Inženýři z MIT vytvořili levný systém pro odstraňování oxidu uhličitého z oceánských vod

Lidstvo se naučilo používat plynné látky k podpoře umělých procesů a reakcí, díky čemuž je možné získávat další chemické sloučeniny. Kromě toho se různé plyny používají k dosažení určitých fyzikálních jevů a vlastností. Oxid uhličitý neboli CO2 má velké množství vlastností, které nelze jinak než využít v chemickém průmyslu a každodenním životě.

Co je oxid uhličitý

Oxid uhelnatý (IV) je těžký plyn. Hustota oxidu uhličitého je přibližně jedenapůlkrát větší než hustota atmosférického vzduchu. Přestože se tento plyn již při teplotě minus 78,3 stupňů Celsia mění na sněhovitou hmotu, není možné za normálního tlaku získat kapalný oxid uhličitý. Takzvaný suchý led se při sebemenším zvýšení teploty okamžitě změní z pevné do plynné formy. Kapalný oxid uhličitý lze získat pouze při tlaku vyšším než 60 atmosfér. Za takových podmínek plyn kondenzuje i při pokojové teplotě za vzniku bezbarvé kapaliny.

Oxid uhličitý neoxiduje, ale může podporovat spalování některých kovů. V prostředí oxidu uhličitého se za určitých podmínek mohou vznítit aktivní prvky, jako je hořčík, vápník a baryum. Tento plyn je vysoce rozpustný ve vodě a ve vzduchu se nachází velké množství v důsledku dýchání živých organismů a rostlin, přítomnosti sopečné činnosti na Zemi a také v důsledku spalování organické hmoty.

V důsledku rozpouštění CO2 ve vodě ve vysokých koncentracích vzniká kyselina uhličitá. Tato látka může reagovat s fenolem a organohořečnatými sloučeninami. Oxid uhličitý reaguje také s alkáliemi. V důsledku této reakce vznikají soli a estery kyseliny uhličité.

Vlastnosti oxidu uhličitého

Oxid uhličitý nelze detekovat zrakem ani čichem. Pokud je koncentrace CO2 nízká, nebude cítit žádná chuť, ale pokud je ve vzduchu velké množství tohoto plynu, může být cítit kyselá chuť.

Při vysoké koncentraci oxidu uhličitého ve vdechovaném vzduchu může dojít k otravě. Příznaky negativního vlivu CO2 na lidský organismus jsou:

• Hluk a bzučení v uších.
• Silný studený pot.
• Ztráta vědomí.

Vzhledem k tomu, že oxid uhličitý je těžší než vzduch, bude jeho koncentrace ve spodní části místnosti výraznější. Z tohoto důvodu lze příznaky otravy pozorovat především u zvířat a dětí, ale i u velmi malých dospělých. Vysoká koncentrace CO2 může vést k úmrtí. Pokud člověk ztratí vědomí, může skončit na podlaze, kde množství kyslíku nebude dostatečné k udržení normálního dýchání.

Oxid uhličitý: produkce v průmyslu

Existuje mnoho způsobů, jak průmyslově získat oxid uhličitý. Nejvýhodnější jsou možnosti extrakce plynu založené na získávání CO2, který vzniká při chemické výrobě jako odpad.

Plynný oxid uhličitý (IV) se získává z průmyslového kouře adsorpcí monoethanolaminu. Částice této látky se přivádějí do odpadního potrubí a absorbují oxid uhličitý. Po průchodu směsí CO2 se monoethanolaminy odesílají k čištění do speciálních nádrží, kde se při určitých hodnotách teploty a tlaku uvolňuje oxid uhličitý.

Vysoce kvalitní oxid uhličitý se získává fermentací surovin během výroby alkoholických nápojů. Při této výrobě se plynný CO2 upravuje vodíkem, manganistanem draselným a uhlím. Výsledkem reakce je kapalný oxid uhličitý.

Pevné skupenství CO2 neboli „suchý led“ se také získává z odpadu z pivovarů a výroby lihovin. Toto agregátní skupenství hmoty v průmyslovém měřítku vzniká v následujícím pořadí:

• Z fermentační nádrže je plyn přiváděn do promývací nádrže.
• Oxid uhličitý je odeslán do plynojemu, kde je vystaven zvýšenému tlaku.
• Ve speciálních chladničkách se CO2 ochladí na určitou teplotu.
• Výsledná kapalina se filtruje přes vrstvu uhlíku.
• Oxid uhličitý se opět odesílá do chladničky, kde dochází k dalšímu ochlazení látky a následnému lisování.

Takto se vyrábí vysoce kvalitní „suchý led“, který lze použít v potravinářském průmyslu, pěstování rostlin nebo v každodenním životě.

Aplikace oxidu uhličitého

Vzhledem k určitým fyzikálním a chemickým vlastnostem lze oxid uhličitý použít v různých oblastech. V chemickém průmyslu se oxid uhličitý používá k:

• Syntéza umělých chemických sloučenin.
• Pro čištění živočišných a rostlinných tkání.
• Regulace reakční teploty.
• Neutralizace alkálií.

V metalurgii se CO2 používá k následujícím účelům:

• Regulace odvodnění v dolech.
• Vytvoření laserového paprsku pro řezání kovů.
• Srážení škodlivých plynných látek.

Kromě uvedených oblastí se oxid uhličitý aktivně používá při výrobě papíru. Oxid uhelnatý se používá k regulaci vodíkového indexu dřevní buničiny a také ke zvýšení výkonu výrobních strojů.

Oxid uhličitý se v potravinářském průmyslu používá jako přísada s konzervačním účinkem. V pečení se CO2 používá jako kypřicí prostředek. Sycené nápoje se také vyrábějí s použitím oxidu uhličitého a „suchý led“ se používá k uchovávání produktů podléhajících rychlé zkáze.

Oxid uhličitý je také nepostradatelný při pěstování zeleniny a ovoce v zimních sklenících. V takových prostorách vzduch neobsahuje dostatek CO2, který je nezbytný pro „dýchání“ rostlin, takže atmosféra musí být tímto plynem uměle nasycena.

V medicíně se oxid uhličitý používá při složitých operacích vnitřních orgánů. Nejcennější vlastností tohoto plynu je jeho použití k resuscitaci, protože díky schopnosti zvýšit jeho koncentraci je možné účinně stimulovat dýchací proces pacienta.

Při svařování kovů se oxid uhličitý používá jako inertní oblak, který slouží k ochraně roztavené oblasti před aktivním kyslíkem. Díky takové úpravě je svarový šev dokonale hladký a nepodléhá oxidaci.

Díky své schopnosti ochlazovat se při odpařování se CO2 používá k hašení požárů. Hasicí přístroje naplněné touto látkou jsou účinným prostředkem k hašení požárů na místech, kde je použití práškových nebo pěnových hasicích prostředků nemožné.

V každodenním životě se oxid uhličitý používá jako stlačený plyn v pneumatických zbraních, stejně jako k odpuzování komárů a boji proti hlodavcům.

Oxid uhličitý: skladování a přeprava

CO se skladuje v černých lahvích, na jejichž těle musí být nápis „Oxid uhličitý“.

Kromě toho je nádoba označena informacemi o výrobci lahve, hmotnosti prázdné nádoby a datem poslední kontroly. Nelze použít lahve s oxidem uhličitým, které mají následující:

• Zkušební lhůta vypršela.
• Došlo k poškození.
• Ventily jsou vadné.

Přeprava plynových lahví musí být prováděna podle následujících pravidel:

• Přepravujte nádoby pouze ve vodorovné poloze. Svislé umístění je povoleno pouze tehdy, jsou-li k dispozici speciální zábrany, které zabraňují pádu lahve během přepravy.
• Pro bezpečný pohyb musí být válce opatřeny gumovými kroužky.
• Zabraňte mechanickým nárazům a nadměrnému zahřívání.
• Přeprava lahví s oxidem uhličitým v prodejních automatech je zakázána.

Bezpečnostní opatření navíc zakazují ruční přenášení lahví nebo jejich válení po zemi.

Lahve s oxidem uhličitým lze skladovat jak ve speciálně vybavených místnostech, tak i venku. V budovách by měly být nádoby umístěny ve vzdálenosti nejméně 1 metru od topných zařízení. Při skladování venku je nutné chránit nádoby před přímým slunečním zářením a srážkami, proto se doporučuje umístit nádoby tímto způsobem pod přístřešek. Pokud jsou lahve skladovány v nevytápěné místnosti nebo venku, je v zimě nutné zajistit, aby nádoby neklesly pod minus 40 stupňů Celsia.

• Výhody používání propan-butanových instalací
• Vlastnosti průtokových plynových ohřívačů
• Jaký benzín použít do auta

Oceány absorbují obrovské množství oxidu uhličitého a vědci z MIT vyvinuli způsob, jak tuto látku uvolňovat a zachytávat s využitím mnohem menší energie, než kdyby se zachytávala přímo ze vzduchu.

Vasilij Makarov
Diskutujte o tématu

Extrakce skleníkových plynů z vody zní jako zvláštní nápad. Nezapomeňte však, že oceány jsou největším úložištěm uhlíku na planetě a zachycování uhlíku přímo ze vzduchu s sebou nese některé vážné výzvy: je drahé a energeticky náročné. I ty nejúčinnější technologie zachycování uhlíku ze vzduchu vyžadují podle IEA z roku 2022 přibližně 6,6 gigajoulů energie, neboli 1,83 megawatthodin, na tunu zachyceného oxidu uhličitého.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Většina této energie se nepoužívá k přímému oddělení CO2 od vzduchu; používá se jako teplo k udržení absorbérů na provozních teplotách nebo jako elektřina ke stlačování velkých objemů vzduchu do bodu, kdy lze zachycování provádět efektivně. V každém případě jsou náklady již mimo kontrolu: odhadovaná cena za tunu pro rok 2030 se pohybuje od 300 do 1000 137 dolarů. Podle společnosti Statista v současné době neexistuje na Zemi žádná země, která by byla ochotna zdanit emise uhlíku byť jen polovinou nižšího odhadu; Uruguay, země na prvním místě, je zdaňuje sazbou XNUMX dolarů za tunu. Přímé zachycování ovzduší nebude fungovat jako podnikání, pokud se jeho náklady nesníží.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Ukazuje se, že existuje i jiná možnost: mořská voda. S rostoucí koncentrací uhlíku v atmosféře se v ní začíná rozpouštět oxid uhličitý. Oceán v současnosti absorbuje asi 30–40 % ročních emisí uhlíku lidstva a udržuje si stálou a volnou výměnu se vzduchem. Pokud odsáváte uhlík z mořské vody, bude ze vzduchu odsávat ještě více uhlíku, aby se koncentrace vyrovnaly. Nejlepší na tom je, že mořská voda obsahuje více než 100krát více oxidu uhličitého než vzduch, což znamená, že čisticí účinek by byl docela znatelný.

Předchozí výzkumné skupiny uspěly v oddělení CO2 od mořské vody a jeho zachycení, ale jejich metody vyžadují drahé membrány a neustálý přísun chemikálií pro udržení průběhu reakce. Tým z MIT naopak oznámil úspěšné testování systému, který nepoužívá ani jedno, ani druhé a vyžaduje mnohem méně energie než metody zachycování ze vzduchu.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Jak to funguje

Model závodu na dekarbonizaci oceánů

V novém systému prochází mořská voda dvěma komorami. První využívá reaktivní elektrody k uvolňování protonů do mořské vody, která ji okyseluje přeměnou rozpuštěných anorganických hydrogenuhličitanů na plynný oxid uhličitý, který probublává a je shromažďován pomocí vakua. Voda poté prochází do druhé sady článků s obráceným napětím, které přijímají protony a přeměňují kyselou vodu zpět na zásaditou, než ji vypustí zpět do moře. Periodicky, jakmile se aktivní elektroda vyčerpá o protony, se polarita napětí obrací a stejná reakce pokračuje, zatímco voda proudí opačným směrem.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

V nové studii publikované v recenzovaném časopise Energie a věda o životním prostředíTým uvádí, že jejich metoda vyžaduje energetický vstup 122 kJ/mol, neboli 0,77 MWh na tunu. Vědci jsou si jisti, že mohou dosáhnout ještě větší energetické účinnosti: „Ačkoli je náš základní energetický vstup 122 kJ/mol CO2 rekordně nízký,“ uvádí studie, „stále jej lze výrazně snížit na termodynamický limit 32 kJ/mol/litr CO2.“

Vědci předpovídají, že pokročilý systém by stál přibližně 56 dolarů za tunu zachyceného CO2, ačkoli by bylo nefér srovnávat tuto cenu přímo s přímými náklady na zachycení vzduchu z celého systému. Výzkumníci upozorňují, že tato čísla nezahrnují náklady na vakuové odplyňování, filtraci a „vedlejší náklady mimo elektrochemický systém“, které by bylo nutné analyzovat samostatně. Některé z nákladů by však mohly být potenciálně zmírněny integrací zařízení na zachycování uhlíku s dalšími zařízeními, jako jsou odsolovací zařízení, která již zpracovávají velké objemy mořské vody.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Nový přístup má i další výhody: nárůst ukládání uhlíku v oceánech v posledních letech již způsobil problémy s okyselováním, které ohrožují korálové útesy a měkkýše. Alkalický výstup tohoto procesu, pokud by byl nasměrován tam, kde je potřeba, by mohl pomoci obnovit přirozenou rovnováhu přírody.