- В сша создана установка, добывающая кислород из углекислого газа
- Искусственное дерево для марса
- Кислород и его получение
- Марс готовится к прилету людей
- Новый реактор может превращать co2 в кислород для
- Применение углекислого газа
- Углекислый газ в атмосфере и природе
- Углекислый газ и мы: чем опасен сo2
- Углекислый газ: получение в промышленности
- Углекислый газ: хранение и транспортировка
- Формула и свойства
- Химические реакции с диоксидом углерода, соединения
В сша создана установка, добывающая кислород из углекислого газа
Пасадена, США,
30 мая 2022, 15:52 — REGNUM Метод, позволяющий получать кислород (О2) из углекислого газа (СО2), предложен учёными из США. Об этом сообщает издание New Atlas.
Эффект, использованный разработчиками новой технологии, был зафиксирован в ходе астрономических наблюдений за кометами. Исследователи фиксировали наличие кислорода в непосредственной близости от ядра кометы, придерживались мнения, что он заключен в её веществе. Однако в 2022 году была выдвинута гипотеза, предполагающая, что столкновение с поверхностью кометы воды или углекислого газа высвобождает молекулы кислорода.
Сотрудники Калифорнийского технологического института занялись созданием установки, при помощи которой углекислый газ сталкивается с поверхностью, состоящей из химически инертного материала, например золотой фольги. В этом случае происходит разделение на кислород и атомарный углерод.
Эффект достигается при помощи ионизации молекул СО2 и последующего придания им ускорения при помощи электрического поля.
На сегодняшний день производительность экспериментальной установки невелика: из 100 молекул углекислого газа можно получить 2 молекулы кислорода.
Однако, как предполагают разработчики, созданная ими установка в будущем найдет широкое применение. В качестве областей, где применение подобных технологий является перспективным, называются космические полеты и борьба с чрезмерными выбросами СО2 в атмосферу Земли.
Читайте ранее в этом сюжете:
Объёмы углекислого газа в атмосфере достигли рекордного уровня – эксперты
Искусственное дерево для марса
Без деревьев, растений и растительности атмосфера Марса, состоящая на 95,32% из углекислого газа, сравнима с ранней Землей. При незначительном количестве кислорода и в 100 раз более тонкой атмосфере Марс, по крайней мере, суров и непривлекателен.
Этот эксперимент, запланированный как демонстрационный технологический проект, призван проверить новую технологию производства пригодного для дыхания кислорода и жидкого кислородного топлива для космических миссий на поверхности Марса. Возможно, однажды в далеком будущем та же самая технология сможет сделать всю планету пригодной для жизни, обогатив атмосферу кислородом.
Механизм, по которому работает MOXIE, сродни гидролизу воды, с которым мы знакомы по химии в средней школе. Электролизная ячейка использует электричество для разделения молекул воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2), которые собираются на отрицательно заряженном электроде (катоде) и положительно заряженном электроде (аноде) соответственно.
Основная структура MOXIE состоит из керамического твердотельного электролита, помещенного между катодом из оксида металла и анодом.
Когда углекислый газ пропускают через электрод из оксида металла при высоких температурах (800–900 °C), используя электроны, обеспечиваемые катодом, он расщепляется на монооксид углерода и анион кислорода. Ион кислорода проникает в поры керамического электролита и мигрирует к аноду под действием электрического поля.
Процесс непростой. Выталкивание для разрушения диоксида углерода должно быть откалибровано, чтобы убедиться, что диоксид углерода расщепляется на оксид углерода и кислород, а не на углерод и кислород. Накопление углерода является помехой и может разрушить систему.
Кислород и его получение
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Кислород О2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре (до 50% вес.), в соединении с водородом в воде (около 86% вес.) и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. (23,15% вес.).
Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.
В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.
Важнейшие физические константы кислорода следующие:
Кислород обладает большой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. Реакции кислорода с органическими веществами имеют резко выраженный экзотермический характер. Так, при взаимодействии сжатого кислорода с жировыми или находящимися в мелкодисперсном состоянии твердыми горючими веществами происходит мгновенное их окисление и выделяющееся тепло способствует самовозгоранию этих веществ, что может быть причиной пожара или взрыва. Это свойство особенно необходимо учитывать при обращении с кислородной аппаратурой.
Одним из важных свойств кислорода является способность его образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами и парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры. Взрывчатыми являются и смеси воздуха с газо- или парообразными горючими.
Кислород может быть получен: 1) химическими способами; 2) электролизом воды; 3) физическим способом из воздуха.
Химические способы, заключающиеся в получении кислорода из различных веществ, малопроизводительны и в настоящее время имеют лишь лабораторное значение.
Электролиз воды, т. е. разложение ее на составляющие — водород и кислород, осуществляется в аппаратах, называемых электролизерами. Через воду, в которую для повышения электропроводности добавляется едкий натр NaOH, пропускается постоянный ток; кислород собирается на аноде, а водород — на катоде. Недостатком способа является большой расход электроэнергии: на 1 м3 02 (кроме того, получается 2 м3 Н2) расходуется 12-15 квт.ч. Этот способ рационален при наличии дешевой электроэнергии, а также при получении электролитического водорода, когда кислород является отходом производства.
Физический способ заключается в разделении воздуха на составляющие методом глубокого охлаждения. Этот способ позволяет получать кислород практически в неограниченном количестве и имеет основное промышленное значение. Расход электроэнергии на 1 м3 О2 составляет 0,4-1,6 квт.ч, в зависимости от типа установки.
ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем объемном их содержании: азота — 78,09%, кислорода — 20,93%, аргона — 0,93%. Кроме того, в нем содержится около 0,03% углекислого газа и малые количества редких газов, водорода, закиси азота и др.
Главная задача при получении кислорода из воздуха заключается в разделении воздуха на кислород и азот. Попутно производится отделение аргона,-применение которого в специальных способах сварки непрерывно возрастает, а также и редких газов, играющих важную роль в ряде производств. Азот имеет некоторое применение в сварке как защитный газ, в медицине и других областях.
Сущность способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с обращением его в жидкое состояние, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто в интервале температур от —191,8° С (начало сжижения) до -193,7° С (окончание сжижения).
Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип. о2 = -182,97° С; Ткип.N2 = -195,8° С (при 760 мм рт. ст.).
При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения и по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией.
Для производства кислорода из воздуха имеются специализированные предприятия, оснащенные высокопроизводительными установками. Кроме того, на крупных металлообрабатывающих предприятиях имеются свои кислородные станции.
Низкие температуры, необходимые для сжижения воздуха, получают с помощью так называемых холодильных циклов. Ниже кратко рассматриваются основные холодильные циклы, используемые в современных установках.
Холодильный цикл с дросселированием воздуха основан на эффекте Джоуля—Томсона, т. е. резком снижении температуры газа при свободном его расширении. Схема цикла приведена на рис. 2.
Воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до 200 кгс/см2 и затем проходит через холодильник 2 с проточной водой. Глубокое охлаждение воздуха происходит в теплообменнике 3 обратным потоком холодного газа из сборника жидкости (ожижителя) 4. В результате расширения воздуха в дроссельном вентиле 5 он дополнительно охлаждается и частично сжижается.
Давление в сборнике 4 регулируется в пределах 1—2 кгс/см2. Жидкость периодически сливается из сборника в специальные емкости через вентиль 6. Несжиженная часть воздуха отводится через теплообменник, производя охлаждение новых порций поступающего воздуха.
Охлаждение воздуха до температуры сжижения происходит постепенно; при включении установки имеется пусковой период, в течение которого сжижения воздуха не наблюдается, а происходит лишь охлаждение установки. Этот период занимает несколько часов.
Достоинством цикла является его простота, а недостатком — относительно высокий расход электроэнергии — до 4,1 квт.ч на 1 кг сжиженного воздуха при давлении в компрессоре 200 кгс/см2; при меньшем давлении удельный расход электроэнергии резко возрастает. Данный цикл применяется в установках малой и средней производительности для получения газообразного кислорода.
Несколько более сложным является цикл с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением воздуха.
Холодильный цикл среднего давления с расширением в детандере основан на понижении температуры газа при расширении с отдачей внешней работы. Кроме того, используется и эффект Джоуля— Томсона. Схема цикла приведена на рис. 3.
Воздух сжимается в компрессоре 1 до 20-40 кгс/см2, проходит через холодильник 2 и затем через теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 большая часть воздуха (70-80%) направляется в поршневую расширительную машину-детандер 6, а меньшая часть воздуха (20-30%) идет на свободное расширение в дроссельный вентиль 5 и далее сборник 7, имеющий кран 8 для слива жидкости. В детандере 6
воздух, уже охлажденный в первом теплообменнике, производит работу — толкает поршень машины, давление его падает до 1 кгс/см2, за счет чего резко снижается температура. Из детандера холодный воздух, имеющий температуру около —100° С, выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий воздух. Таким образом, детандер обеспечивает весьма эффективное охлаждение установки при сравнительно небольшом давлении в компрессоре. Работа детандера используется полезно и это частично компенсирует затрату энергии на сжатие воздуха в компрессоре.
Достоинствами цикла являются: сравнительно небольшое давление сжатия, что упрощает конструкцию компрессора и повышенная холодопроизводительность (благодаря детандеру), что обеспечивает устойчивую работу установки при отборе кислорода в жидком виде.
Холодильный цикл низкого давления с расширением в турбодетандере, разработанный акад. П. Л. Капицей, основан на применении воздуха низкого давления с получением холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. Схема цикла приведена на рис. 4.
Воздух сжимается турбокомпрессором 1 до 6-7 кгс/см2, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы 3 (теплообменники), где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. До 95% воздуха после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется до абсолютного давления 1 кгс/см2 с выполнением внешней работы и при этом резко охлаждается, после чего он подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5%), поступающую в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется в регенераторы и охлаждает поступающий воздух, а жидкий воздух пропускается через дроссельный вентиль 6 в сборник 7, из которого сливается через вентиль 8. На схеме показан один регенератор, а в действительности их ставят несколько и включают поочередно.
Достоинствами цикла низкого давления с турбодетандером являются: более высокий к. п. д. турбомашин по сравнению с машинами поршневого типа, упрощение технологической схемы, повышение надежности и взрывобезопасности установки. Цикл применяется в установках большой производительности.
Разделение жидкого воздуха на составляющие осуществляется посредством процесса ректификации, сущность которого состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку кислорода в жидкости меньше, а азота больше, то она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар, а это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости азота, т. е. обогащение им паров над жидкостью.
Представление о сущности процесса ректификации может дать приведенная на рис. 5 упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха.
Принимаем, что воздух состоит только из азота и кислорода. Представим, что имеется несколько соединенных друг с другом сосудов (I—V), в верхнем находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Благодаря ступенчатому расположению сосудов жидкость будет стекать вниз и при этом постепенно обогащаться кислородом, а температура ее будет повышаться.
Допустим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30% 02, в сосуде III — 40%, в сосуде IV — 50% и в сосуде V — 60% кислорода.
Для определения содержания кислорода в паровой фазе воспользуемся специальным графиком — рис. 6, кривые которого указывают содержание кислорода в жидкости и паре при различных давлениях.
Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 1 кгс/см2. Как видно из рис. 6, над жидкостью в этом сосуде, состоящей из 60% 02 и 40% N2, может находиться равновесный по составу пар, содержащий 26,5% 02 и 73,5% N2, имеющий такую же температуру, что и жидкость. Подаем этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50% 02 и 50% N2 и поэтому будет более холодной. Из рис. 6 видно, что над этой жидкостью пар может содержать лишь 19% 02 и 81% N2, и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде.
Следовательно, подводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5% О2, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею — азотом.
Аналогично будет происходить процесс и в других сосудах и, таким образом, при сливе из верхних сосудов в нижние жидкость обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.
Продолжая процесс вверх, можно получить пар, состоящий почти из чистого азота, а в нижней части — чистый жидкий кислород. В действительности процесс ректификации, протекающий в ректификационных колоннах кислородных установок, значительно сложнее описанного, но принципиальное его содержание такое же.
Независимо от технологической схемы установки и вида холодильного цикла процесс производства кислорода из воздуха включает следующие стадии:
1) очистка воздуха от пыли, паров воды и углекислоты. Связывание СО2 достигается пропусканием воздуха через водный раствор NaOH;
2) сжатие воздуха в компрессоре с последующим охлаждением в холодильниках;
3) охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках;
4) расширение сжатого воздуха в дроссельном вентиле или детандере для его охлаждения и сжижения;
5) сжижение и ректификация воздуха с получением кислорода и азота;
6) слив жидкого кислорода в стационарные цистерны и отвод газообразного в газгольдеры;
7) контроль качества получаемого кислорода;
8) наполнение жидким кислородом транспортных резервуаров и наполнение баллонов газообразным кислородом.
Качество газообразного и жидкого кислорода регламентируется соответствующими ГОСТами.
По ГОСТу 5583-58 выпускается газообразный технический кислород трех сортов: высший — с содержанием не менее 99,5% О2, 1-й — не менее 99,2% О2 и 2-й — не менее 98,5% О2, остальное — аргон и азот (0,5—1,5%). Содержание влаги не должно превышать 0,07 г/ж3. Кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать водорода более 0,7% по объему.
По ГОСТу 6331-52 выпускается жидкий кислород двух сортов: сорт А с содержанием не менее 99,2% О2 и сорт Б с содержанием не менее 98,5% О2. Содержание ацетилена в жидком кислороде не должно превышать 0,3 см3/л.
Применяемый для интенсификации различных процессов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности технологический кислород содержит 90—98% О2.
Контроль качества газообразного, а также и жидкого кислорода производится непосредственно в процессе производства с помощью специальных приборов.
Автор: Администрация
Марс готовится к прилету людей
Поскольку MOXIE — это небольшой эксперимент, подтверждающий концепцию, он не будет производить много кислорода — если все пойдет хорошо, он должен производить около 10 граммов в час, что примерно равно количеству кислорода в 1,2 кубических футах земного воздуха. Для контекста, людям нужно около 19 кубических футов воздуха в день.
По данным NASA, MOXIE проверит свои возможности, производя кислород с интервалом в один час с перерывами на протяжении всей миссии Perseverance.
Помимо производства в более крупных масштабах, для жизнедеятельности людей, путешествующих по миру, кислород также необходим для ракетного топлива для обратного полета на Землю. Для запуска с Марса возвратным ракетам потребуется от 33 до 50 тонн топлива.
Писатели-фантасты предполагают, что в будущем в качестве первого шага на Красную планету будут отправлены небольшой ядерный реактор вместе с увеличенной версией прибора MOXIE. Работая в режиме 24,5 × 7 («день» на Марсе, называемый «сол», немного длиннее, чем продолжительность дня на Земле), кислородный баллон наполняется для подготовки посетителей-людей.
Хотя человеческие путешествия еще далеко, в краткосрочной перспективе эта технология может стать благом для роботизированных миссий по возвращению, например, для возвращения образцов с Марса. MOXIE также является небольшим шагом к плану «Использование ресурсов на месте» (ISRU).
Новый реактор может превращать co2 в кислород для
Хотя кислород распространен в космическом пространстве, большая его часть находится не в той форме, которой мы, люди, дышим — молекулярным кислородом или O2. И вот теперь исследователи из Калифорнийского технологического института утверждают, что создали реактор, который может превращать углекислый газ в молекулярный кислород, который может помочь нам бороться с изменением климата здесь на Земле или генерировать кислород для жизни в космосе.
Кислород является одним из самых больших препятствий для освоения человеком космоса. Земля — единственное место, о котором мы знаем, где жизненно важный газ содержится в достаточных количествах, но брать его с собой дорого и неудобно.
На Международной космической станции экипаж дышит благодаря электролизу — процессу, где вода разделяется на составляющие ее газообразные водород и кислород. Терраформирование Марса должно в будущем сделать его более похожим на Землю, но это огромное начинание, которое невозможно сделать с помощью современных технологий.
Таким образом, исследователи решили найти другой способ получения кислорода. В итоге они создали реактор, который, в некотором смысле, звучит очень просто — возьмите CO2, а затем удалите C. Ученые обнаружили, что если вы выпустите углекислый газ на инертную поверхность, такую как золотая фольга, его молекулы могут расколоться, чтобы образовать молекулярный кислород и атомарный углерод.
Ученые говорят, что реактор работает аналогично ускорителю частиц. Молекулы CO2 сначала ионизируются, а затем ускоряются с помощью электрического поля, а затем врезаются в поверхность золота. В его нынешнем виде производительность ректора довольно низкая — создается только одна или две молекулы кислорода на каждые 100 запущенных молекул CO2 — но это интригующее доказательство концепции, которая может быть расширена в будущем.
На самом деле, исследователи говорят, что подобная реакция происходит в природе. Концепция началась как попытка объяснить неожиданное открытие молекулярного кислорода в кометах. После того, как космический аппарат «Розетта» обнаружил истечение газа из кометы 67P, первоначально считалось, что кислород должен был быть заперт в комете на миллиарды лет.
Но в 2022 году команда исследователей Caltech предложила другое возможное объяснение: кислород создавался другими соединениями, врезавшимися в комету на высоких скоростях. После того, как молекулы воды или углекислого газа испускаются из кометы, солнечные ветры могут ускорить их и отбросить их обратно в комету. Это, в свою очередь, могло создать молекулярный кислород и послужило источником вдохновения для нового реактора.
В будущем реактор можно будет использовать для производства кислорода для космонавтов, путешествующих на Луну, Марс или к более далеким планетам. Или здесь, на Земле, он может быть полезен для удаления CO2 из атмосферы и преобразования его в кислород, чтобы помочь в борьбе с изменением климата. Конечно, предстоит еще много работы, чтобы довести технологию до этой стадии.
«Это окончательное устройство? Нет», — говорит Константинос Гиапис, ведущий автор исследования. «Это устройство, которое может решить проблему терраформирования Марса? Нет. Но это устройство, которое может делать что-то очень сложное. Мы делаем некоторые сумасшедшие вещи с нашим реактором».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Применение углекислого газа
Благодаря наличию определённых физических и химических свойств углекислый газ может использоваться в различных сферах. В химической промышленности углекислота используется для:
- Синтеза искусственных химических соединений.
- Для очистки животной и растительной ткани.
- Регулирования температуры реакций.
- Нейтрализации щёлочи.
В металлургии CO2 применяется с целью:
- Регулирования отвода воды в шахтах.
- Создания лазерного луча для резки металлов.
- Осаждения вредных газообразных веществ.
Кроме перечисленных областей углекислый газ активно используется при производстве бумаги. Оксид углерода применяется регулирования водородного показателя древесной массы, а также усиления мощности производственных машин.
Углекислый газ используется в пищевой промышленности в качестве добавки, которая оказывает консервирующее действие. При изготовлении выпечки СО2 применяется в качестве разрыхлителя. Газированные напитки также изготавливаются с применением углекислоты, а для хранения быстро портящихся продуктов используется «сухой лёд».
Незаменим углекислый газ и при выращивании овощей и фруктов в зимних теплицах. В таких помещения в воздухе недостаточное количество СО2, который необходим для «дыхания» растений, поэтому приходится искусственно насыщать атмосферу этим газом.
В медицине углекислота применяется во время проведения сложных операций на внутренних органах. Наиболее ценным качеством этого газа, является использование его для реанимационных мероприятий, ведь благодаря возможности повысить его концентрацию можно эффективно стимулировать процесс дыхания пациента.
При сварке металлов углекислота применяется в качестве инертного облака, которое служит защитой расплавленного участка от попадания в него активного кислорода. В результате такой обработки сварочный шов получается идеально ровным и не подверженным окислению.
Благодаря способности охлаждаться при испарении, СО2 используется для тушения пожаров. Заправленные этим веществом огнетушители являются эффективным средством борьбы с возгораниями на объектах, где применение порошковых или пенных средств тушения невозможно.
В быту углекислота используется в качестве напорного газа в пневматическом оружии, а также для отпугивания комаров и борьбы с грызунами.
Углекислый газ в атмосфере и природе
В окружающей среде газ СО₂ образуется несколькими источниками: природой, человеком, животными:
- углерод является составляющей вулканических газов, поэтому, в местностях с повышенной вулканической активностью диоксид углерода может попадать из недр на поверхность земли через трещины, почвенные разломы и пр. В некоторых случаях, концентрация СО2 настолько высока, что провоцирует отравление и гибель мелких животных;
- гниение, горение и разложение органики. Углекислый газ хранится в недрах земли, в виде торфа, угля, нефти, известняка, а также выделяется при горении древесины.
Формирование газа диоксида углерода в недрах земли и выведение СО2 в атмосферу живыми существами взаимосвязано. Первоначально органические вещества (выделяемые животными, известняки) минерализуются, превращаясь в ископаемые, хранящиеся в недрах земли веками. Затем уголь, нефть, торф используются перерабатывающими станциями и выделяют в атмосферу СО2.
Также люди, животные, растения, поглощая кислород, выводят в воздух газообразный диоксид углерода, растворяющийся в морях и океанах, превращающийся в известняк.
Считается, что избыток углекислого газа – это причина климатических изменений в мире, ведь она провоцирует парниковый эффект. Следовательно, солнечное излучение беспрепятственно попадает на поверхность почвы и задерживается в атмосфере. Возникает тепловой эффект, плавящий ледники, повышающий уровень моря.
Последствия климатических изменений и повышенного количества СО2:
Больше всех пострадает человечество: уменьшится территория для жизнедеятельности, которая станет менее комфортной. Способ спастись – снизить выбросы диоксида углерода, путём минимизации выработки углекислоты на производстве и переходом на экологический транспорт.
Углекислый газ и мы: чем опасен сo2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания.
Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.
Углекислый газ: получение в промышленности
Существует большое количество способов промышленного получения углекислоты. Наиболее рентабельными являются варианты добычи газа, основанные на получении СО2, который образовывается на химических производствах в виде отходов.
Газообразный оксид углерода (IV) получают из промышленного дыма способом адсорбции моноэтаноламина. Частицы этого вещества подаются в трубу с отходами и вбирают в себя углекислоту. После прохождение через смесь CO2 моноэтаноламины направляются на очистку в специальные резервуары, в которых, при определённых показателях температуры и давления, происходит высвобождение углекислого газа.
Углекислый газ высокого качества получается в результате брожения сырья при изготовлении спиртных напитков. На таких производствах газообразный СО2 обрабатывают водородом, перманганатом калия и углем. В результате реакции получают жидкую форму углекислоты.
Твёрдое состояние СО2 или «сухой лёд» также получают из отходов пивоваренных заводов и ликероводочных производств. Это агрегатное состояние вещества в промышленных масштабах образуется в такой последовательности:
- Из резервуара, где происходит брожение, газ подаётся в ёмкость для промывки.
- Углекислота направляется в газгольдер, в котором подвергается воздействию повышенного давления.
- В специальных холодильниках СО2 охлаждается до определённой температуры.
- Образовавшаяся жидкость фильтруется через слой угля.
- Углекислота снова направляется в холодильник, где производится дополнительное охлаждение вещества с последующим прессованием.
Таким образом получается высококачественный «сухой лёд», который может использоваться в пищевой промышленности, растениеводстве или в быту.
Углекислый газ: хранение и транспортировка
Хранение СО осуществляется в баллонах чёрного цвета, на корпусе которых обязательно должна быть надпись «Углекислота».
Кроме этого, на ёмкости наносится маркировка, по которой можно получить информацию о производителе баллона, весе пустой ёмкости, а также узнать дату последнего освидетельствования. Нельзя использовать углекислотные баллоны, у которых:
- Истёк срок освидетельствования.
- Имеются повреждения.
- Неисправны вентили.
Транспортировка наполненных газом баллонов должна осуществляться по следующим правилам:
- Транспортировать ёмкости только в горизонтальном положении. Вертикальное размещение допускается только в том случае, если имеются специальные ограждения, которые препятствуют падению баллона во время перевозки.
- Для безопасного перемещения на баллонах должны быть резиновые кольца.
- Не допускать механических воздействий, а также чрезмерного нагрева.
- Запрещается перевозка углекислотных баллонов в торговых аппаратах.
Кроме этого, техникой безопасности запрещается переносить баллоны вручную или перекатывать их по земле.
Хранение баллонов с углекислотой может осуществляться как в специально оборудованных помещениях, так и под открытым небом. В зданиях ёмкости следует размещать на расстоянии не менее 1 метра от отопительных приборов. При хранении на улице необходимо оградить ёмкости от воздействия прямых солнечных лучей и осадков, поэтому размещать резервуары таким способом рекомендуется под навесом.
Формула и свойства
Традиционная формула углекислого газа: CO2, масса: 44 г/моль.
Инертную окись относят к оксидным кислотам.
- контактируя с Н₂О, образует нестабильную, мгновенно распадающуюся взаимообратимую кислоту:
СО₂ H₂O ↔ CO₂ × H₂O (растворение) ↔ Н₂СО₃;
- реакция между известковой жидкостью и углекислым газом образовывает карбонат кальция (белесый осадок на дне жидкости):
CO₂ Ca(OH)2 = CaCO₃↓ H₂O;
- термальное воздействие разлагает диоксид на кислород и диоксид углерода:
2CO₂ = 2CO O₂;
- газ СО₂, реагирующий с металлическими активными пероксидами, разлагается на кислород и карбонаты:
- 2CO₂ 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ O₂↑.
- CaO CO₂ = CaCO₃;
- Al₂O₃ 3CO₂ = Al₂(CO₃)3;
- CO₂ NaOH = NaHCO₃;
- CO₂ 2NaOH = Na₂CO₃ H₂O;
- реакция газа СО₂ и водорода:
- CO2 4H2 = CH4 2H2O (t°, kat = Cu2O);
- CO2 C = 2CO (t°);
- горение углекислого газа с металлами активного происхождения:
- CO2 2Mg = C 2MgO (t°);
- CO2 2Ca = C 2CaO (t°);
Следовательно, углекислый газ обладает 4 важнейшими свойствами:
- Реагирует с основаниями и основными оксидами, образуя угольно-кислотные соли.
- При воздействии высоких температур, восстановителей проявляется окислительная способность. Возобновить газообразную форму можно углем.
- Горящий в воздухе магний продолжает гореть в атмосфере углекислого газа.
- Качественная реакция, обусловленная появлением в известковой воде белого осадка, исчезающего при длительном пропускании диоксида через известняковую жидкость. В результате карбонат кальция, лишенный способности к растворению превращается в растворимый гидрокарбонат.
Свойства позволяют диоксиду углерода обладать несколькими формами. Например: при традиционном давлении атмосферы элемент существует в форме газа. Охлаждение океанскими глубинами трансформирует СО₂ в жидкое состояние, а заморозка – кристаллизует, формируя лёд. Резкое нагревание стимулирует испарение и восстановление газообразной формы.
Химические реакции с диоксидом углерода, соединения
Сам по себе углерод не горюч, не активен, но реагирует с другими веществами, позволяя получить новые вещества, используемые практически во всех сферах промышленности.
- Реакция между аммиаком и углекислым газом приводит к разложению элементов до гидрокарбоната аммония:
2NH₃ CO₂ H₂O = NH₄HCO₃
Гидрокарбонатная соль, широко используется хлебопекарнями. - При взаимодействии аммиака и углекислоты под температурой свыше 130°С и давлением 200 атомов производят мочевину:
2NH₃ СО₂ → (NH₂)2СО H₂O - Оксид цинка получают, путём комбинации цинка и диоксида углерода под воздействием температуры 800°С.
- Газ CO₂ соединяют с гидроксидом бария для получения оксида водорода с карбонатом бария:
Ba(OH)2 CO₂ = BaCO₃ H₂O
Получается средняя соль, используемая для изготовления синтетики, кухонной плитки, фейерверков, красных кирпичей и пр. - Поскольку углекислый газ не горюч, поддерживать горение он может только в соединении с магнием:
2Mg CO₂ = C 2MgO
Полученный оксид магния применяют в косметологии и, в качестве активной пищевой добавки. - Углекислый газ реагирует с карбонатами и бикарбонатами, образуя гидрокарбонаты: CO₂ NaOH → NaHCO₃. Большее количество натрия образует карбонат натрия и воду:
CO₂ 2NaOH → Na₂CO₃ H₂O - Комбинация углекислого газа и щёлочи служит для затвердевания известняка:
Ca(OH)2 CO₂ → CaCO₃ Н₂O - При взаимодействии углекислоты и воды формируется глюкоза, позволяющая растениям питаться (принимающая участие в фотосинтезе):
6CO₂ 6H₂O → C₆H₁₂O₆ 6O₂ - Соду получают, в результате соединения аммиака, углекислоты и натрия хлорида:
NaCl CO₂ NH₃ H₂O → NaHCO₃ NH₄Cl - Контактирующий с углеродом фенолят натрия разлагается, образуя осадок из плохо растворимого фенола.
Благородные газы: ксенон, аргон, гелий и пр. не вступают в реакцию с двуокисью углерода, из-за несовместимого молекулярного строения этих газов.