперебойной работы систем потребуется около 14 млн тонн гидроксида калия, что в 5,4 раз превышает годовые поставки этого вещества во всем мире.

Одним словом, деньги потребуются немалые. Но зато в результате прямого улавливания воздуха можно получить ценный продукт — тысячи тонн сжатого CO2. Одним из крупнейших его потребителей является сектор добычи природных ископаемых. В частности, нефтяная отрасль. Углекислый газ закачивается под землю и создает нужное давление, повышая нефтеотдачу. Также отфильтрованный газ можно комбинировать с водородом и получать синтетическое углеродно-нейтральное топливо.

Еще одна перспективная сфера применения — улучшение роста овощей и зелени. Яркий пример — известная голландская компания по переработке отходов в энергию AVR, которая недавно модернизировала один из своих заводов в Дэйвене, установив специальное оборудование для улавливания CO2 из выбросов. Углекислый газ сжимается до жидкого состояния и цистернами отправляется в ближайшую теплицу. Раньше для этих целей приходилось сжигать природный газ. За месяц объемы выбросов парниковых газов удалось сократить на 7,5 тысяч тонн.

Цистерна с жидким CO2 едет с завода AVR Duiven в теплицу

Альтернативой «прямому захвату» газа могло бы стать восстановление торфяников или высадка лесов, которые, как известно, поглощают углекислый газ. Но это весьма длительный процесс, к тому же требующий огромных земельных участков, по некоторым оценкам, размером с Соединенные Штаты. При этом эффект от высадки растений недолговечен, поскольку они рано или поздно погибают, высвобождая накопленный углерод. Единственный вариант — их вовремя вырубать и утилизировать в закрытых системах.

Интересный проект недавно представил ученый из Аризонского университета Клаус Лакнер. Он изобрел «механическое дерево», которое чистит воздух от CO2 подобно своим живым аналогам. Фильтруя потоки ветра, оно улавливает молекулы углерода и отправляет в специальное хранилище. И все происходит без механического всасывания воздуха, а значит без энергоемких устройств. По словам разработчика, это наиболее дешевый способ улавливания CO2 — менее $100 за тонну. Стартап уже нашел инвестора, и в ближайшее время на просторах Аризоны «вырастут» 1200 новых «деревьев». Они смогут улавливать 36 000 тонн углекислого газа в год, что соответствует выбросам почти 8 000 автомобилей.

«Механическое дерево» Клауса Лакнера

К делу глобальной декарбонизации планеты уже подключились крупнейшие корпорации. Microsoft , United Airlines и ExxonMobil инвестировали в эту область миллиарды долларов. 100 миллионов долларов пообещал выделить Илон Маск. А созданный в конце 2020 года Инновационный фонд ЕС направит на проекты, связанные в том числе с улавливанием и хранением углерода, 1 млрд евро. Сейчас идет конкурс заявок.

Кстати, в шорт-лист уже попали два амбициозных проекта в сфере waste-to-energy — Fortum Oslo Varme в Норвегии и Amager Bakke в Дании. Оба завода по переработке отходов в энергию намерены свести свой углеродный след практически к нулю. И если финансирование будет одобрено, новые установки снизят выбросы CO2 в общей сложности на 900 000 тонн ежегодно. А Копенгаген сделает важнейший шаг к амбициозной цели — стать первой столицей в мире с нулевым выбросом углерода.

По материалам: bbc.com, , carbonbrief.org

Возможно, атмосферу все же получится очистить от углекислоты

Время на прочтение

Многие специалисты по охране окружающей среды считают, что опасности ускорения процесса глобального потепления можно избежать, если снизить концентрацию углекислого газа в атмосфере. Но некоторые эксперты утверждают, что если это даже и так, то реализовать идею сложно — уж слишком дорогим получается процесс.

Тем не менее, сейчас появляются и другие мнения. В частности, результаты анализа процесса извлечения диоксида углерода из атмосферы, опубликованные в журнале Joule, показывают, что цена не так уж и высока. По мнению авторов исследования, цена тонны углерода, извлеченного из воздуха составит от $94 до $232 за тонну. Причем технологии, которые требуются для очистки атмосферного воздуха, уже существуют и нужно лишь сделать их коммерчески пригодными.

Ранее другие исследователи утверждали, что цена тонны углекислого газа, «добытого» из воздуха, будет очень высокой — $1000 или даже больше. Соответствующее исследование было опубликовано в издании Proceedings of the National Academies.

Насколько можно судить, извлечение CO2 из воздуха вполне можно сделать коммерчески выгодным процессом. При условии, правда, определенной модификации всей цепочки извлечения газа из атмосферы, чтобы получение углекислого газа было максимально недорогим. Извлеченный CO2 планируется закачивать в огромные подземные хранилища, а затем — использовать для различных целей.

Здесь главное помнить, что цель всего проекта — все же помощь окружающей среде, а не получение денег. Если текущие темпы выброса углекислого газа в атмосферу будут такими же, как сейчас или даже более высокими, то температура повысится более, чем на 1,5 градуса Цельсия. И вскоре процесс может стать необратимым, если еще не стал. Снижение концентрации парниковых газов в атмосфере — весьма актуальная задача для ближайшего будущего. В противном случае парниковый эффект окажет очень сильное влияние на планету, эффект будет продолжительным, тысячи лет и более.

Дэвид Кейт, профессор физики из Гарварда и глава исследования, утверждает, что уже сейчас можно построить необходимые системы, технологии существуют.

Ученый знает, о чем говорит — он занимается изучением вопроса снижения концентрации углекислоты в атмосфере долгое время. Он же является основателем компании Carbon Engineering, которая около девяти лет работает над созданием промышленной установки «высасывания» углекислого газа из атмосферы. Сейчас тестовый агрегат построен в Британской Колумбии. Проект частично финансируется Министерством энергетики США.

Кейт надеется, что его проект покажет мировому сообществу способ, позволяющий обратить вспять или хотя бы приостановить глобальное потепление, хотя бы в отдаленной перспективе.

Стоимость высасывания CO2 из атмосферы с последующим складированием уловленного газа просчитывалась немногими учеными. Основное влияние на мнение научного сообщества о стоимости процесса оказали две работы, опубликованные в 2011 году.

Тем не менее, авторы работы, где говорилось о $1000 за тонну углекислого газа, при его «добыче» из атмосферы, готовы с радостью принять и результаты расчетов других ученых. Но некоторые ученые выказывают сомнения в том, что углекислый газ удастся извлекать по цене в $100 или даже $200. Они считают, что модель — это хорошо, но если построить реальную фабрику по получению CO2 из воздуха, затраты будут гораздо выше. По мнению специалистов, неизбежно проявятся дополнительные затраты.

Все же пространство для маневра у энтузиастов извлечения CO2 есть — если что-то получается слишком дорогим, можно найти альтернативу. Вместо вертикального использовать горизонтальное хранилище, использовать более дешевую энергию и т.п.

Компания Carbon Engineering планирует создавать топливо нового типа, соединяя пойманный углерод с водородом. Представители компании заявляют, что они уже создали технологию получения такого топлива и все работает так, как и задумывалось. Правда, синтетическое топливо получается более дорогим, чем обычный бензин. Так что вопрос рынка сбыта остается открытым.

На данный момент компания Carbon Engineering получила около $30 млн на свои исследования. Сейчас она ищет дополнительные источники финансирования, надеясь построить более крупную фабрику по «ловле CO2».

Круговорот в природе

Организмам и растениям для поддержания жизненных процессов необходим углерод, круговорот которого в углеродном цикле планеты осуществляется двуокисью углерода. Регулирование концентрации CO2, с конца докембрийского периода (540 млн. лет назад) и до начала индустриально-промышленной эпохи, производится происходящими в земной коре геологическими процессами и производящими фотосинтез организмами. Одни из них образуют и выбрасывают, другие поглощают и вдыхают.

Энергия света, попадая на растительные организмы, водоросли и некоторые виды бактерий, активирует процессы, производящие сложные органические соединения (углеводы) из простых неорганических (CO2 и вода). При этом кислород образуется в качестве побочного продукта. Двуокись углерода также является побочным продуктом организмов, для дыхания которым необходим кислород. Газ попадает в воду через жабры рыб и в воздух через легкие людей и животных. Углекислый газ появляется в результате распада органики (гниение) и в процессе брожения. Вулканы производят выброс углекислого газа, океаны осуществляют его поглощение. Сжигая дрова и другие органические материалы, ископаемые виды топлива, также происходит выделение углекислоты.

Большая часть диоксида углерода планеты естественного происхождения. Но также источниками СО2 являются промышленные предприятия и транспорт, которые обеспечивают выброс в атмосферу углекислого газа искусственного происхождения.

При перегнивании деревьев и травы каждый год выделяется 220 миллиардов тонн углекислого газа. Океанами выделяется 330 миллиардов тонн. Пожары, которые образовались в связи с природными факторами приводят к выбросу СО2, равному по количеству антропогенной эмиссии.

Естественными источниками углекислоты являются:

• Дыхание флоры и фауны. Растения и животные поглощают и вырабатывают СО2, так устроено их дыхание.
• Извержение вулканов. Вулканические газы содержат двуокись углерода. В тех регионах, где есть активные вулканы, углекислый газ способен выходить из земных трещин и разломов.
• Разложение органических элементов. Когда органические элементы горят и перегнивают появляется СО2.

Диоксид углерода хранится в углеродных комбинациях: угле, торфе, нефти, известняке. В качестве резервных хранилищ можно назвать океаны, в которых содержатся большие резервы углекислоты и вечную мерзлоту. Однако, вечная мерзлота начинает таять, это можно заметить по уменьшению снежных шапок самых высоких гор мира. При разложении органики наблюдается рост выделения в атмосферу углекислого газа. В результате чего хранилище преобразуется в источник.

Северные районы Аляски, Сибири и Канады — это в основном вечная мерзлота. В ней содержится много органического вещества. Из-за нагрева арктических регионов вечная мерзлота тает и происходит гниение ее содержимого.

Главными искусственными источниками CO2 считаются:

• Выбросы предприятий, которые происходят в процессе сгорания. Результатом является значительное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере планеты.
• Транспорт.
• Превращение хозяйственных земель из лесов в пастбища и пахотные земли.

В мире растет количество экологических машин, но их процент по отношению к машинам внутреннего сгорания очень мал. Стоимость электрокаров выше обычных машин, поэтому многие не имеют финансовой возможности приобрести такой вид транспорта.

Интенсивное сокращение лесов для промышленности и сельского хозяйства относится к антропогенным источникам CO2 не в прямом смысле. Деятельность по уменьшению лесных массивов является причиной неучастия диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Что приводит к его накоплению в атмосфере.

Взаимодействие с землей

Углекислый газ воздуха на генетическом уровне взаимосвязан с землей. Постоянно протекающие почвенные движения увеличивают резервы СО2 в воздухе, где он используется растениями на образование органических элементов. Углекислота выполняет важную функцию в формировании и проветривании почвы. Он принимает участие в разрушении основных минералов, увеличении растворяемости, перемещении карбонатов и фосфатов.

Значительная доля диоксида углерода грунтового воздуха появляется в результате деятельности почвенных организмов, во время распада и окисления органического элемента. До 1/3 части СО2 вырабатывается корнями высоких растений. Также происходит поступление углекислого газа с газами ювенильного и вадозного происхождения из глубочайших шаров земли. В почвах, сформированных на известковых породах, СО2 способен выступать продуктом разрушения углекислого кальция почвенными кислотами.

СО2 грунтового воздуха имеет огромную биологическую значимость. Ее излишек (больше 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Если убрать углекислоту все равно ее кратковременный излишек приведет к медленному росту семян.

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО2 летом и весной увеличивается до 3-9 %. Черноземные грунты вырабатывают от 2 до 6 кг углекислого газа на протяжении 24 часов. В почвенном воздухе на глубине 75-150 см в два раза больше содержание СО2 нежели в верхних слоях. В теплые времена содержание СО2 в почвенном воздухе в два раз больше чем в зимний период. Объяснить это можно увеличением активности организмов в грунте.
Необходимо понимать, что многочисленные способы земледелия приводят к повышению концентрации углекислоты в грунте. Среди них можно выделить:

• органические удобрения;
• травосеяние;
• сжатие катками.

Безусловно, не стоит говорить, что плодородность и качество земли зависит исключительно от углекислоты, есть и другие факторы, влияющие на это.
Чтобы регулировать динамику СО2 в почве и увеличивать его содержание до требуемого количества для извлечения хорошего урожая необходимо:

• активировать жизненные процессы в грунте при помощи аэрации;
• осуществлять правильное травосеяние для того чтобы поддерживался и обновлялся резерв органического вещества;
• делать сидерацию и вносить органические удобрения.

Влияние на атмосферу

Наличие углекислоты регулировалось в течение длительного срока естественными процессами, происходящими на поверхности земли. К искусственным процессам увеличения содержания CO2, в охватывающих весь земной шар масштабах, наша цивилизация приступила в середине 20 века. Человечество, сжигая уголь, нефть и природный газ, производит огромные выбросы диоксида углерода, как отработанного и ненужного продукта в крупномасштабных процессах окисления.

Увеличение населения земли за последние сто лет в 5 раз (1900 год — 1,6 миллиарда человек, 2018 год – 7,6 миллиарда человек) также вносит существенный вклад в накопление этого газа. Производство и использование транспорта увеличивается с ростом населения. Вместе с возрастанием промышленности это приводит к значительной эмиссии CO2 в окружающий воздух. Естественные фильтровальные насосы (океаны и растения) не справляются с увеличением углекислого газа. Об этом говорят измерения, производимые постоянно в разных уголках земли. Так, наличие CO2 в доиндустриальную эпоху составляло 280 ppm, в наше время 406 ppm.

Усугубляет ситуацию вырубка и горение лесов. Пропуская ультрафиолетовое и поглощая инфракрасное (отраженное от земли) излучение углекислота способствует нагреванию океанов и атмосферы земли, образуется парниковый эффект. Увеличение и хорошее проникновение в верхние слои океанов, приводит к образованию угольной кислоты. Данный процесс вызывает окисление, что в совокупности с повышенной температурой, приводит к гибели фитопланктона, важнейшего поставщика кислорода на земле и утилизатора CO2.

Взаимодействие с океаном

В океанах углекислота по наличию превышает атмосферное содержание, если пересчитать на углерод, то выйдет примерно 36 триллионов тонн. Растворенный в океане CO2 находится в виде гидрокарбонатов и карбонатов. Эти соединения образуются в процессе химических реакций между подводными скальными породами, водой и двуокисью углерода. Реакции эти обратимы, они вызывают образование известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде диоксида углерода.

Круговорот углекислого газа в океане

Протекая сотни миллионов лет, этот круговорот реакций привёл к связыванию в карбонатных породах большей части диоксида углерода из атмосферы Земли. По итогу большинство двуокиси углерода, полученной в результате интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу человеком, будет растворено в океанах. Но скорость, с которой будет протекать этот процесс в дальнейшем, остается неизвестной.
Наличие фитопланктона на поверхности океанов помогает поглощать СО2 из воздуха в океан. Некоторое количество углекислого газа фитопланктон поглощает при фотосинтезе, приобретая энергию и источник для развития клеток. Когда он погибает и спускается на дно, углерод остается с ним.

Немецкие ученые разработали эффективный способ поглощения углекислоты из воздуха

Несмотря на огромное разнообразие организмов, способных вырабатывать ферменты для превращения диоксида углерода в органические соединения, до сих пор еще никому не удавалось использовать эту возможность для преобразования СО2 в биотопливо или возобновляемые источники для получения ценных химических веществ. Слишком высокая концентрация углекислого газа в атмосфере – это серьезная проблема, но некоторые ученые рассматривают ее как возможность.

Команда исследователей из Института земной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Германия, разработала для растений новый высокоэффективный метод переработки СО2. Он основывается на новом ферменте для связывания углерода, благодаря которому этот процесс может гипотетически идти в 2-3 раза быстрее.

Растения и водоросли вполне неплохо справляются с тем, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере. Ежегодно они потребляют около 350 миллиардов тонн СО2 во всем мире. Почти все растения делают это с помощью одного и того же химического процесса, ряда химических реакций, называемых циклом Кальвина.

Цикл Кальвина представляет собой набор молекулярных превращений, в процессе которых три простых атома молекулы СО2 медленно преобразуются в глюкозу, сложный сахар. Этот способ достаточно хорошо отлажен эволюцией, но ученые нашли способ его улучшить.

Успешное завершение цикла Кальвина зависит от конкретного молекулярного инструмента – рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) – фермента, который захватывает СО2 из атмосферы и формирует крупную молекулу, чтобы начать превращение. Проблема в том, что RuBisCO делает это относительно медленно. Кроме того, каждая пятая попытка RuBisCO зафиксировать CO2 приводит потерям углерода из цикла Кальвина и снижает эффективность фотосинтеза.

Биохимики во главе с Тобиасом Эрбом разработали в пробирке цикл поглощения углерода, во многом схожий с циклом Кальвина. Главное отличие нового способа заключается в том, что в нем используются более быстрый и эффективный молекулярный инструмент – фермент ECR, который выполняет ту же работу, что и RuBisCO, только, примерно, в 9 раз быстрее. Эрб назвал этот процесс циклом CETCH. Помимо фермента ECR, ученые путем секвенирования и синтеза вывели еще 16 катализаторов из 9 различных организмов для CETCH цикла.

Цикл CETCH превращает переносимый по воздуху СО2 в глиоксилат за 11 шагов. На каждом этапе требуется фермент, трансформирующий молекулы. Каждый из таких ферментов был тщательно отобран из 40 тысяч известных катализаторов. Некоторые из них обнаружились в организме человека и кишечных бактериях, другие взяли из растений и микробов, обитающих в Мировом океане.

Эрб и его коллеги проверили CETCH цикл в своей лаборатории. Они соединили все добытые катализаторы с некоторым количеством химического топлива и подсчитали, сколько углекислого газа было изъято из воздуха. Они обнаружили, что их цикл на 25% эффективнее, чем цикл Кальвина в растениях и водорослях. CETCH преобразует диоксид углерода в органические молекулы со скоростью 5 нмоль СО2 в минуту на миллиграмм белка.

Ободренный успешным восстановлением синтетической ферментативной сети в пробирке, которая, к тому же, может конкурировать с природными циклами, Эрб открывает сразу несколько дверей для использования технологии CETCH. Если ввести синтетические ферменты в живой организм, цикл CETCH поддержит естественный фотосинтез. В конце концов, он же может послужить толчком разработки самодостаточного, полностью синтетического углеродного обмена веществ в бактериальных и водорослевых системах.

Эрб отмечает, что на этом этапе очень трудно спрогнозировать, насколько быстрым будет синтезированный CETCH по сравнению с циклом Кальвина, который работает в живых организмах. Но поскольку он проходит меньшее количество этапов и его ферменты быстрее, ученые ожидают ускорения в два или три раза. В конечном итоге он может оказаться немного медленнее, чем цикл Кальвина. Ученые просто не знают этого наверняка, пока.

Хотя глиоксилат, который получается в ходе цикла CETCH во многом бесполезен сам по себе, его можно легко преобразовать в другое химическое вещество, пригодное для производства биотоплива или анитибиотиков.

Ученые надеются, что однажды цикл CETCH можно будет внедрить в живой организм с помощью методов генной инженерии. Однако это весьма непростая задача, для решения которой необходимо провести множество исследований. Сейчас команда Эрба не имеет ни малейшего представления о том, что произойдет, если их цикл разместить внутри системы живой клетки.

«Попробуйте вообразить, будто ученым удалось создать что-то вроде искусственных листьев или любую другую гибридную систему, в которой фотоэлектрические солнечные батареи могут обеспечить энергией водоросли и бактерии, живущие под ними. Тогда, используя цикл CETCH, они смогут поглощать диоксид углерода и вырабатывать полезные химические вещества» – говорит Тобиас Эрб.

Сейчас в основе всей химической промышленности лежит использование ископаемого топлива. Пластмассы и текстиль, техника и антибиотики – все это производится с огромным количеством выбросов углекислого газа. Вместо того, чтобы обременять планету новыми выбросами, химическое производство могло бы активно бороться с изменением климата, создавая полезные продукты из CO2.

Научная работа опубликована в журнале Science 18 ноября 2016 года
DOI: 10.1126 / science.aah5237

Промышленность и CO2

Диоксид углерода — востребованный промышленный материал, который используется во многих отраслях в твердом, жидком и газообразном состоянии.

• В качестве инертного газа при сварке.
• Является наполнителем для углекислотных огнетушителей.
• В качестве газа наддува в авиационных пушках и при добыче нефти.
• Его добавляют в питьевую воду, вино и газированные напитки.
• В твердом состоянии используется как хладагент.

Происхождение

Образование диоксида углерода носит естественный характер. Основная часть углерода на Земле миллионы лет хранится в надежных кладовых карбонатных горных пород, вроде той, из которых состоят известные «Белые Скалы Дувра» на побережье Ла-Манша.

В создании этих скал участвовали существа, в тысячу раз меньше булавочной головки. Триллионы подобных, микроскопических существ — одноклеточные водоросли.

Вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывали CO2 в атмосферу, а океаны осуществляли его медленное поглощение. Сотни миллионов лет одноклеточные водоросли растворяли в себе двуокись углерода и формировали из нее крошечные раковины. Обилие этих раковин образовывало огромные залежи мела или известняка на дне океана. В результате смещения тектонических плит, земля подняла морское дно из глубины и высекла из него большие «Белые Скалы Дувра». Полипы и водоросли, которые умеют из воды извлекать известь, использовали двуокись углерода для постройки гигантских коралловых рифов. Сами же океаны превращали в известняк поглощенный диоксид углерода, без помощи со стороны живых существ.

Поглощение океаном CO2

С течением времени в атмосфере планеты остались едва заметные следы CO2, концентрация углекислого газа на данный момент составляет около 0,04 процента от общего объема воздуха. Сейчас наряду с азотом (N2), кислородом (O2) и аргоном (Ar) диоксид углерода образует составную часть воздуха планеты, которым мы дышим.

В массовом эквиваленте на кубометр воздуха приходится 760 миллиграмм CO2. Однако в этом и заключается разница между бесплодной пустошью и буйством жизни в земном саду. При полном отсутствии углекислого газа Земля превратилась бы в ледяной шар. При увеличении его в 2 раза, а именно при 8 молекулах на каждые 10000, нам стало бы не комфортно при такой жаре.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO2 чем выбрасывает в него.

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

Лес северного полушария

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО2.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Самыми известными поглотителями СО2 считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Станция закачки углекислого газа под землю

Швейцарские ученые описали эффективный способ удаления из атмосферы и удержания углерода

Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и Швейцарской высшей технической школы Цюриха выяснили, как прямой захват углекислого газа (CO2) из ​​воздуха может помочь эффективно удалить парниковые газы из атмосферы.

Схема прямого улавливания и хранения углерода в воздухе

Они выяснили, что при тщательном планировании, например, в отношении местоположения, и обеспечении необходимой энергией CO2 можно удалить без вреда для климата.

Прямое улавливание и хранение углерода в воздухе (DACCS) — сравнительно новая технология удаления углекислого газа из атмосферы. Потенциально она позволит снизить парниковый эффект. Исследователи изучили, насколько эффективно технологию можно реализовать в различных конфигурациях. Для этого они проанализировали в общей сложности пять конфигураций для улавливания CO2 из воздуха и их использование в восьми разных локациях по всему миру. Общий итог: в зависимости от сочетания используемых технологий и конкретного местоположения CO2 может быть удален из воздуха с эффективностью до 97 %.

Чтобы отделить CO2 от атмосферы, воздух сначала пропускается через так называемый абсорбент с помощью вентиляторов. Это связывает углекислый газ до тех пор, пока не исчерпается его способность поглощать парниковый газ. Затем на второй, так называемой стадии десорбции, CO2 снова высвобождается из абсорбента. В зависимости от используемого вещества это происходит при сравнительно высоких температурах до 900 градусов по Цельсию, либо при довольно низких температурах, около 100 градусов по Цельсию. Но помимо энергии, необходимой для производства и установки оборудования, работа вентиляторов и выработка необходимого тепла, опять же,  приводят к выбросам парниковых газов.

Границы применения DACCS

«Использование этой технологии имеет смысл только в том случае, если данные выбросы значительно ниже, чем количество СО2, которое она помогает удерживать», — говорит Том Терлоу, который проводит исследования в Лаборатории анализа энергетических систем PSI и является первым автором исследования.

Исследователи сосредоточили свое внимание на системе швейцарской компании Climeworks, которая работает с низкотемпературным процессом. Они проанализировали использование этой технологии в восьми странах по всему миру: в Чили, Греции, Иордании, Мексике, Испании, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Для каждого местоположения были рассчитаны общие выбросы парниковых газов за весь жизненный цикл завода. Исследователи сравнили эффективность процесса, когда необходимое электричество вырабатывается за счет солнечной энергии или поступает из существующей электросети. В качестве источников необходимой тепловой энергии они брали солнечные тепловые станции, отходящее тепло промышленных процессов или тепловые насосы. Для исследования было составлено пять различных схем улавливания атмосферного CO2 для каждого из восьми участков. Результаты показали, что эффективность удаления парниковых газов в разных системах составляет от 9 до 97 %.

Выбросы парниковых газов и эффективность их удаления по системе DACCS в разных средах

«Технологии улавливания CO2 просто дополняют общую стратегию декарбонизации и не могут ее заменить», — подчеркивает Кристиан Бауэр, ученый из Лаборатории анализа энергетических систем и соавтор книги. изучение. «Однако они могут быть полезны в достижении целей, определенных в Парижском соглашении об изменении климата, потому что определенных выбросов, например, от сельского хозяйства, избежать невозможно».

Открытие

Первооткрывателем углекислого газа является шотландский физик и химик, Джозеф Блэк (Joseph Black). В 1756 году ученный проводил эксперимент, нагревая белую магнезию (MgCO3). В результате нагрева он выявил, что карбонат магния разложился до жженой магнезии (оксида магния) с потерей массы и образованием так называемого «связанного воздуха». Этим воздухом, как не трудно догадаться, был диоксид углерода.

Впервые, при детальном изучении CO2, Джозеф Блэк доказал что, окружающий нас воздух, это не единая субстанция, а смесь газов. До этого момента все ученные считали воздух одним газом.

Заключение

Хоть немного узнав об углекислом газе, вы осознаете его значимость практически во всей биосфере земли. Сформировав эти не большие, но важные знания, можете ознакомиться с остальными взаимодействиями диоксида углерода в других статьях. Рассказать об этом своим родственникам, знакомым и друзьям и быть может мы, все вместе продлим существование нашей планеты. Что вы об этом думаете?

Несомненно, что без углекислого газа существование на нашей Земле кардинально отличалось бы. Он вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. О них важно знать для объяснения многих явлений, происходящих вокруг нас.