Химические процессы в возобновляемых источниках энергии

мальные структурные изменения и скорость химических реакций (эффект Хедвалла).

Таким образом, многие твердофазные превращения и реакции контролируются и определяются, в основном, процессами структурообразования. В связи с этим на первый план выходят вопросы структурной кинетики и динамики, позволяющие более точно определить причинно-следственные связи при осуществлении твердофазных процессов. Направленно варьируя условия формирования и использования материала, можно изменять его структурную стабильность и тем самым влиять на процессы твердофазного взаимодействия, физико-химические и физико-механические свойства конечного продукта.

Литература

1. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М., 1978.

2. Евтушенко Е.И. Активационные процессы в технологии строительных материалов. Белгород, 2003.

3. Евтушенко Е.И. Дефектность структуры и свойства силикатных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №8. С. 16-20.

4. Орлов А.И. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М., 1983.

В настоящее время находят всё большее применение нетрадиционные способы получения энергии. В отличие от традиционной энергетики, использующей органическое топливо и загрязняющей атмосферу выбросами и водоёмы сбросами, нетрадиционная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является экологически чистой и безвредной для человека и окружающей природной среды [1, 2]. Наибольший интерес в исследовании химических процессов представляют следующие способы получения энергии.

Энергия биомассы. В основе использования лежат процессы фотосинтеза и преобразования биологической энергии. Необходимым условием осуществления фотосинтеза является подвод световой энергии к растению, а именно к содержащемуся в нём хлорофилу, который, поглощая энергию всего видимого спектра солнечного излучения, активизируется и передаёт

5. Пинчук Л.С., Струк В А, Мышкин Н.К., Свириденок А.И. Материаловедение и конструкционные материалы. Минск, 1989. С. 116-117.

6. Минько Н.И., Евтушенко Е.И., Михальчук И.Н. Неравновесные дефекты в стекле и их роль в процессах кристаллизации // Стекло и керамика. 2001. № 1. С. 12-16.

7. Ботаки А.А., Воробьев А.А., Ульянов В.Л. Радиационная физика ионных кристаллов. М., 1980.

8. Соловьева А.Б., Стрелецкий А.Н., Тимашев С.Ф., Колбанев И.В., Ляпунова М.А. Механохимическая реакция сульфата аммония с оксидом кальция // Журн. физ. химии. 1996. Т. 70. № 7. С. 1206-1211.

9. Скаков Ю.А. Высокоэнергетическая холодная пластическая деформация, диффузия и механохимический синтез // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 4. С. 3-12.

10. Попова С.В., Бражкин В.В., Волошин Р.Н., Грим-сдич М. Твердофазная аморфизация стишовита при нагревании // УФН. Т. 172. № 4. С. 486-488.

11. Van Hoek Edgar., Winter Rudolf. Amorphous silica and the intergranular structure of nanocrystalline silica // 19 inter. Congress on Glass, Edinburgh, 2001. Vol. 2: Extended Abstracts. Sheffield: Soc. Glass echnol. 2001. P. B2/13-B2/14.

12. Третьяков Ю.Д. Керамика в прошлом, настоящем и будущем // Соросовский образовательный журн. 1998. № 6. С. 53-59.

13. СеменовН.Н. Цепные реакции. М., 1986.

14. Архаров В. И. Мезоскопические явления в твердых телах и их мезоструктура // Проблемы современной физики. Л., 1980. С. 357-382.

20 декабря 2004 г.

свою энергию воде. Вода в результате этого выделяет атом водорода для реакции с СО2, реакция идёт по схеме:

хлорофил + п СО2 + п Н2О + рсвет ^ ^ хлорофил + п (СН2О) + п О2.

Кислород поступает в атмосферу, а образующееся углеводородное соединение п (СН2О), где п - число атомов углерода в соединении, идёт на построение других органических веществ - жиров, белков и углеводов, составляющих органическое вещество биомассы. При окислении биомассы или продуктов её переработки выделяется тепловая энергия, эквивалентная поглощенной ею в процессе фотосинтеза световой энергии.

Источниками биомассы являются городские отходы - твердые и жидкие; отходы сельского и лесного хозяйства - растительные остатки, отходы животно-

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

УДК 621.311

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ

© 2005 г. Н.В. Фёдорова, А.М. Коломийцева

водства, отходы промышленности, леса, водоросли. Таким образом, при сжигании биомассы происходит утилизация бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов.

Один из способов получения энергии из биомассы -термохимическая обработка. Основу термохимической обработки составляет пиролиз - термическое разложение органической массы отходов при её нагревании. Процесс пиролиза осуществляется в газификаторе. Газификатор - это печь в виде вертикальной шахты. Сырьё движется вниз по печи под действием собственного веса и последовательно проходит все стадии технологического процесса: нагрев и сушку в зоне I, удаление летучих фракций побочных продуктов пиролиза во II зоне, пиролиз в III зоне, восстановительные реакции в IV зоне, окислительные реакции в V зоне и накопление шлака в нижней VI зоне. В зоне пиролиза III сырьё разлагается на твёрдую часть -углеродистое вещество, газы СО, СО2, Н2, Н2О, СН4, QS, С4Б, С5Н и низко- и среднемолекулярные органические жидкости и кислоты. В результате термохимической обработки биомассы получают топливный газ, жидкое пиротопливо и твёрдое топливо - углеродистое вещество. Общий энергетический КПД газификации составляет 50.. .70 %.

Анаэробная ферментация представляет собой микробиологический процесс разложения сложных органических веществ без доступа воздуха. При ферментации происходит превращение углеводородов (брожение) и белков (гниение) в биогаз - смесь метана СН4 (до 60.70 %), диоксида углерода СО2, азота N2, водорода Н2 и кислорода О2 (вместе - 0,4.6 %), и образуется стабилизированный осадок исходной биомассы. Полученный биогаз обладает высокой удельной теплотой сгорания, равной 17.21 МДж/м3 и является высококалорийным, удобным для практического использования топливом, а стабилизированный осадок - хорошим органическим удобрением. В процессе ферментации биомасса теряет неприятный запах, сухие твёрдые отходы становятся менее привлекательными для грызунов, а главное, при этом погибает патогенная микрофлора. Таким образом при анаэробной ферментации решаются и энергетические, и экологические вопросы, в том числе и проблема складирования и хранения отходов.

Кроме метановой ферментации, известно также спиртовое анаэробное брожение биомассы. Конечным продуктом этого процесса является получение этанола (этилового спирта) С2Н5ОН. Для пищевых целей этанол производится с давних времён. В последнее время этанол стал рассматриваться и как жидкое топливо.

Существуют различные биологические методы производства этанола. Один из них предполагает сначала перевод углеводов в глюкозу, а затем, путём анаэробной ферментации, превращения её в этанол; второй, кислотный метод, состоит в том, что сырьё для получения этанола - целлюлозу - путём гидролиза преобразуют в сахар, а последний, затем, анаэробным разложением трансформируется в этанол; третий метод - метод прямого преобразования сахара в этанол.

Из этих методов второй хорош тем, что он основан на использовании для этанола бросового сырья -опилок, сельхозотходов, низкокачественного картофеля. Но второй и первый методы - двухстадийные, технологически более сложные, да и содержание действующего компонента в промежуточном продукте -сахара и глюкозы не всегда высокое. В этом отношении предпочтение следует отдать третьему методу: он одностадийный, а повышенное содержание сахара в исходном материале можно обеспечить подбором соответствующего сырья.

Водородная энергетика. Среди многочисленных веществ, реакция окисления которых сопровождается выделением тепла, особое место занимает водород. Он удовлетворяет многочисленным требованиям, предъявляемым к энергоносителям, так как обладает высокой удельной теплотой сгорания. Но главное достоинство водорода состоит в том, что это экологически чистое топливо. И сам водород, и образующаяся при его сжигании вода не вредны ни для человека, ни для окружающей среды. Никакие другие продукты при окислении водорода не образуются, в то время как при окислении углеводородов в число продуктов реакции входят СО и СО2, загрязняющие атмосферу.

Однако в чистом виде водород в природе встречается в очень небольших количествах. Все громадное количество этого элемента находится в естественных условиях в связанном виде - в основном в воде. Чтобы выделить водород из воды, надо разорвать его валентную связь с атомами кислорода вида Н-О-Н. Разрыв водородных связей можно осуществить как прямыми, так и косвенными методами. В первом случае к расщепляемой молекуле извне подводится энергия какого-либо вида: тепловая, электрическая, химическая, радиационная. Косвенные методы предполагает многоступенчатое преобразование исходного вещества с участием вспомогательных реагентов.

Термический способ (термолиз) состоит в высокотемпературном воздействии на воду. Термодинамические расчёты показывают, что для осуществлении термолиза необходимо поддерживать температуру около 3500°С. Вести такой процесс в производственных условиях нереально. Поэтому термический способ представляет лишь теоретический интерес.

Электрохимический способ (электролиз) состоит в разложении воды электрическим током. На первый взгляд, электрохимический способ получения водорода явно неэкономичен. Ведь даже в идеальном случае при сжигании водорода можно получить столько тепла, сколько электроэнергии было затрачено на разложение воды. Но это не совсем так. Во-первых, на добычу традиционного топлива приходится затрачивать немалые средства, к которым добавляется стоимость очистки дымовых газов от вредных компонентов и золоулавливание, т.е. те расходы, которые отсутствуют при сжигании водорода. Во-вторых, существуют такие режимы работы тепловых электростанций, когда вырабатываемая электроэнергия оказывается излишней. Речь идёт о работе электростанций в ночное время, когда потребление электроэнергии резко сокращается, а останавливать

электростанцию или существенно снижать её мощность экономически невыгодно. Тогда избыток этой электроэнергии целесообразно направлять на выработку водорода в электролизерах.

Термохимические способы заключаются в последовательном проведении нескольких химических реакций, одним из конечных продуктов которых является водород (табл. 1). Многостадийность процесса очень затрудняет его крупномасштабное промышленное воплощение. Достоинством является то, что не требуется подвода энергии и весь процесс идёт при относительно невысоких температурах.

Таблица 1

Термохимические способы получения водорода

Способ Примеры термохимических циклов Оптимальная температура проведения реакции, °С

I 3 FeCl3 = 3 FeCl2 + 3/2 Cl2 420

Fe^ + 3/2 Cl2 + 6 HCl = 3 FeCl3 + 3 H2O + 1/2 O2 120

3 FeCl2 + 4 H2O = =FeзО4 + 6 HCl + H2 650

II LiNO3 = LiNO2 + 1/2 O2 473

LiNO2 + J2 + H2O = =LiNO3 + 2 HJ 20

2 HJ = J2 + H2 423

Гибридные методы расщепления молекул воды основаны на последовательном проведении процессов разной физико-химической природы. Среди таких методов весьма привлекателен двухстадийный термоэлектрохимический сернокислотный цикл. На первом этапе осуществляется термолиз по формуле И2804 = Н20 + 802 + 1/2 02 при температуре 850 °С, затем проводится электролиз: 802 + 2 Н20 = И2804 + Н2.

Расход электроэнергии составляет здесь лишь 15 % от того количества, которое необходимо для электролиза воды обычным способом.

В последние годы в качестве перспективного бактерицидного препарата для обеззараживания питьевой воды, не изменяющего физико-химические характеристики последней (в отличие от хлора) и обладающего

Геотермальная энергия. Геотермальной энергией называют тепловую энергию земной коры. Геотермальная энергия вырабатывается за счёт радиоактивного распада изотопа калия и других элементов, таких как Ы, Mg, Са, рассеянных в земной коре. Величина минерализации термальной воды зависит от геологических и гидрологических условий месторождения и лежит в пределах от 1 до 6235 г/л. В термальных водах обычно растворены газы — СО2, И28, Н2, СН4, N и др. и подчас в весьма больших количествах [3]. Гидротермальные георесурсы являются не только источником тепловой энергии. Гидротермальное месторождение может быть также сырьевой базой горно-химических предприятий, производящих серу, бром, бор, редкоземельные элементы и другие вещества, содержащиеся в воде.

Подводя итоги, можно сказать следующее.

1. Нетрадиционная энергетика является экологически более чистой по сравнению с традиционной. Производство энергии либо совмещается с утилизацией отходов других производств, либо даёт меньше вредных выбросов, либо вообще не сопровождается химическими процессами.

2. Необходимо часть разведанных запасов органических топлив зарезервировать для будущих поколений, так как уголь, горючие сланцы, а особенно нефть и природный газ являются ценнейшим сырьем для химической промышленности. В то же время большинство нетрадиционных источников энергии являются возобновляемыми.

Литература

1. Берковский Б.М., Кузьминов В.А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. М., 1987.

2. Кирилихин В.А. Энергетика. Главные проблемы (в вопросах и ответах). М., 1990.

3. Таран Ю.А. Геохимия геотермальных газов. М., 1988.

июня 2004 г.

к тому же относительно малой удельной стоимостью, выступает пероксид водорода.

Поскольку концентрация Н2О2 является важным технико-экономическим параметром, величина кото-

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 16

УДК 628. 162. 8

БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА И ВЛИЯНИЕ НА НЕЕ ГОМОГЕННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ РАЗЛОЖЕНИЯ

© 2005 г. И.А. Денисова, В.В. Гутенев