СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРОПОСФЕРЫ
METHOD OF COOLING TROPOSPHERE

Настоящее изобретение относится к способу самоинициирующегося охлаждения тропосферы путем обогащения ее галогенсодержащими гигроскопическими аэрозолями. Этот способ основан на введении в тропосферу по меньшей мере одного газообразного или парообразного вещества, выбранного из неорганических соединений хлора и брома.
Для самоинициирующегося разложения в тропосфере тепличных газов диоксида углерода и метана и для образования отражающих облаков с целью охлаждения климата в опубликованных заявках РСТ WO 03/013698 А2 и WO 2008/006364, а также в патентной заявке Германии DE 102009 004281 А1 предлагается модифицировать дымовые газы от процессов сжигания в двигателях или нефтяных горелках при использовании присадок к топливам или добавок, используемых при сжигании, так что эти дымовые газы оказываются обогащенными веществами из группы так называемых защитных веществ и жизненно важных элементов, особенно из группы оксидов железа и/или оксидов титана, а также, возможно, дополнительно с одним из следующих веществ: сульфат, хлорид, диоксид кремния. Отработанные газы, обогащенные этими соединениями, затем подлежат выпусканию в тропосферу с целью обогащения отдельных объемных элементов тропосферы этими веществами.
С научных позиций предлагалось инициировать образование отражающих и благодаря этому охлаждающих облаков путем распыления океанской воды с целью охлаждения климата и увеличения отражающей способности Земли. Аэрозоли из морской соли образуются путем распыления морской воды и действуют как центры конденсации облаков. Хотя аэрозоли из морской соли и могут инициировать образование облаков в атмосфере, однако эти индуцированные облака не относятся к типу облаков с высокой отражательной способностью и потому малоэффективны.
Известные способы, обеспечивающие получение простых солевых аэрозолей, которые состоят из мелких аэрозольных частиц, могут быть осуществлены путем механического впрыскивания, например путем распыления с помощью сопел или путем сверхзвуковых вибраций. Однако аэрозоли этого типа нельзя использовать непосредственно для получения солевых аэрозолей гигроскопических солей, так как образующиеся при этом частицы аэрозоля непригодны для целевого применения: большинство образованных таким образом аэрозольных частиц представляют собой крупные частицы или капельки, которые быстро оседают.
Способ согласно предлагаемому изобретению решает климатическую проблему благодаря использованию неорганических галогенсодержащих веществ. Полностью раскрыты техническое решение и техническая задача обогащения тропосферы климатоохлаждающими галогенидами, образующимися без сжигания.
При осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению газовые потоки, по выбору теплые или холодные газовые потоки, обогащают газообразными или парообразными галогенсодержащими веществами. После этого галогенизированные газовые потоки выпускают в атмосферу. Газ, в котором аэрозоли, полученные согласно предлагаемому способу, или в который аэрозоли, полученные согласно предлагаемому способу, введены, в настоящей заявке называется газом-носителем. При этом имеется в виду, что в общем случае газ-носитель включает также воздух, который пропускают сквозь себя наземные, водные или воздушные транспортные средства при своем перемещении. Это относится также к выхлопным газам, протекающим сквозь транспортное средство или испускающимся таким транспортным средством. Ветер или дымный газ, отработанные газы или сбросной воздух также могут действовать как газ-носитель при осуществлении способа в определенном месте. Примерами этого являются отработанные газы из дымовых труб и дымоходов, а также сбросной воздух из градирен.
Галогенсодержащие вещества, вводимые в газ-носитель, относятся исключительно к галогенизированным соединениям из группы хлора и брома и характеризуются по меньшей мере одним из нижеперечисленных свойств:
- находятся в газообразном состоянии при температуре 20°C,
- находятся в состоянии пара при температуре ниже 500°C,
- давление пара поддается измерению при температуре 50°C.
Кроме того, галогенсодержащие вещества обладают по меньшей мере одним из следующих свойств:
- они гигроскопичны,
- возможно образование гигроскопических или гидролизуемых продуктов реакции с естественно присутствующими в атмосфере или искусственно введенными в атмосферу.
Кроме того, образование и высвобождение галогенсодержащих веществ, используемых в способе согласно предлагаемому изобретению, характеризуются тем, что галогенсодержащие соединения производятся не в сжигающем оборудовании, в котором в качестве окислительных агентов используются кислород или вещества - носители кислорода, или же галогенизированные углеводороды.
Кроме того, способ характеризуется по меньшей мере одной из следующих стадий:
- высвобождение галогенсодержащих веществ в тропосферу путем электролиза соленой воды,
- высвобождение галогенсодержащих веществ в тропосферу с помощью по меньшей мере одной из следующей группы реакций: металлического железа и его сплавов с галогенами, кремния в чистом виде и его сплавов с галогенами и металлического титана и его сплавов с галогенами,
- высвобождение галогенсодержащих веществ в тропосферу с помощью газа-носителя,
- образование галогенсодержащих веществ в свободной тропосфере.
Исследования, проведенные авторами предлагаемого изобретения, показали, что наряду с элементом железо, элемент хлор и элемент бром в подходящем соединении или смеси - это наиболее эффективные элементы с точки зрения охлаждения естественного климата в силу их физического, фотохимического, каталитического и биологического действия: железо в форме солей железа в соединении с хлором в форме хлоридов высвобождает радикалы хлора и радикалы гидроксила в ходе фотофентоновского процесса при солнечном свете в тропосфере, и эти радикалы помимо прочего инициируют окисление метана в тропосфере согласно схематической формуле, показанной на прилагаемом чертеже. За счет фотоокисления хлорида и бромида железо порождает в тропосфере повышенный уровень радикалов хлора, брома и гидроксила. Хлор, бром и хлорид брома, а также галогенные соединения серы сами по себе при освещении высвобождают в тропосферу радикалы галогенов. Эти радикалы снижают уровень активных тепличных газов метана и озона, так же как и один из аэрозолей темного углерода типа сажи и материалов, подобных гуминовым веществам, особенно путем отделения водорода. Отделение водорода - это инициирующая реакция, которая инициирует разложение с помощью кислородной атаки и гидролиза.
Уголь в форме оксилата и в небольших количествах в форме других карбоксилатов активизирует эти процессы. Наряду с железом, размножению и тем самым усвоению зеленого планктона способствует кремний.
Аэрозоли гигроскопических солей трехвалентного железа благодаря повышенной плотности центров конденсации повышают скорость образования облаков повышают отражательную способность облаков и усиливают облачный покров, запуская тем самым эффект дополнительного охлаждения благодаря повышенной отражательной способности облаков. Замедление коагуляции капелек, вызванное вышеупомянутыми аэрозолями солей железа, активизирует в облаках вертикальные течения и стимулирует тем самым образование кристаллов льда. Образование в облаках льда приводит к концентрации замораживания жидкого покрова, образованного из железогалогенидного раствора, который распределен по поверхности кристаллов снега. Упомянутая концентрации замораживания железогалогенидного раствора инициирует дополнительную активизацию охлаждающих активных фотоокислительных процессов.
Наконец, осадки из аэрозолей растворимых солей железа и окислительно связанного кремния как стимулирующих рост редких элементов стимулируют цветение диатомовых водорослей, что способствует превращению усвояемого диоксида углерода в органическую углеродную массу и превращению метаболического диоксида углерода в карбонатную углеродную массу с дополнительным образованием состоящих из кальцита и арагонита раковин, скелетов и оболочек животных, растений и бактерий. При этом возрастает также скорость образования последующих отложений на океанское дно постоянно осаждающегося связанного углерода в форме известняка, метангидрата и керогена.
В силу вышеизложенного помимо элемента железо (Fe) и элементов хлор (Cl) и бром (Br) далее будем считать активными также элементы углерод (C) и кремний (Si), так как они в составе эффективного соединения или состава вносят особый вклад в охлаждение климата.
3
3
2
3
3
2
4
4
2
2
2
2
2
2
2
4
4
3
4
2
3
2
При осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению, который охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, вышеозначенные активные элементы используются в качестве веществ, которые имеют следующие физические свойства: они являются газообразными или имеют точку кипения ниже температуры 500°C, или имеют по меньшей мере давление пара, которое поддается измерению при температуре ниже 500°C и выше 40°C. Предпочтительными для целей предлагаемого изобретения представляются следующие соединения вышеуказанных активных элементов: хлорид трехвалентного железа (FeCl), гексагидрат хлорида трехвалентного железа (FeO×6HO), бромид трехвалентного железа (FeBr), гексагидрат хлорида трехвалентного железа (FeBr×6HO), тетрахлорид кремния (SiCl), тетрабромид кремния (SiBr), бром (Br), хлор (Cl), дихлорид брома (BrCl), дихлорид серы (SCl), дихлорид дисеры (SBr), дибромид серы (SBr), бромид водорода (HBr), хлорид водорода (HCl), хлорид аммония (NHCl), бромид аммония (NHBr), морская соль, оксалилхлорид, оксалилбромид, щавелевая кислота, формилхлорид, муравьиная кислота, оксалат аммония, формиат аммония. Факультативно с целью регулирования pH аэрозолей, содержащих активные элементы, могут использоваться летучие кислоты и основания или летучее основание и предшественники кислот, такие как, например, аммиак (NH), и их водные растворы, карбонат аммония ((NH)CO) и сернистый ангидрит (SO).
3
-4
По меньшей мере один связанный активный элемент, таким образом, находится в одном или большем количестве из следующих состояний: пар, расплав, раствор, дисперсионная система, туман, расплав на твердых носителях и/или твердое вещество на твердых носителях, и при температуре предпочтительно ниже 500°C приведен в контакт с газом-носителем таким образом, что этот активный элемент образует с газом-носителем активный элемент, содержащий газовую смесь. Во всех случаях, когда к газу-носителю добавляется активный элемент железо в виде парообразного галогенида трехвалентного железа, контактная температура предпочтительно выбирается такой, при которой концентрация железа в виде парообразного хлорида трехвалентного железа (FeCl) в сухом газе составляет по меньшей мере 10 масс.% железа по отношению к массе сухого газа. Под контактной температурой здесь понимается температура в той области, где газ-носитель приведен в контакт с хлоридом трехвалентного железа.
Теплые или горячие газы-носители нужны только тогда, когда содержание тепла в газе-носителе должно быть использовано для испарения составов, содержащих активные элементы.
Когда соединения активных элементов добавляются к газу-носителю с самого начала в виде газа, могут быть использованы также и холодные газы-носители.
Концентрация отдельных активных элементов в газе-носителе предпочтительно регулируется добавлением их к газу-носителю. Представляется предпочтительным такое решение, при котором газ-носитель обогащается всеми активными элементами до предварительно заданной концентрации. Затем газ-носитель, обогащенный активными элементами, выпускается в тропосферу. С помощью одного или большего количества следующих процессов: охлаждение, гидролиз или химическая реакция по отношению к по меньшей мере одному активному элементу уже в газе-носителе или после выпускания в тропосферу или только в атмосфере, активные элементы могут переходить из газовой фазы в аэрозольную фазу, частицы или капельки которой могут состоять из одной или большего количества фаз. Последняя может состоять из гидролизованной жидкой фазы, от твердой до жидкой фазы солевого типа или одной только фазы жидкого солевого раствора.
В качестве газа-носителя используется дымовой газ или другой газовый поток. Кроме того, способ согласно предлагаемому изобретению характеризуется тем, что выпуск аэрозоля в тропосферу осуществляется по меньшей мере из одного места, но предпочтительно из нескольких стационарных и/или нескольких передвижных мест. Представляется предпочтительным такое решение, при котором газы, содержащие постоянные активные элементы, такие как, например, хлор, бромид водорода или хлорид водорода, добавляются в газовый поток до того, как они вводятся в тропосферу.
-6
-5
-5
-3
Масса соединения, содержащего активный элемент, и/или концентрация соединения, содержащего активный элемент, в выпускаемом газе-носителе в единицу времени предпочтительно измеряется в соответствии со способом согласно предлагаемому изобретению таким образом, чтобы не нарушались возможные законодательные нормы эмиссии таких газов в соответствующей стране, регионе и/или местности. С этой оговоркой представляется предпочтительным такое решение, при котором концентрация аэрозоля, содержащего активный элемент, измеряется таким образом, чтобы выбранное отношение массы выпускаемого активного элемента к массе носителя составляло по меньшей мере 10, предпочтительно выше 10. Концентрация эмиссии активных элементов в отдаленных местностях при штормовых погодных условиях определенно достигает такой величины, при которой отношение массы выпускаемых активных элементов к массе выпускаемого носителя достигает 10°, но предпочтительно не больше. Предпочтительное значение отношения массы выпускаемых активных элементов к массе выпускаемого газа-носителя находится в диапазоне от 10 до 10.
В случае, когда галогенсодержащие аэрозоли согласно предлагаемому изобретению образованы в газе-носителе или должны быть образованы сразу после введения газа-носителя в тропосферу, отношение масс активных элементов в газе-носителе предпочтительно должно находиться в заданных пределах: доля брома должна быть ниже 1% от содержания хлора в газе-носителе. Содержание хлора должно быть больше, чем содержание железа в газе-носителе. Содержание углерода в форме оксалатов и формиатов меньше, чем содержание железа. В случае, когда в качестве добавки выбран кремний, содержание кремния должно быть тем же, что и содержание железа, или выше, чем содержание железа.
Можно совсем не соблюдать эти массовые отношения в местах введения в тропосферу газа-носителя, когда образование галогенсодержащих солевых аэрозолей происходит в местах, отдаленных от мест введения галогенных компонентов или железосодержащих компонентов или других имеющих отношение к делу компонентов. Задержка убыли галогенов за счет вымывания галогенов из тропосферы аэрозолями, содержащими галогениды железа, является неполной, поэтому содержание галогенидов железосодержащих аэрозолей непрерывно понижается. Равным образом содержание оксалатного углерода понижается при окислительной убыли, и содержание железа или кремния также понижается из-за убыли вследствие вымывания.
Поэтому важный аспект предлагаемого изобретения состоит в том, что для поддержания оптимального содержания аэрозоля и оптимального состава тропосферного аэрозоля, особенно для поддержания железа, галогенов и оксалатов следует:
(а) определить содержание и состав аэрозоля с помощью сети распределенных по земному шару измерительных станций, а также, например, с помощью поддержанных космическими технологиями (спутники) аналитических способов с целью определения расхождения с предварительно заданным целевым составом,
(б) выполнить подходящее введение недостающих компонентов газообразных, парообразных или аэрозольных добавок в тропосферу в соответствии с расхождением с предварительно заданным целевым составом.
Время пребывания тонкодисперсных аэрозолей в тропосфере составляет от месяцев до лет. Поэтому тропосферу можно рассматривать как более или менее перемешанное однородное физико-химическое реакционное пространство.
Введение добавок в тропосферу, таким образом, может осуществляться из любого места. Представляется предпочтительным такое решение, при котором эта операция, как и введение галогенсодержащих аэрозолей, осуществляется с помощью газов-носителей. Предпочтительными с точки зрения компенсации убыли галогенов из тропосферных аэрозолей представляются газообразные и парообразные галогенсодержащие соединения, например хлор, бром, хлорид брома, оксид хлора, оксид брома. Предпочтительными с точки зрения компенсации убыли железа из тропосферных аэрозолей представляются хлорид трехвалентного железа в виде пара и аэрозольных растворов хлорида трехвалентного железа, другие соли железа, а также осаждаемые суспензии гидрата оксида трехвалентного железа и сульфида двухвалентного железа. Предпочтительными с точки зрения компенсации убыли оксалатов из тропосферных аэрозолей представляются парообразные галогенсодержащие соединения, такие как оксалилхлорид, щавелевая кислота, оксалат аммония. Предпочтительными с точки зрения компенсации убыли кремния из тропосферных аэрозолей представляются парообразные галогенсодержащие соединения, такие как тетрахлорид кремния и тетрабромид кремния.
Как показали исследования, проведенные авторами предлагаемого изобретения, диаметр частиц аэрозоля, которые образуются при реализации варианта осуществления способа по предлагаемому изобретению, охарактеризованного в независимом пункте формулы изобретения, значительно меньше 1 мкм при нахождении в воздухе при относительной влажности ниже 30%. При таком размере частиц максимальная продолжительность пребывания таких аэрозолей в атмосфере может составлять больше года. Когда значение pH частиц аэрозоля, содержащих галогены, железо и оксалаты, в контакте с водой ниже pH 4,5 и выше pH 0, тогда аэрозоль проявляет максимальную эффективность с точки зрения образования центров конденсации тропосферного водяного пара. В диапазоне pH от приблизительно 4,5 до приблизительно 2,5 находится также оптимум образования радикалов хлора и радикалов гидроксила в цикле фотофентоновской реакции, как это схематично иллюстрируется формулой на прилагаемом чертеже.
Введение активного элемента в газ-носитель, который поступает с ним в тропосферу, осуществляется согласно предпочтительному варианту осуществления процесса согласно предлагаемому изобретению, который охарактеризован в первом независимом пункте формулы предлагаемого изобретения следующим образом.
3
4
3
2
4
4
2
Наиболее эффективный и поэтому предпочтительный вариант получения тонких частиц аэрозоля, содержащих соединения активных элементов, согласно предлагаемому изобретению состоит во введении соединений активных элементов в газ-носитель таким образом, что сначала осуществляется добавление их к газу-носителю в полностью парообразном физическом состоянии или введение их в газ-носитель в виде газа. Таким образом в газ-носитель могут быть введены все активные ингредиенты: железо - предпочтительно в виде хлорида трехвалентного железа (FeCl), кремний - предпочтительно в виде тетрахлорида кремния (SiCl), хлор - предпочтительно в виде хлорида трехвалентного железа (FeCl), молекулярного хлора (Cl), хлорида брома (BrCl) или тетрахлорида кремния (SiCl), бром - предпочтительно в виде тетрабромида кремния (SiBr), молекулярного брома (Br) или хлорида брома (BrCl) и углерод - предпочтительно в виде оксалилхлорида, щавелевой кислоты или оксалата аммония.
Введение активных элементов хлора и брома может осуществляться также в виде галидов водорода или в виде других неорганических летучих соединений, например в виде галогенидов серы. Представляется предпочтительным такое решение, при котором введение соединений активных элементов в газ-носитель осуществляется путем контролируемого переноса соединения активного элемента в газовую фазу и высвобождения полученной газовой фазы, содержащей активные элементы, в газ-носитель. Испарение соединений активных элементов, которые хранятся в соответствующих контейнерах в виде жидкостей, растворов, расплавов или твердых веществ, может осуществляться, например, с помощью электрических нагревательных элементов или индуктивным контролируемым образом с испарением заданного количества (массы) в единицу времени, после чего полученный пар, содержащий активные элементы, может вводиться в поток газа-носителя. Особенно предпочтительным представляется такое решение, при котором применяется электролиз солевых растворов как средство для генерирования газообразных молекулярных галогенов и хлорида брома.
Еще одним предпочтительным способом приведения составов, содержащих активные элементы, в контакт с газом-носителем является способ фитиля. Он может быть использован, когда есть в наличии горячий газ-носитель, например отработанный газ от процесса сжигания. Для этого через составы, содержащие активные элементы, содержащиеся в соответствующих контейнерах в виде жидкостей или расплавов, пропускается шнур, выполняющий роль фитиля, этот шнур смазывается соответствующей жидкостью, после чего приводится в контакт с газом-носителем, в результате которого происходит полное испарение налипшего на шнур состава, содержащего активные элементы. Еще один предпочтительный вариант состоит в пропускании соответствующим образом дозируемых газовых потоков через соответствующие контейнеры, в которых в виде жидкостей, растворов, расплавов или нагретых твердых веществ хранятся составы, содержащие активные элементы. Дозированные газовые потоки при этом насыщаются соответствующим составом, содержащим активные элементы при заданной температуре, после чего вводятся в поток газа-носителя. Например, щавелевая кислота тоже может быть введена в фитиль в виде раствора в муравьиной кислоте и/или воде.
3
4
4
Следует заметить, что такие предпочтительные для целей предлагаемого изобретения соединения, как хлорид трехвалентного железа (FeCl), тетрахлорид кремния (SiCl), тетрабромид кремния (SiBr), оксалилхлорид, щавелевая кислота, водный раствор щавелевой кислоты и муравьиная кислота представляют собой жидкости с высококоррозионными свойствами, особенно при высоких температурах. Подходящими для контакта с горячими составами, содержащими активные элементы, являются, например, керамические материалы, стекло, эмаль, а также специальные стали, подходящими фитильными материалами являются, например, стеклянные или керамические волокна. Помимо вышеупомянутых материалов при соответствующей более низкой температурной нагрузке возможно также использование коррозионно-стойких пластмасс, например полиолефинов, поливинилхлорида и тефлона.
3
4
4
3
2
4
В конце процесса после ввода газа-носителя в атмосферу, где он, возможно, охлаждается, происходит гидролизация хлорида трехвалентного железа (FeCl), тетрахлорида кремния (SiCl) и тетрахлорида брома (SiBr) с образованием таких соединений, как гексагидрат хлорида трехвалентного железа (FeCl×6HO), гидроксид кремния (Si(OH)), хлорид водорода (HCl) и бромид водорода (HBr). Особо предпочтительные значения pH аэрозоля приходятся на слегка кислотный диапазон от pH 2 до pH 4,5, которое при необходимости может быть отрегулировано путем добавления газообразного аммиака.
Галогены, добавляемые в молекулярном виде, подвергаются фотолитическому расщеплению на радикалы только после того, как они введены в тропосферу. Затем они под действием восстанавливающих атмосферных компонентов восстанавливаются до галидов водорода, а затем снова окисляются до радикалов галогенов под действием аэрозолей, содержащих соли железа.
Для восполнения убыли галогенидов при фотолитическом отрыве радикалов галогенов от содержащих галогениды солей железа, представляется предпочтительным решение, состоящее в обогащении тропосферы галогенами с целью уравновешивания убыли галогенов аэрозолей солей железа. Наилучшим образом это достигается добавлением газообразных галогенов. Особо предпочтительным представляется использование для этой цели электролиза морской воды. Электролиз морской воды может осуществляться особо эффективно с точки зрения экономии энергии и воздействия на климат: во время электролиза морской воды происходит образование продуктов (а), (б) и (в).
Продукт (а) состоит из хлора, брома и хлорида брома в виде газопаровой смеси, которая с помощью потока подходящего газа-носителя выносится в тропосферу с целью восполнения убыли галогенов аэрозолей солей железа. Сначала под действием солнечного света галогены в тропосфере вступают в химические реакции с метаном с образованием галидов водорода и диоксида углерода. Затем галиды водорода образуют галиды с железом аэрозолей.
Продукт (б) представляет собой рассол, который содержит гидроксиды щелочных металлов и карбонаты щелочных металлов в виде жидкого водного раствора. Представляется предпочтительным такое решение, при котором этот раствор вводится в океан и там способствует осаждению углекислоты, которая в избытке присутствует в морской воде в форме карбонатов щелочноземельных металлов. Осажденные карбонаты щелочноземельных металлов осаждаются на океанское дно и остаются там в виде известняковых и доломитных осадков.
Продукт (в) представляет собой газообразный водород. Представляется предпочтительным такое решение, при котором этот водород вводится в топливный элемент. В топливном элементе при реакции водорода с кислородом или воздухом происходит образование воды с генерированием при этом электрической энергии. Эта электрическая энергия может поставляться на рынок электрической энергии или же может быть использована для электролиза морской воды.
Кроме того, образующийся в процессе электролиза водород может сжигаться для получения тепловой энергии. Эта тепловая энергия может использоваться для предварительного нагревания реакторов, в которых происходит образование добавляемых к потоку газа-носителя галогенсодержащих составов из производимых в процессе электролиза галогенов в соответствии со способом согласно предлагаемому изобретению. Представляется предпочтительным использование таких галогенсодержащих веществ, как галогениды трехвалентного железа, тетрагалогениды кремния и галогениды серы. Для получения соответствующего продукта представляется предпочтительным такое решение, при котором по меньшей мере один из унитарных твердых продуктов, выбранных из следующей группы: железный лом, титановый лом, сульфид железа, силикат железа, силикат титана, кремний, подвергают предварительному нагреванию либо каждый отдельно, либо несколько из них в комбинации в реакторе до температуры предпочтительно в диапазоне от 400°C до 650°C, после чего через соответствующий реактор при указанном температурном диапазоне пропускают получаемый в результате электролиза газообразный хлор. Упомянутые галогениды при этом образуются в экзотермической реакции в виде пара, который может добавляться непосредственно к газу-носителю в соответствии со способом согласно предлагаемому изобретению. Представляется предпочтительным такое решение, при котором введение газообразного хлора дозируется таким образом, чтобы получаемый галогенидный пар все же содержал некоторое количество непрореагировавшего газообразного хлора. В качестве стартового соединения для получения пара галогенидов серы пригоден также расплав серы, в который инжектируют газообразный хлор.
Менее предпочтительным с точки зрения механического введения аэрозолей, содержащих активные элементы, в газ-носитель является такой вариант способа согласно предлагаемому изобретению, при котором переход галогенсодержащих соединений в газообразную фазу является неполным или не происходит совсем или при котором эти неиспаренные соединения железа переходят в аэрозоли, которые должны превратиться в соли галогенов только в свободной тропосфере. Тем не менее этот вариант должен быть описан здесь, так как он является подходящим для введения промышленных побочных продуктов, таких как осаждающиеся тонкие частицы шлама гидроксида железа в установках по пиклеванию или в установках по водоподготовке, а также таких как сульфид водорода, осаждающийся в виде шлама сульфидов железа при десульфуризации газов из растворов солей двухвалентного железа из железного рассола и из продукта диоксида титана для успешного использования в объеме способа согласно предлагаемому изобретению.
Образование аэрозолей при этом происходит за счет интенсивного распыления водного раствора или водной дисперсионной системы, при этом представляется предпочтительным, чтобы содержание в газе-носителе единичного остатка после испарения было ниже 20 масс.%. При этом активный элемент железо присутствует в одной или более фазах растворенного хлорида трехвалентного железа, растворенного бромида трехвалентного железа, растворенного хлорида двухвалентного железа, растворенного бромида двухвалентного железа, сульфата двухвалентного железа, смешанного сульфата аммония и двухвалентного железа, суспендированного гидроксида трехвалентного железа, суспендированного сульфида двухвалентного железа.
Для механического получения аэрозолей могут использоваться такие сами по себе известные способы, как распыление с помощью сжатого воздуха, распыление одного соединения под давлением с помощью сопла, распыление двух соединений под давлением с помощью сопла, пульверизаторное распыление, механическое распыление, распыление с помощью вращающегося диска, распыление через сопло или распыление с помощью вибраций в ультразвуковом частотном диапазоне. Представляющаяся предпочтительной концентрация остатка после испарения в подлежащем распылению солевом растворе находится в диапазоне от 0,01% до 20%. Особенно пригодными являются такие значения концентрации остатка после испарения в подлежащей распылению жидкости, которые находятся в диапазоне от 0,5% до 10%. Когда возможно посредством подходящих способов получать особо тонко распыленные капельки, например, с помощью ультразвукового распыления или с помощью газовых потоков, протекающих с особо высокой скоростью при использовании соплового распыления двух веществ по принципу струйного насоса, когда они используются в качестве газов-носителей, например, в струе выхлопных газов реактивных двигателей, достаточно мелкие частицы могут быть получены даже с концентрациями осадка после испарения в подлежащих распылению жидкостях до 20%.
Наконец, можно также комбинировать варианты способа, при котором газ-носитель обогащается водными аэрозолями, а также реакционными газами или парами.
2
2
4
4
Подходящими для использования в способе согласно предлагаемому изобретению являются также газы-носители, которые уже обогащены солевыми аэрозолями, аэрозолями галидами водорода или также аэрозолями халькогенида железа. Таким образом, например, поток газа-носителя, содержащего солевые аэрозоли, который был получен путем распыления морской воды как источника галогенов, в соответствии с предлагаемым изобретением может быть обогащен аэрозолем, который содержит по меньшей мере один из следующих компонентов: соль железа, сульфид железа, гидроксид железа и кремниевая кислота. Для газов-носителей, которые уже обогащены аэрозолями свободной от галогенов соли железа или халькогенида, подходит одно или большее количество веществ из следующей группы: хлор (Cl), бром (Br), хлорид брома (BrCl), хлорид водорода (HCl), бромид водорода (HBr), тетрахлорид кремния (SiCl), тетрабромид кремния (SiBr), оксалилхлорид, щавелевая кислота и муравьиная кислота, так как продукты их кислотного гидролиза и/или окислительный потенциал являются подходящими для превращения свободных от галогенидов аэрозолей, по меньшей мере частично, в хлориды железа.
Одним из особых преимуществ этого нового способа является возможность образования отражающих облаков и то, что фотолитическое разложение тепличных газов метана и озона начинается немедленно после введения в тропосферу газа, пара и/или аэрозоля, содержащего галогены, галоген иды и/или соли железа.
Щавелевая кислота и ее соли присутствуют в атмосфере как естественные продукты окисления выбрасываемых в нее органических веществ в повышенной по сравнению с остальными органическими веществами концентрации, так что нет абсолютной необходимости в том, чтобы добавлять эти вещества к аэрозолям, получаемым согласно предлагаемому изобретению. Однако превращение щавелевой кислоты действует благотворно на образование желаемых радикалов. Кроме того, результатом повышения в тропосфере содержания хлорида и бромида является повышение доли аэрозолей, содержащих соли железа в виде галогенидов. Хлорид обеспечивает защиту от окисления оксалатов в цикле фотофентоновского окисления, поскольку перенос электронов от хлоридов к железу в цикле фотофентоновского окисления преобладает над переносом электронов от оксалатов к железу (см. формулу, схематично показанную на прилагаемом чертеже).
Представляется предпочтительным такое решение, при котором поток газа-носителя, вместе с которым выбрасывается содержащий соли железа аэрозоль, - это воздушный поток или поток отработанных газов, который предпочтительно выпускается в атмосферу преимущественно в вертикальном направлении с поверхности земли из башенных труб, с кораблей или плавучих платформ, когда этот поток является теплым или горячим. Предпочтительным представляется такое решение, при котором аэрозоль, содержащий соли железа, также выпускается или выбрасывается в тропосферу с самолетов, наполненных горячим воздухом воздушных шаров или дирижаблей вместе с отработанными газами. К числу предпочтительных устройств по выбросу таких аэрозолей относятся также ветротурбинные установки, особенно концы лопастей турбин, где дует ветер. При надлежащем управлении способ согласно предлагаемому изобретению активизируется только тогда, когда скорость ветра достигает минимум 20 км/час, и, возможно, когда направление ветра является допустимым для данной местности. Представляется предпочтительным такое решение, при котором дозирование количества аэрозоля или предшественника аэрозоля в такой местности выбирается в зависимости от скорости ветра.
Особенно подходящими солями железа, содержащимися в растворах, из которых механическими способами могут быть получены аэрозоли, являются оксалаты, хлориды, бромиды, нитраты, сульфаты, роданиды, аммоний-сульфаты трехвалентного и/или двухвалентного железа.
Особенно подходящими хлоридами, содержащимися в растворах, из которых механическими способами могут быть получены аэрозоли, являются хлориды железа, натрия, аммония, кальция и магния.
Особенно подходящими бромидами, содержащимися в растворах, из которых механическими способами могут быть получены аэрозоли, являются бромиды железа, натрия, аммония, кальция и магния.
Особенно подходящими сульфатами и кислыми сульфатами, содержащимися в растворах, из которых механическими способами могут быть получены аэрозоли, являются сульфаты и кислые сульфаты железа, натрия, аммония, железа и аммония, алюминия и магния.
Особенно подходящей карбоновой кислотой, включаемой в некоторые растворы, из которых механическими способами могут быть получены аэрозоли, является щавелевая кислота. Ее соли и комплексы с железом и ее натриевая и аммониевая соли являются подходящими компонентами для аэрозолей.
Было установлено, что частицы аэрозоля в том случае имеют оптимальный эффект как формирователи обладающих высокой отражающей способностью долгоживущих облаков, а также высокую степень эффективности с точки зрения дегидратации тропосферного метана, когда образование льда концентрированного водного раствора частиц аэрозоля происходит при температурах, которые как можно ниже 0°C. Было установлено, что эти обеспечивающие преимущества свойства частиц аэрозоля могут быть обеспечены при следующих условиях:
- частицы аэрозоля особенно гигроскопичны, и
- значение pH распыленного солевого раствора находится в диапазоне от pH 4,5 до pH 0.
Ниже приводятся предпочтительные пропорции элементов железо, хлор, сера, оксалатный углерод и бром без учета содержания воды и других компонентов в составе выпускаемых аэрозолей и независимо от того, происходят ли они из газа, пара или дыма:
железо
5% или выше,
хлор + сера + оксалатный углерод + кремний
90% или ниже,
бром
5% или ниже.
Далее приводятся примеры составов, которые удовлетворяют вышеприведенным требованиям и из которых могут быть получены водные растворы или суспензии, подходящие для образования аэрозолей, которые могут быть получены механическим распылением.
Иллюстративный пример 1:
Хлорид трехвалентного железа
1 массовая часть
Бромид трехвалентного железа
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,1 массовой части
Иллюстративный пример 2:
Хлорид двухвалентного железа
1 массовая часть
Бромид двухвалентного железа
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,05 массовой части
Иллюстративный пример 3:
Морская соль
1 массовая часть
Сульфат трехвалентного железа
0,1 массовой части
Оксалат аммония
0,05 массовой части
Иллюстративный пример 4:
Морская соль
1 массовая часть
Нитрат трехвалентного железа
0,1 массовой части
Оксалат аммония
0,05 массовой части
Иллюстративный пример 5:
Морская соль
1 массовая часть
Сульфат двухвалентного железа
0,1 массовой части
Хлорид водорода
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,05 массовой части
Иллюстративный пример 6:
Морская соль
1 массовая часть
Аммоний-сульфат трехвалентного железа
0,1 массовой части
Хлорид водорода
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,05 массовой части
Иллюстративный пример 7:
Морская соль
1 массовая часть
Сульфид железа
0,2 массовой части
Хлорид водорода
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,1 массовой части
Иллюстративный пример 8:
Морская соль
1 массовая часть
Гидроксид железа
0,2 массовой части
Сера
0,1 массовой части
Хлорид водорода
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,1 массовой части
Иллюстративный пример 9:
Морская соль
1 массовая часть
Хлорид трехвалентного железа
0,2 массовой части
Сера
0,1 массовой части
Гелеобразная кремниевая кислота в пересчете на SiO<sub>2</sub>
0,01 массовой части
Оксалат аммония
0,1 массовой части
Составы согласно Иллюстративным примерам 1 и 2 являются предпочтительными для введения аэрозолей согласно предлагаемому изобретению вместе с потоками газа-носителя из базирующихся на земной поверхности установок, предпочтительно с помощью источников выбросов в атмосферу теплых дымных газов, теплого отработанного воздуха и потоков отработанных газов. Представляется предпочтительным такое решение, при котором используемые газы-носители содержат диоксид серы, который быстро абсорбируется при контакте с аэрозолем согласно предлагаемому изобретению и кислородом воздуха с образованием сульфата и кислого сульфата. Над городами, в которых имеются такие установки, через которые осуществляются выбросы, диоксид серы во многих случаях присутствует в количествах, достаточных для обеспечения обогащения аэрозоля согласно предлагаемому изобретению, при этом особенно предпочтительными представляется кислый сульфат. Образование кислого сульфата обеспечивает желаемый гигроскопический эффект аэрозолей даже в тех случаях, когда потеря галогенидных компонентов из-за фотохимического окисления на соли железа до жидких галогенидных радикалов завершена, и они поэтому сами не содержат еще каких-либо гигроскопических солевых компонентов, таких как, например, в составе согласно Примеру 2. Соли трехвалентного железа, содержащиеся в составе согласно Примеру 1, уже по своей природе гигроскопичны.
Составы согласно Примерам 1 и 2 предпочтительны для эмиссии аэрозолей согласно предлагаемому изобретению с транспортными газовыми потоками от летучих эмиссионных устройств, предпочтительно с помощью источников эмиссии выхлопных газов реактивных турбин самолетов коммерческих авиалиний. Эти транспортные газы содержат также диоксид серы, содержание которого в транспортном газе может быть просто увеличено путем повышения содержания серы в керосиновом топливе. Поэтому солевой аэрозоль согласно предлагаемому изобретению может быть обогащен сульфатом водорода до такой степени, что солевой аэрозоль приобретает обеспечивающие преимущество гигроскопичные свойства.
Аэрозоли, эмитированные от стационарных конструкций в океане или от движущихся судов, предпочтительно продуцируются путем распыления морской воды, к которой в дополнение к ее натуральному солевому содержанию, составляющему 3,5% и ниже, добавлены только железо и/или карбоксилат. Примером этого являются составы 3-5. Однако для значительного подавления гидролиза солей трехвалентного железа до гидроксида трехвалентного железа представляется предпочтительным также добавление диоксида серы.
Составы 8 и 9 являются примерами суспензий, из которых могут быть получены солевые аэрозоли согласно предлагаемому изобретению.
Аэрозоли, получаемые из газов или паров, образуются исключительно из газообразных или испаренных предшественников солей. За исключением раствора тетрабромида кремния в тетрахлориде кремния эти соединения предпочтительно не испаряются из общего раствора по причине низкой взаимной растворимости тетрахлорида кремния и хлорида трехвалентного железа, а также по причине химической реакции с твердыми осадками между тетрахлоридом кремния и оксалиновой кислотой или муравьиной кислотой. Окасалилхлорид, формилхлорид, тетрахлорид кремния и тетрабромид кремния характеризуются достаточной взаимной растворимостью, так что эти соединения могут быть испарены даже из общего раствора.
2
По понижению в тропосфере уровней метана и диоксида углерода (CO) по причине содержания в вулканическом пепле от извержения Пинатубо в 1991 году железа, а именно хлорида железа, бромида железа и сульфата железа, магнитуда скорости разложения тепличных газов под действием аэрозолей солей железа может быть грубо оценена с учетом следующих факторов:
- существенно более высокая реакционная способность аэрозолей чистых солей железа, продуцируемых согласно предлагаемому изобретению, по сравнению с природным вулканическим пеплом, в котором содержание солей железа ниже,
- время пребывания в атмосфере аэрозолей солей железа, продуцируемых согласно предлагаемому изобретению, в несколько раз больше, чем у более пористого вулканического пепла, и
- мелкопузырьковая стеклянная структура, относительно непрозрачная для солнечного света из-за присутствия сопутствующих темных минералов, и их большая внутренняя поверхность, специфическое разложение метана продуцируемыми согласно предлагаемому изобретению аэрозолями галогенидов железа во много раз выше, чем у вулканического пепла. Согласно этому расчету один килограмм железа в аэрозолях галогенидов железа способен разложить около 10 тонн метана и 60 тонн диоксида углерода путем фотолитически индуцированного окисления и стимуляции размножения фитопланктона.
2
Масса тепличных газов, ежегодно попадающих в мировом масштабе в атмосферу в результате человеческой деятельности, составляет около 25 миллиардов тонн в CO-эквиваленте. Легко производимая промышленностью глобальная ежегодная эмиссия 100 тысяч тонн железа в виде аэрозолей галогенидов железа согласно этому расчету достаточна для разложения этой массы парниковых газов для устранения эффекта потенциала глобального потепления GWP (аббревиатура от global warming potential - потенциал глобального потепления) от парниковых газов антропогенного происхождения.
В этом консервативном расчете не учтены эффекты дополнительного охлаждения, возникающие от разложения дополнительных парниковых факторов, а именно:
- удаление тропосферных уровней озона, сажи и диоксида углерода с помощью химических реакций с эмиссиями брома, хлора и железа согласно предлагаемому изобретению,
- повышение глобального отражения солнечного света, физически вызываемого эмиссиями брома, хлора и железа согласно предлагаемому изобретению.
Поэтому следует ожидать, что годичная массовая нагрузка, требуемая для обращения вспять тенденции к потеплению тропосферы, существенно меньше чем 100 тысяч тонн железа в виде аэрозолей солей железа.
Время, в течение которого галогенидный аэрозоль, содержащий активный элемент, должен поддерживаться в тропосфере согласно предлагаемому изобретению, и/или требуемая годичная массовая нагрузка галогенидов железа могут быть оценены с помощью разных приемов. Одна из возможностей оценки заключается в выполнении удаления с помощью солевого аэрозоля, содержащего активный элемент, предварительно определенной массы по меньшей мере одного парникового газа из следующей группы: метан, диоксид углерода, моноксид углерода, озон. Этот прием применим для выдачи так называемых сертификатов эмиссии парниковых газов при осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению.
Еще одна возможность измерения массы содержащего активный элемент аэрозоля, которая должна быть эмитирована, заключается в согласованном и непосредственном выполнении глобальных климатических целей. Способ согласно предлагаемому изобретению предпочтительно осуществляется на нескольких единицах оборудования для производства и эмиссии галогенидного аэрозоля и/или веществ-предшественников. Это оборудование первоначально приводится в действие на неопределенное время. Предпочтительным представляется такое решение, при котором железо, эмитируемое с железосодержащими солевыми аэрозолями, производимыми на упомянутом оборудовании, первоначально предварительно устанавливается на период времени два года в количестве 100 тысяч тонн в год. В течение этих двух лет, пока осуществляется эмиссия упомянутого аэрозоля в атмосферу, за ходом следующих параметров, относящихся к тропосферному и океаническому климату, следят с помощью уже имеющихся глобальных измерительных станций:
- уменьшение, постоянный уровень, медленное нарастание или недемпфируемое повышение среднегодовой температуры (тропосфера),
- уменьшение, постоянный уровень, ослабевающее повышение или недемпфируемое повышение содержания метана (тропосфера),
- уменьшение или постоянный уровень содержания диоксида углерода (тропосфера),
- уменьшение, постоянный уровень или недемпфируемое повышение содержания моноксида углерода (тропосфера),
- уменьшение, постоянный уровень, ослабевающее повышение или недемпфируемое повышение содержания моноксида углерода (тропосфера),
- уменьшение, постоянный уровень, ослабевающее повышение или недемпфируемое повышение содержания темных частиц углерода (аэрозоли, богатые сажей и углеродом типа гумусовых веществ) (тропосфера, уменьшение или постоянный уровень содержания озона (тропосфера),
- повышение или постоянный уровень содержания хлора (тропосфера),
- повышение или постоянный уровень содержания активного элемента брома (тропосфера),
- повышение или постоянный уровень глобального отражения облаков как результат постоянной или увеличивающейся облачности (тропосфера),
- повышение или постоянный уровень глобального отражения облаков как результат постоянного или повышающегося специфического отражения облаков (тропосфера),
- повышение или постоянный уровень содержания хлорофилла в мировом океане (океан).
Эти параметры служат для контроля состава тропосферы и в то же самое время для регулирования постоянно эмитируемого во всемирном масштабе железа через два года, в течение которых эмиссия железа ограничивалась до 100 тысяч тонн в год. Если содержание метана и содержание диоксида углерода находятся на постоянном уровне, то эмиссия железа в количестве 100 тысяч тонн в год может поддерживаться в течение следующего двухгодичного периода. Если содержание метана и содержание диоксида углерода понижаются, то эмиссия железа на следующие два года в зависимости от крутизны кривой понижения уменьшается до величины в пределах 50-90 тысяч тонн в год. Если содержание метана и содержание диоксида углерода остаются повышающимися, то эмиссия железа на следующие два года в зависимости от крутизны кривой повышения увеличивается до величины в пределах 250-400 тысяч тонн в год.
Так делают до тех пор, пока величины годичной эмиссии железа и климатических параметров установятся на приемлемом для всех равновесном уровне.
При осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению более эффективно понижается парниковый потенциал метана, нежели парниковый потенциал диоксида углерода, поэтому параллельно с осуществлением способа согласно предлагаемому изобретению преимущество обеспечивается таким решением, при котором для разложения диоксида углерода осуществляют один или большее количество известных способов, обеспечивающих устойчивый эффект, например способ Терра-Прета.
Особое преимущество обеспечивается при таком решении, когда уже запатентованный способ производства оксидных аэрозолей, основанный на технологии сжигания, для охлаждения тропосферы согласно публикациям РСТ, включая международные публикации WO 03/013698 А2 и WO 2008/006364, а также патентной заявки Германии №102009004281 А1, комбинируют со способом, являющимся предметом настоящей патентной заявки.
Преимущество применения способа согласно предлагаемому изобретению может быть обеспечено при таком решении, когда используются ветроэнергетические установки в открытом море. Избыточная электрическая энергия, которая генерируется ветроэнергетическими установками в открытом море во время протяженных ветровых полей или вообще в течение ночи, может использоваться для электролиза морской воды. Получающиеся в результате процесса электролиза бромсодержащие хлоргазы могут затем быть эмитированы непосредственно в тропосферу. Они действуют, в частности, в кооперации с аэрозолями тропосферных солей железа, получаемых при осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению в тропосфере для понижения содержания метана и разложения озона.
Однако особое преимущество обеспечивается при таком решении, когда осуществляется как можно более скорая трансформация активных элементов в тропосфере, или же, что даже лучше, в потоке газа-носителя, в предпочтительный вид гигроскопичных солевых аэрозолей, после чего разложение парниковых газов имеет место одновременно с образованием отражающих облаков. Поэтому представляется предпочтительным такое решение, при котором используют галогены, получаемые с помощью электролиза или других известных химических процессов непосредственно для образования железосодержащих и галогенсодержащих газов с последующей эмиссией их в тропосферу. Это происходит согласно общеизвестному процессу образования хлорида трехвалентного железа из хлора и нагретого металлического железа и/или тетрахлорида кремния из хлора и нагретого элементарного кремния. Эти процессы являются в высшей степени экзотермическими, так что хлорид трехвалентного железа и тетрахлорид кремния могут производиться в газообразном виде без дальнейшего подвода тепла и затем по отдельности или вместе добавляться к газу-носителю.