Реактор Caltech превращает углекислый газ в кислород, используя золото

Реактор Caltech превращает углекислый газ в кислород, используя золото Кислород

Описание генератора кислорода oxygen factory:

Генератор кислорода Oxygen Factory основан на научных исследованиях свойств водорослей Хлорелла, которые помогут улучшить качество воздуха в любом помещении.

В 1960-х годах советскими учеными была изобретена закрытая экосистема “Биос-3”, целью которой было поддержание нормального существования человека в условиях закрытого герметичного пространства. Стимулом к развитию данной системы послужило желание человека исследовать космическое пространство и осваивать планеты с непригодными для проживания человека условиями.

Главным элементом системы “Биос-3” стали водоросли Хлорелла, которые посредством процесса фотосинтеза, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, перерабатывали воздух, которым дышали люди. Наряду с водорослями для очищения воздуха в системе также использовались высшие растения.

Было установлено, что сине-зеленые водоросли производят большую часть всего кислорода на планете. Сине-зеленые водоросли производят от 60 до 80 % кислорода в атмосфере и поглощают порядка ¼ углекислого газа, производимого человечеством. Практически все морские растения являются одноклеточными, фотосинтезирующими водорослями.

Генератор кислорода Oxygen Factory, использующее водоросли Хлорелла, производит кислород, снижает содержание углекислого газа в помещении. Помимо этого Oxygen Factory очищает воздух от большинства известных загрязнителей, таких как ЛОВ, аллергены, вредные газы, фенолы и формальдегиды, сверхмелкозернистые частицы (PM 2.5, PM 10) независимо от размера и типа здания.

Что первично для организма: o2 или co2?

Помните известный парадокс: что было раньше – курица или яйцо? Он не разрешим, если не привлекать во внимание процесс эволюции и образование новых видов. Но если привлечь, то у яйца оказывается некоторый приоритет, он древнее. Так, еще динозавры откладывали яйца, а птицы произошли от одной из ветвей динозавров. Получается, что яйцо древнее птицы и в этом, эволюционном, смысле первично…

В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме.

Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму.

Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты.

Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).

Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).

В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.

Что делать? Движение, гимнастика, спорт на воздухе или в хорошо проветриваемом помещении — все это увеличивает содержание CO2. Капилляры расширяются и даже образуются новые сети капилляров, кровоток усиливается, кислород лучше отделяется от гемоглобина и поступает в клетки…

Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.

Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.

В рот пострадавшего через марлю или носовой платок спасатель должен выдыхать воздух с частотой 12–15 раз в минуту. Казалось бы, это бессмысленно. Ведь в начале статьи мы много раз повторяли, каков должен быть состав вдыхаемого воздуха (21% кислорода и 0,4% углекислого газа).

А тут выходит, что пострадавший вынужден принудительно получать воздух «на выдохе» (16% O2 и 4% CO2). Тем не менее, оказывается, что и в выдыхаемом воздухе еще есть остатки кислорода в концентрации, превышающей минимально допустимую (16% > 13–14%).

В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель — сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца.

Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.

Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.

Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека.

Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.

В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть!

И действительно, в этом что-то есть. Площадь кожи человека, покрытая 5 миллионами волосков, составляет 1,5–2 м2. А суммарная площадь 600 миллионов альвеол в легких — около 100 м2. Грубо получается, что на уровне 1–2% кожа может выполнять дыхательную функцию.

Взгляд изнутри

На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1–2% (исключение — эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации CO2 в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием.

На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации CO2 время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов.

Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа

В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы — концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые оплетены сетью капилляров (рис. 5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно 100 м2) осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие.

Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К. Ю. Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).

Взгляд снаружи

Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе ( p_{text{O}_2}), при котором возможна жизнедеятельность человека в течение длительного времени, ограничен значениями

90–100 мм рт. ст. < ( p_{text{O}_2}) < 400–450 мм рт. ст.

Нижняя граница соответствует началу кислородного голодания, верхняя — началу кислородного отравления. В процентном отношении наступление кислородного голодания у здорового человека наступает уже при содержании O2 в воздухе ( p_{text{O}_2}) / pатм менее 14% (при pатм = 760 мм рт. ст.).

Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).

Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня 100 мм рт. ст. замедляются обменные процессы в организме, дыхание и сердцебиение учащаются, ухудшаются зрение и работа мозга…

Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.

В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается.

Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, составляет 1,9 м3. В этом объеме содержится 1,9 × 0,21 м3 = 0,4 м3 = 400 л кислорода. Признаки кислородной недостаточности развиваются, когда полезный объем кислорода уменьшится до 1,9 × 0,14 м3 = 0,27 м3 = 270 л.

Комната. Свободный объем около 30 м3. Начальный объем кислорода 6,3 м3. Минимально допустимый объем кислорода 4,2 м3. Потребление кислорода 0,5 л/мин. Время ( Δt_{text{O}_2}) = 2100 / 0,5 мин = 4200 мин, т.е. почти трое суток (!).

Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Начальный объем кислорода 50 м3. Минимально допустимый объем кислорода 34 м3. Потребление кислорода около 25 л/мин . Время ( Δt_{text{O}_2}) = 16000/25 мин = 640 мин, т.е. около 10 часов.

Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота.

По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.

Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет

( 0 < C_{text{CO}_2} = frac{p_{text{CO}_2}}{p_{атм}} < text{0,1%}. )

Отметим, что обычное содержание углекислого газа в воздухе ( C_{text{CO}_2} ) = 0,04%.

Величину принятого ограничения сверху на содержание углекислого газа (( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 0,1%) обсудим чуть позже, а сначала проведем оценки для замкнутых объемов лифта, комнаты, вагона метро и школьного класса применительно ко времени накопления концентрации углекислого газа до верхней границы. Примем, что взрослый человек обычно выдыхает углекислого газа в атмосферу ( q_{text{CO}_2}) = 0,25 л/мин.

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет

( Δt_{text{CO}_2} = frac{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2}):·:V}{q_{text{CO}_2}} = frac{(1:·:10^{-3}:-:4:·:10^{-4}):·:text{1,9}:·:10^3 }{text{0,25}}:text{мин} = 5:text{мин}. )

Комната. Свободный объем около 30 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 30 · 103 / (2 · 0,25) мин = 36 мин.

Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 240 · 103 / (100 · 0,3) мин ≈ 6 мин.

Школьный класс. Приведем также оценки для школьного класса объемом около 200 м3, в котором находится 25 учеников. При уровне выдоха CO2 одним школьником 0,12 л/м (половина от взрослого) получим ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 200 · 103 / (25 · 0,12) мин ≈ 40 мин.

Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.

Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?

В литературе отмечается два типа воздействия: кратковременное (часы) и длительное (регулярно, более нескольких часов в день). Симптомы при кратковременном воздействии при уровне вдыхаемого углекислого газа выше 0,1% — это усталость, головная боль, ухудшение концентрации внимания, плохой сон…

При длительном воздействии при уровне CO2 выше 0,1% появляются проблемы с дыхательной системой (сухой кашель, риниты…), снижение иммунитета, ухудшение работы сердечно-сосудистой системы… При уровне выше 0,2% еще больше ухудшается концентрация внимания, растет количество совершаемых ошибок и т.д. по нарастающей.

Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.

Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.

Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.

Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.

В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.

Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2

Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.

Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:

( q_{text{вент}} = frac{q_{text{CO}_2}}{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2})}. )

Так, если ( q_{text{CO}_2} ) = 0,25 литра в минуту (в этом случае человек выдыхает 15 литров CO2 в час), то при ( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 1 · 10−3 и ( C_{text{CO}_{2}} ) = 4 · 10−4 получим требуемую мощность вентиляции в 420 литров воздуха в минуту или 25 м3 в час.

Если же выдыхается 20 литров CO2 в час, то мощность вентиляции увеличивается до 33 м3 воздуха в час. А если принять для максимально допустимого значения концентрации CO2 в воздухе несколько меньшее значение 0,8 · 10−3, то мощность вырастет уже до 38 м3 воздуха в час (при 15 л CO2 в час) и 50 м3 воздуха в час (при 20 л CO2 в час).

Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час.

Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2022 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру.

Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться.

В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода.

Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.

Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.

Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны.

Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа).

Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Газировка как источник со2 для аквариума

Для наноаквариумов до 20 литров связываться с баллонной установкой СО2 не каждый захочет. Можно сделать генератор СО2 на браге или соде. Но можно поступить проще. Есть древний и незаслуженно забытый метод подачи СО2 это использование газированной воды.

Газированная вода это своего рода концентрат углекислого газа уже растворенного в воде. Содержание СО2 в газировке обычно около 5000-10000мг/л, а после открытия бутылки стремится к 1450мг/л. Если посчитать сколько необходимо газированной воды для доведения концентрации СО2 в аквариуме до 10мг/л, то выходит довольно экономично.

Свежей газировки нужно всего 20мл на 10л аквариумной воды, что даст 10мг/л СО2 в аквариуме. Достаточно просто по утрам вносить газировку вместе с удобрениями. После стояния, вносить газировку можно и в больших количествах, так как углекислый газ выветривается.

Приблизительно, 1 литра газировки хватит для 10-20л аквариума на месяц. Подойдет любая газированная вода, конечно, кроме соленой. Лучше использовать самые дешевые. Их обычно делают из водопроводной воды :). Больше чем до 10мг/л лучше концентрацию СО2 таким методом не доводить.

Во-первых, не известно сколько углекислоты содержит ваша газировка 5000мг/л или 10000мг/л. Во-вторых, большие колебания концентрации СО2 в аквариуме не желательны. После добавления газировки концентрация будет постепенно снижаться из-за потребления аквариумными растениями.

Плюсы метода:

  • не нужен реактор для растворения СО2 и счетчик пузырьков, так как СО2 уже растворен в газированной воде;
  • простота использования;
  • экономичен в краткосрочной перспективе;
  • удобен для наноаквариумов.

Минусы метода:

  • нестабильная концентрация СО2 в аквариуме;
  • цена 1 грамма СО2 самая высокая из перечисленных методов, то есть неэкономичный в долгосрочной перспективе и для аквариумов большого объема;
  • слабая подача СО2 в сравнении с другими методами.

Для узв

В интенсивных рыбоводных системах (СОВ и УЗВ) для поддержания жизнедеятельности рыбы при высоких плотностях посадки необходимо искусственно насыщать воду кислородом. Иными словами, при выращивании рыб с плотностью посадки более 35 кг/м3 добавление чистого кислорода является обязательным условием, необходимым для успешной работы. При меньшей плотности посадки, как правило, достаточно стандартной аэрации в бассейнах.

Оборудование, насыщающее воду кислородом, озоном и другими растворимыми газами в необходимом для роста и правильного развития гидробионтов количестве, называется оксигенатором. Данный тип устройств создается как для работы в открытых водоемах, так и для выращивания рыб и раков в УЗВ.

Установки, ориентированные на работу в УЗВ, обеспечивают:

  • насыщение воды кислородом в рамках заданных показателей;
  • растворение газов, необходимых для нормального роста и развития гидробионтов;;
  • удаление из поступающей в устройство воды излишков углекислого газа и других неблагоприятных для рыб соединений.

Условно все оксигенаторы можно разделить на несколько групп:

  • Плавучие оксигенаторы – приборы, работающие при нормальном атмосферном давлении. Принцип работы таких устройств заключается в распылении технического кислорода через перфорированные шланги, тонкодисперсные распылители и другие приспособления. Устройство обеспечивает растворение кислорода со скоростью до 2,5 литров в минуту. Для повышения эффективности специалисты рекомендуют располагать распылители или шланги на дне резервуаров. В приборах плавучего типа кислород может покинуть замкнутое пространство, только растворившись в воде. Эффективность работы таких устройств составляет 85-90%.
  • Кислородные конусы – наиболее востребованный вид оксигенаторов для УЗВ различных масштабов. Грамотно подобранное оборудование насыщает кислородом емкости, пруды и бассейны со скоростью до 100 м3 в час. Устройства такого типа практически полностью растворяют подготовленный кислород в воде. Эффективность работы такого оборудования составляет 95-97% — при смешивании внутри конуса на выходе вода получается насыщенной кислородом до 300%.
  • Многоуровневые безнапорные оксигенаторы — устройства, использующиеся для эффективного насыщения воды очищенным кислородом. Данный вид оборудования является базой для создания устройств конусного типа. Принцип работы устройств основывается на смешении воды и кислорода в нескольких герметичных камерах с патрубками. В зависимости от скорости подачи воды и рабочего давления эффективность работы такого оборудования колеблется в пределах 50-90%.
  • Трубки для оксигенации — компактное устройство, аэрирующее воду и насыщающее ее кислородом. Отличается низким уровнем эффективности (38-52%), поэтому использовать рекомендуется только в качестве резервного источника кислорода.

Какое количество со2 подавать растениям и в какое время?

Сотни тысяч лет назад концентрация углекислого газа в атмосфере нашей планеты была намного больше, чем сегодня. Поскольку в процессе эволюции растения приспособились к данным условиям, они способны поглощать существенно больше СО2, чем его сегодня находится в воздухе.

По заверениям ученых, они могут эффективно использовать до 1500 ppm газа. А поскольку в атмосфере его концентрация сегодня достигает всего лишь 400 ppm, то эффект от повышения его дозировки весьма ощутим. Растения смогут производить гораздо больше энергии в процессе фотосинтеза, что положительно отразится на их росте и производительности – это факт.

Однако стоит понимать, что в первую очередь на эффективность процесса фотосинтеза влияет именно мощность света. Дело в том, что при низкой концентрации СО2 растительные культуры способны перерабатывать не всю поступающую им световую энергию. Поэтому, если Вы решили повысить контракцию углекислого газа в теплице или гроубоксе, то непременно стоит позаботиться о мощном освещении.

Опытные гроверы советуют поддерживать концентрацию углекислого газа в закрытом грунте на уровне в 1200-1500 ррm. Такой показатель является наиболее оптимальным. Однако он актуален только при использовании ДНаТ или LED светильников мощностью не менее 600 Вт на площади культивации в 1 м2.

При меньшей освещенности его следует снизить. Также растениеводу следует понимать, что в ночное время, когда растение отдыхает, оно не поглощает углекислый газ. Это значит, что при выключенном свете нужда в его поступлении отпадает. Всегда следует отключать «обогатитель» СО2 на ночь.

Профессионалы рекомендуют обогащать гроубокс СО2 в следующих случаях:

Такой режим поможет гроверу сэкономить ресурс преобразователя СО2 и не повлияет на эффективность использования.

Работа TDS метра основана на электропроводности водной – электроды, погруженные в водную среду, создают между собой электрическое поле. Чистая дистиллированная вода сама по себе ток не проводит, образуют его растворенные в воде различные примеси и соединения.

Солемер или TDS метр – это стационарный малогабаритный прибор для измерения жесткости воды и процентного содержания в ней разного вида веществ.

Кокосовый субстрат, изготавливаемый из растертой в мелкую крошку кожуры и волокон кокосового ореха, − достаточно молодой материал.

Чтобы пересаженные цветы хорошо росли и развивались, их корням необходима влага и возможность дышать через земляную почву. Обычная земляная смесь представляет собой достаточно плотную субстанцию, плохо пропускающую живительную влагу и воздух к корням.

Керамзитовый дренажный материал или керамзит – это одна из разновидностей субстрата применяемая для укоренения черенков роз гвоздик и иных цветочных растений.

В прошлом веке ученые открыли вещества, влияющие на работу тех или иных функций растения. С помощью этих веществ, каждый садовод может повлиять на жизненный цикл растения, ускорить или замедлить его развитие. Подобные вещества называют стимуляторами роста.

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. Низкий потенциал ионизации и теплопроводность способствуют образованию горячей зоны в центре столба дуги и как следствие более глубокое проплавление и меньшую ширину шва.

Молекула углекислого газа CO2, попадая в зону сварочной дуги распадается на атомарный кислород О и угарный газ СО. В результате происходит выгорание легирующих элементов металла сварочной ванны и окисление основного металла (возникает окалина, шлак и дым). Реакция окисления расплавленного металла сварного шва имеет следующий вид:

Fe CO2 = FeO CO

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование большого количества дефектов в сварных швах (преимущественно пор). Поры при сварке возникают в результате кипения затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) из-за недостаточной его раскисленности.

При этом поверхность сварного шва сильно окислена и имеет большое количество шлака ввиду окисляющей атмосферы внутри сварочной дуги. Помимо неудовлетворительного эстетического вида, при необходимости дальнейшего нанесения защитного покрытия потребуется дополнительная операция зачистки поверхности.

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

CO2=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 (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 O = МэO, 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 вольфрамовым 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. Для компенсации выгорания легирующих элементов в сварном шве, необходимо применять сварочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей (кремния и марганца).

Уже давно известна зависимость, чем больше сила сварочного тока, тем больше размер капель расплавленного металла. В свою очередь увеличение размера капель электродного металла увеличивает разбрызгивание.

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 данной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания.

Еще один путь решения данного вопроса – это использование 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.

При сварке тонких деталей применением оптимальных режимов сварки возможно добиться короткозамкнутого переноса электродного металла и тем самым получить минимальное разбрызгивание. Например, при использовании сварочной проволоки ? 1 мм, силе сварочного тока 150 А и напряжения дуги 16-23 В происходит перенос металла небольшими каплями за счет поверхностного натяжения.

Для MAG сварки толстостенных конструкций целесообразно применение проволоки большого диаметра и, следовательно увеличение силы сварочного тока, увеличение разбрызгивания, что ведет к уменьшению скорости наплавки электродного металла. Для уменьшения разбрызгивания уменьшают скорость подачи сварочной проволоки.

Поэтому применение чистой углекислоты оказывает негативное влияние на производительность сварки и качества сварного шва. Углекислоту в качестве защитного газа рационально применять при сварке порошковой проволокой (FCAW) углеродистых сталей поскольку обеспечивается короткозамкнутый перенос и хорошее качество сварного шва.

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

При выборе защитного газа стоит учитывать не только его стоимость, но и влияние потерь на разбрызгивание, последующую зачистку и общую трудоемкость процесса.

Ученые предложили новую идею получения кислорода из углекислого газа

Реактор Caltech превращает углекислый газ в кислород, используя золото

Кислород – довольно распространенный элемент в природе. Однако, в виде простого вещества он встречается редко, что усложняет освоение космоса. На МКС используют электролиз, пероксиды и запас сжатого газа. Но в больших масштабах такая технология не является идеальным решением.

Инженеры Калифорнийского технологического института предложили принципиально новый метод получения кислорода из углекислого газа. Они создали реактор, работающий подобно ускорителю частиц: молекулы углекислого газа ионизируются и ускоряются электрическим полем. Такими ионами бомбардируют инертную поверхность (золотую фольгу), в результате чего молекулы CO2 разделяются на атомарный кислород и углерод.

Созданный прототип обладает крайне низкой производительностью: всего 1-2 молекулы кислорода на 100 молекул углекислого газа. Однако, это показывает саму принципиальную возможность разработки подобных реакторов.

Идея создания подобного устройства, как это часто бывает, была “подсмотрена” в природе. Космический корабль «Розетта» обнаружил в выбросе газов из кометы 67P кислород. Первоначально ученые предполагали, что кислород был “заперт” в комете миллиарды лет. Но в 2022 году ученые из Калифорнийского технического университета предложили другое объяснение: кислород вырабатывался вследствие того, что какое-то другое соединение сталкивалось с кометой на высокой скорости.

После того, как молекулы воды или углекислого газа испускаются из кометы (при приближении к Солнцу комета начинает активно “парить” – таять), солнечные ветры могут ускорить их и отбросить их обратно в комету. Это, в свою очередь, могло создать молекулярный кислород.

Именно эта гипотеза и вдохновила авторов на разработку реактора для производства кислорода. Авторы проекта признают, что в нынешнем виде реактор не имеет практического применения, однако у разработки подобных устройств имеются большие перспективы в будущем, прежде всего, в космической отрасли.

читать в источнике

Другие новости химии:

Ученые предложили революционный метод извлечения воды из гиперсоляных растворов

Ученые случайно обнаружили одну из самых быстрых реакций

Подведены итоги 53-й Международной Менделеевской олимпиады

Астрономы обнаружили самую первую молекулу во Вселенной

Разработан дешевый опреснитель морской воды

Новое решение может, например, превратить машины с двигателями внутреннего сгорания, в экологичный транспорт, который выделяет вместо углекислого газа чистый кислород. 

Авторы использовали опытную установку объемом два литра — в ее основе лежат физико-химические процессы, связанные с пропусканием углекислого газа через галлий — это легкий металл, плавящийся при температуре около 30 °C. В смесь добавляют этот металл в жидкой форме, а также его наночастицы. Помимо этого, в составе есть серебряные стержни нанометровых размеров.

Далее, по словам авторов, смесь активно перемешивают, в результате образуются трибоэлектрохимические реакции — это когда вещества в жидком состоянии из-за силы трения начинают активнее взаимодействовать с поверхностями твердых наполнителей.

Исследователи заявляют, что их установка в течение месяца стабильно производила 100 мл CO2 ежеминутно. На превращения тонны CO2 в чистый кислород и твердый углерод потребовалось всего 230 кВт·ч электричества, это примерно $100.

Разработчики отмечают, что их установка работает с 92% эффективностью. По результатам ее работы углерод образуется в смеси в виде хлопьев и всплывает на поверхность, откуда его легко убрать. 

Читать далее:

«Хаббл» сделал фото одной и той же активной галактики с разницей в 20 лет

Находка ученых раскрыла прошлое Антарктиды в эпоху динозавров

Астрономы рассказали, где и как во Вселенной образуются золото и платина

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».

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий