Углекислый газ в атмосфере: характеристики, ПДК в воздухе, меры по уменьшению выбросов

Без углекислого газа Земля была бы замерзшей планетой.

Этот газ входит в состав атмосферы, регулирует климат и поддерживает экологический баланс на планете. Углекислый газ – основа питания живых организмов.

Если он исчезнет из воздуха, все живое погибнет. Но за 150 лет технического процесса человечеством сожжено так много углеводородов, уничтожено столько лесов и выброшено в атмосферу столько CO₂, что его высокие концентрации привели к глобальному потеплению.

Что представляет собой углекислый газ, сколько процентов составляет его содержание в воздухе, что способствует уменьшению выбросов этого вещества в атмосферу — эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Коротко о CO₂

Углекислый газ (CO₂) – соединение атомов углерода и кислорода, конечный продукт окисления углерода. В обычных условиях это бесцветный газ со слабокислым вкусом и запахом, малотоксичный и химически инертный.

Углекислый газ, как и кислород, при сильном сжатии и охлаждении легко меняет агрегатное состояние, становясь жидким или твердым.

Твердый CO₂ называют сухим льдом, в отличие от настоящего льда, при температуре выше -78,5 °С он сразу переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу.

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов. Это означает, что при взаимодействии с водой вещество образует кислоту – угольную. H₂CO₃ – химически неустойчивое вещество, распадается на составляющие сразу после образования, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа и воды обратима.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород (2CO₂ = 2CO + O₂). Углекислый газ входит в естественный состав атмосферного воздуха, участвует в процессе фотосинтеза растений.

CO₂ относится к категории парниковых газов, способствует удержанию тепла у поверхности планеты и влияет на климат. Глобальное потепление связывают именно с повышением уровня CO₂ в атмосфере.

Для живых организмов человека углекислый газ не менее важен, чем кислород, а их баланс поддерживают естественные процессы – фотосинтез (для растений, некоторых животных и микроорганизмов) и дыхание.

Двуокись углерода не обладает ни цветом, ни запахом, отчего почувствовать чрезмерную концентрацию очень сложно. Но уже при содержании в атмосферном воздухе 10 % вещества дыхание затрудняется, при повышении концентрации может наступить летальный исход.

Использование

Углекислый газ используется в самых различных областях:

• металлургия (с его помощью осаждают дым при переработке цветных металлов, уменьшают содержание азота в шлаке при выплавке стали в электродуговых печах);
• машиностроение – при производстве сварных швов, в изготовлении сварочных защитных смесей, для очистки поверхностей гранулами сухого льда;
• пищевая промышленность – газирование воды, производство соды, консервирование;
• химическая промышленность – регулировка температуры при производстве синтетических волокон;
• сельское хозяйство – для питания сельскохозяйственных культур (в виде удобрений).

CO₂ не горит и не поддерживает горения (в нем горят только активные металлы), тяжелее воздуха, поэтому его используют при производстве противопожарных средств, например, в углекислотных огнетушителях в качестве вещества, эффективно останавливающего процесс горения.

Брикетированный диоксид углерода (в виде сухого льда) используется в холодильных камерах для быстрого охлаждения и хранения мороженого, мяса и других продуктов.

В промышленных масштабах углекислоту получают обжигом известняка, а в лабораторных условиях – при взаимодействии известняка (мела или мрамора) и соляной кислоты. Технический сухой лед производится на углекислотных установках из жидкого или газообразного диоксида углерода.

Роль и значение в атмосферном воздухе Земли

Атмосфера по­полняется углекислым газом благодаря процессам разложения органики, карбонатов и других минералов, но в большей степени в результате антропогенной дея­тельности. Рассмотрим, насколько велико значение CO₂ для существования жизни на планете.

Глобальный круговорот углерода

Цикл последовательных трансформаций или биологических событий, а затем возвращение в начальные условия – жизненный цикл большинства растительных и животных организмов.

Углеродный цикл – процесс, при котором атомы углерода непрерывно перемещаются из атмосферы на Землю, а затем обратно в атмосферу. Поскольку Земля и атмосфера образуют замкнутую среду, количество углерода в системе неизменно. Меняется лишь местонахождение углерода в воздухе или на Земле.

Углеродный круговорот – природная схема переработки атомов углерода, который является основой жизни на планете. Углерод необходим для образования сложных молекул, таких как белки и ДНК. Углерод содержится в атмосфере Земли в виде углекислого газа, который регулирует температуру планеты для возможности жизни.

В активном круговороте углерода уча­ствует лишь малая часть всей его мас­сы. Большая часть углерода законсервирована в виде ископае­мого топлива, известняков и других горных пород, в то время как остальная часть находится в океане, атмосфере и живых организмах. Это резервуары или поглотители, через которые проходит углерод.

Углеродный обмен происходит между поверхностными водами океана и атмосферой, углерод поступает обратно в атмосферу, когда умирают организмы, извергаются вулканы, вспыхивают пожары, сжигается ископаемое топливо.

Развитие и существование всех живых форм на Земле невозможно без углерода. Углерод – основной биогенный элемент, необходимый для обра­зования живого вещества биосферы. Углерод поступает из воздуха в виде CO₂ и образует молекулярную основу любого органического вещества.

Растения и животные используют кислород как источник энергии для роста и обмена веществ в процессе дыхания. Глюкоза, содержащая энергию органического вещества, расщепляется полностью с образованием воды, двуокиси углерода и энергии.

Реакция расщепления органики напоминает реакцию, обратную фотосинтезу:

O₂ + органическое вещество → ферменты + CO₂ + H₂O + энергия

Следовательно, атмосферный углерод поступает в живые экосистемы посредством фотосинтеза. В экосистеме углерод перемещается по трофическим уровням, пока не вернется в атмосферу в результате дыхания живых организмов или пока организмы, в которых он содержится, не погибнут.

Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в результате фотосинтеза и включается в состав многочисленных органических веществ. При дыхании растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организмах, вновь переходит в атмосферу в виде СО₂.

Распад органических соединений происходит с образованием различных веществ, в том числе CO₂. Эти два процесса практически полностью уравновешены — лишь 1 % углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота. Установлено, что все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд т углекислого газа (86 млрд т углерода).

Растительные организмы, низшие микроорга­низмы, морской фитопланктон производят ежегодно около 1,5·1011 т углерода в виде органической массы.

Растения частично поедаются животными. Основная масса органического вещества в результате ды­хания организмов, их разложения, процессов брожения, гниения или горе­ния превращается в углекислый газ. Меньшее количество органики «консервируется» в виде торфа, сапропеля, гумуса, которые затем становятся нефтью, камен­ным углем, горючими газами.

Большая часть углерода, вовлеченного в кругооборот, содержится в океанах. Океан поглощает избыток CO₂ из воздуха, образуя карбонатные и бикарбонатные ионы, от которых и зависит объем CO₂ в атмосфере. Существует и обратный процесс, в ходе которого CO₂ выделяется из океанов в атмосферу.

Таким образом, океаны функционируют как буфер, поддерживающий стабильную концентрацию CO₂ в атмосфере.

Этот механизм обеспечивал равновесие диоксида углерода в атмосфере до тех пор, пока не вмешались активные техногенные процессы, и естественный баланс круговорота углерода был нарушен.

Итак, углекислый газ выделяют все организмы как побочный продукт клеточного дыхания – процесса, при котором клетки окисляют глюкозу и производят CO₂, воду и энергию.

Когда экосистема сбалансирована, количество углерода, поглощаемого при фотосинтезе, примерно такое же, как количество, выделяемое при клеточном дыхании и разложении – так между атмосферой и организмами возникает органический путь в круговороте углерода.

CO₂ и атмосфера

Атмосфера – газовая оболочка Земли, смесь различных газов (в том числе водяного пара), а также различных аэрозолей. Основные компоненты чистого и сухого воздуха – азот (78 %) и ки­слород (21 %).

Менее одного процента приходится на аргон, а оставшуюся малую часть «поделили» между собой углекислый газ (0,03 %), водород, гелий и другие вещества.

Азот, кислород и другие составляющие воздуха всегда в газообразном состоянии, так как предельные температуры, при которых эти газы могут находиться в жидкой фазе, намного ниже температурных показателей у поверхно­сти Земли.

Углекислый газ является исключением, переходя в жидкое состояние при определенных значениях температуры воздуха и концентрации.

В индуст­риальных районах количество CO₂ может увеличиваться до 0,05 %, а в сельской местности, над лесами диоксида углерода намного меньше. Над Антаркти­дой концентрация углекислого газа составляет не более 0,02 %, примерно столько же фиксируется над морями и океанами, так как CO₂ из воздуха интенсивно поглоща­ется водой.

В приземном слое воздуха объем углекислого газа подвержен суточным коле­баниям: ночью его больше, днем меньше. Дело в том, что в светлое время суток CO₂ активно поглощается растениями, чего совсем не происходит в ночные часы.

Углекислый газ абсолютно прозрачен для коротковол­новых лучей Солнца, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излу­чение Земли. С этим связан парниковый эффект.

«Правильный» парниковый эффект

Диоксид углерода – естественный парниковый газ, наряду с водяным паром, метаном и закисью азота. Парниковые газы поддерживают на Земле оптимальный тепловой режим, поглощая энергию Солнца и перенаправляя ее на поверхность планеты.

Но повышенные концентрации CO₂ создают избыточный объем парниковых газов, которые удерживают дополнительное тепло. В результате это приводит к таянию ледяных шапок, повышению уровня Мирового океана, затоплению прибрежных территорий и другим климатическим бедствиям.

CO₂ и растительный мир

Углекислый газ – главный источник углерода для выработки растениями органических веществ, поэтому газ активно ими поглощается.

Во время фотосинтеза растения получают диоксид углерода из атмосферы через листья, а воду – через корневую систему. С помощью энергии солнечного света растения трансформируют CO₂ и воду в кислород и глюкозу.

Кислород в виде свободного газа поступает в атмосферу, а глюкоза используется для синтеза органических соединений. Фотосинтез – основной биомеханический механизм растительного мира.

Процесс замедляет глобальное потепление климата, поскольку в ходе фотосинтеза концентрация CO₂ в атмосфере существенно снижается, что сокращает избыточный парниковый эффект.

Двуокись углерода хранится в биомассе, а затем высвобождается. В большинстве случаев высвобождаемый объем CO₂ меньше количества, потребляемого растениями.

Роль в жизни человека

Углекислый газ – главный регулятор всех функций в организме. При дефиците CO₂ нарушается обмен веществ, а нарушенный метаболизм ведет к аллергии, отложению солей, раку.

Углекислый газ участвует во всех биохимических реакциях организма:

• регулирует работу дыхательного центра и сосудов;
• отвечает за тонус нервной системы, активность ферментов и гормонов;
• сохраняет нормальный уровень рН крови, поддерживает в норме ее электролитный состав.

Углекислый газ является возбудителем дыхательной системы. Вопреки распространенному мнению, очередной вдох совершается при избытке углекислого газа, а не из-за дефицита кислорода.

Задача СО₂ – вызвать дыхательный рефлекс. Когда его давление повышается, рецепторы немедленно посылают сообщение в луковицы спинного и головного мозга, дыхательные центры, откуда и следует команда начать дыхательный акт. Следовательно, углекислый газ сигнализирует об опасности.

CO₂ – продукт метаболизма, газ переносится кровью от клеток тканей к легким. На вдохе легкие наполняются кислородом и в них происходит двусторонний обмен: нужный кислород поступает в кровь, а «ненужный» углекислый газ из крови выделяется и удаляется.

Кровь плода содержит кислорода в 4 раза меньше, а углекислого газа в 2 раза больше, чем у взрослого человека.

В обмене участвует гемоглобин – главный переносчик кислорода к клеткам. Именно гемоглобин доставляет кислород из легких к клеткам, а затем – CO₂ к легким. Для нормального функционирования организма обмен должен быть сбалансированным.

Для нормальной жизнедеятельности в крови должно быть 7-7,5 % диоксида углерода, а в альвеолярном воздухе — 6,5 %.

Недостаток CO₂ приводит к гипокапнии, избыток – к гиперкапнии. При недостатке CO₂ наступает парадоксальный эффект «Вериго-Бора»: несмотря на избыток кислорода, при дефиците углекислого газа наступает кислородное голодание.

Дело в том, что без присутствия CO₂ кислород не способен высвободиться из связанного состояния с гемоглобином, чтобы перейти в органы и ткани.

Таким образом, при недостатке углекислого газа не произойдет «отрыв» кислорода от гемоглобина и кровь будет циркулировать по организму, не отдавая кислород, что и приведет в результате к кислородному голоданию.

Гипокапния проявляется головокружениями, в худшем случае приводит к потере сознания. Возникает в состоянии стресса при частом дыхании. Гипокапния может развиться с возрастом, когда содержание CO₂ в крови снижается до 3,5 % и ниже (норма 6-6,5 %).

Интоксикация при повышенном уровне CO₂ в крови (гиперкапния) приводит к головной боли, тошноте, повышенному потоотделению, потере сознания.

Отравление обычно возникает при длительном нахождении в закрытом помещении с высокой концентрацией CO₂, но чаще – в экстремальных ситуациях, например, во время задержки дыхания под водой.

Откуда он берется в воздухе?

CO₂ естественного происхождения вырабатывается природными объектами, людьми, растениями и животными. Техногенный диоксид углерода – результат сжигания углеводородов, компонент промышленных выбросов. В 2022 году объем выбросов антропогенного углекислого газа составил 36,8 млрд т.

Глобальные техногенные выбросы диоксида углерода,1900-2022 гг.:

Природные источники

Большая часть углекислого газа атмосферы Земли – естественного происхождения. Природные источники углекислого газа играют важную роль в естественном балансе газов в атмосфере, составляя значимую часть глобального углеродного цикла.

Мощным природным источником выброса CO₂ в атмосферу являются вулканы.

Способствуют высвобождению CO₂ в атмосферу:

• разложение органических элементов;
• термальные источники;
• природные пожары.

CO₂ – продукт процессов дегазации океанов и морей. Водные экосистемы содержат много растворенного диоксида углерода в виде угольной кислоты. Газ выделяется из раствора в результате фотосинтеза водорослей и других морских организмов.

Углекислый газ природного происхождения активно образуется в результате химических процессов в недрах Земли. Будучи тяжелее воздуха, CO₂ в большом количестве скапливается в понижениях планеты (пещерах, ущельях).

Газ выходит через трещины и разломы в земной коре, что представляет большую опасность для работников горнодобывающей промышленности.

Как правило, в воздухе шахт концентрация диоксида углерода всегда повышена. На угольных и калийных месторождениях газ выделяется с особенно высокой скоростью.

Антропогенные

За последние 5-7 десятков лет антропогенная деятельность привела к тому, что концентрация CO₂ увеличилась примерно на 10-12 %.

Техногенными источниками CO₂, влияющими на углеродный цикл, являются:

• выбросы промышленных предприятий;
• выхлопные газы транспортных средств;
• горение горючего ископаемого топлива – нефти, угля, газа, торфа.

Серьезный вклад в общую эмиссию диоксида углерода вносят:

• энергетика (угольные, нефтяные, газовые электростанции);
• черная металлургия;
• переработка нефти и газа;
• химическая промышленность (производство аммиака, водорода, метанола, удобрений и других химических веществ);
• производство бумаги, цемента, продуктов питания.

Кроме того, CO₂ образуется при взрывных работах, пожарах, взрывах метана. Значительное количество диоксида углерода выделяется при сжигании растительных остатков.

Основную часть «транспортных» выбросов CO₂ в атмосферу планеты вносят самолеты, наземный транспорт – на втором месте. Наибольшие концентрации CO₂ фиксируются над крупными городами с большим количеством автомобилей и долгими «пробками».

К неизбежному повышению концентрации CO₂ приводит вырубка лесов, так как деревья выполняют функцию поглощения углекислого газа из атмосферы.

Все факторы человеческой деятельности способствуют усилению парникового эффекта и изменениям в климате. Глобальное потепление, изменение уровня моря и погодные катастрофы – непосредственные последствия возрастающей год от года концентрации углекислого газа.

ПДК в атмосфере и в помещении

Уровень, т.е. цифровой показатель концентрации СО₂, в воздухе измеряется в мг/м³, см³/м³ или в ppm (1 ppm = 0,0001 % — одна миллионная доля). В случае измерения СО₂ значение ppm указывает на количество кубических сантиметров СО₂ на 1 кубометр атмосферного воздуха.

Ppm, или миллионная доля – единица измерения концентрации не только СО₂, но и других относительных величин, аналогична по смыслу проценту или промилле. Сокращение «ppm» произведено от английского «parts per million» или латинского «pro pro mille», читается «пи-пи-эм», «частей на миллион».

Ниже разберем нормативные документы, которые указывают ПДК углекислого газа в воздухе различных помещений.

Вентиляция воздуха в помещениях – ГОСТ Р 59972-2021

Углекислый газ – типичный газообразный загрязнитель из числа веществ, которые учитываются при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях. Влияние загрязнений наружного воздуха на воздух в помещениях зависит от степени их химической активности.

Требования к вентиляционному оборудованию и кондиционерам воздуха должны обеспечивать нормативные параметры микроклимата для людей, находящихся в общественных зданиях во все периоды года, они установлены ГОСТ Р 59972-2021.

В таблице 9 ГОСТ Р 59972-2021 указаны ПДК вредных веществ, наиболее часто присутствующих в атмосферном воздухе населенных пунктов. Так как ПДК диоксида углерода в атмосферном воздухе не нормируется, указанные величины являются справочными.

Максимальные разовые и среднесуточные концентрации углекислого газа составляют:

• в населенной местности (селе) – 650 мг/м³;
• в малых городах – 800 мг/м³;
• в больших городах – 1000 мг/м³.

Параметры микроклимата – ГОСТ 30494-2011

Параметры оптимальных и допустимых показателей микроклимата и качества воздуха жилых помещений, детских дошкольных учреждений, общественных, административных и бытовых зданий установлены ГОСТ 30494-2011.

Качество воздуха в помещениях обеспечивается необходимым уровнем вентиляции (величиной воздухообмена в помещениях). Нормальный воздухообмен должен обеспечивать допустимые значения содержания углекислого газа в помещении.

Углекислый газ нельзя рассматривать только как индикатор эффективности вентиляции. Наилучшим для человека в помещении является уровень СО₂, максимально приближенный к естественному уровню в атмосфере.

Необходимый воздухообмен определяется двумя способами:

1. На основе удельных норм воздухообмена.
2. Путем расчета воздухообмена, необходимого для обеспечения допустимых значений содержания загрязнителей.

В расчетах по второму способу участвуют такие факторы:

• количество людей в помещении;
• деятельность людей в помещении;
• специфика процессов (выделения загрязнителей от бытовой и оргтехники, из строительных материалов, мебели и др.), а также от систем отопления и вентиляции.

Второй способ, основанный на балансе вредностей в помещении, позволяет определить воздухообмен с учетом загрязнений наружного воздуха и заданного уровня качества воздуха в помещении.

При этом определяющей вредной примесью является углекислый газ, выдыхаемый людьми. Эквивалентом вредных веществ, выделяемых ограждениями, мебелью, коврами и пр., принимается также CO₂.

Требования к качеству воздуха в помещениях, его классификация указаны в таблице 4 ГОСТа 30494-2011:

CO₂ в воздухе рабочих зон – СанПиН 1.2.3685-21

ПДК диоксида углерода в воздухе рабочих зон установлены СанПиН 1.2.3685-21 и составляют 9 000-27 000 мг/м³.

Почему концентрация в последнее время увеличивается?

Средняя концентрация CO₂ в атмосферном воздухе незначительна и составляет 0,02-0,045 % (250-450 ppm), но с каждым годом уровень газа возрастает, достигая в крупных городах 0,06 % (600 ppm).

По исследованиям ледяных кернов из Антарктиды, содержание диоксида углерода в атмосфере для времени старше 800 тыс. лет назад оказалось очень низким — в образцах возрастом около 950 тыс. лет оно составило около 240-250 ppm, а в образцах возрастом 1,5 млн лет – 220-230 ppm.

Это намного ниже нынешнего уровня (400 ppm). Постоянный рост концентрации углекислого газа в атмосфере доказал Чарльз Дэвид Килинг – американский климатолог.

С 1958 года он проводил непрерывные измерения концентрации CO₂ в атмосфере в обсерватории на вулкане Мауна-Лоа (остров Гавайи). Наблюдения ученого стали первым научным подтверждением антропогенного вклада в изменение климата.

График Килинга описывает изменения концентрации атмосферного углекислого газа с 1958 года. Измерения показывают устойчивый рост средней концентрации атмосферного CO₂ с 315 ppm (0,0315 %) в 1958 году до 420,99 ppm (0,042099 %) в мае 2022 года.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), объем выбросов CO₂ в 2022 году достиг рекордного значения 36,8 млрд т. Однако величина могла бы стать и выше, если бы не рост использования возобновляемых источников энергии, как было сказано в пресс-релизе МЭА.

«Глобальные выбросы CO₂, связанные с энергетикой, выросли в 2022 году на 0,9 % (на 321 млн т), достигнув нового максимума – более 36,8 млрд т <….> Еще 550 млн т выбросов удалось избежать благодаря более широкому внедрению технологий экологически чистой энергии», – сообщалось в материале.

При этом рост антропогенного CO₂ был намного медленнее, чем в 2021 году, когда он составил более 6%. Наибольший прирост (4,2 % (+206 Мт)) – у стран Азии, большая доля этого увеличения пришлась на уголь.

В пресс-релизе МЭА уточнялось, что масштабному объему выбросов CO₂ в 2022 году, помимо увеличения выбросов от использования ископаемых видов топлива крупными международными компаниями, способствовали и другие причины:

• экстремальные погодные условия, включая засуху и аномальную жару в некоторых регионах мира;
• отключение атомных электростанций.

Основная причина увеличения количества техногенного CO₂ – сжигание углеводородов. При сгорании газа, угля, нефти выделяется большое количество углекислого газа, который попадает в атмосферу. И этот показатель с каждым годом возрастает.

Природный газ, нефть и уголь сжигаются для выработки электроэнергии на электростанциях, в домах и промышленных комплексах, используются транспортными средствами.

При сжигании ископаемого топлива CO₂ поступает в атмосферу быстрее, чем удаляется. В результате концентрация углекислого газа в атмосфере постоянно повышается.

Еще одна причина высоких концентраций CO₂ – вырубка лесов и лесные пожары. Деревья – естественные поглотители диоксида углерода. Их уничтожение в крупных масштабах приводит к повышению уровня атмосферного углекислого газа, поскольку деревья больше не поглощают его для фотосинтеза. В результате нарушается углеродный цикл.

Основной причиной вырубки деревьев считается сельское хозяйство: фермеры избавляются от лесов, чтобы увеличить посевные площади для сельхозкультур и домашнего скота.

Выхлопные газы автомобилей, работающих на двигателях внутреннего сгорания (ДВС), содержат около 10 % углекислого газа. Если учесть, что сейчас эксплуатируется более миллиарда транспортных единиц с ДВС, общий объем выбросов получается впечатляющим.

А к 2030 году, по некоторым оценкам, количество автомобилей на Земле будет в два раза больше, чем сейчас.

Чем опасно повышение диоксида углерода в воздухе?

Углекислый газ необходим для жизни человека, животных и всей планеты в целом.

Но чрезмерное количество CO₂ в воздухе способно привести к глобальным последствиям:

1. При увеличении концентрации CO₂ усиливается парниковый эффект, что приводит к глобальному потеплению: изменению погодных условий, увеличению средних температур воздуха и воды, повышению уровня моря, изменению растительного покрова, снижению урожайности сельскохозяйственных культур, увеличению частоты и мощности экстремальных природных явлений – штормов, ураганов, засух и наводнений.
2. Океаны поглощают из воздуха большую часть избыточного CO₂, что приводит к увеличению кислотности воды. Высокие показатели pH негативно влияют на жизнь кораллов, моллюсков и рыб.
3. Повышенные концентрации углекислого газа способствуют распространению нетипичных для территорий растений, адаптированных к более высокому уровню CO₂. Этот фактор приводит к трансформации экосистем и, как следствие, ухудшению качества пищевых продуктов, негативному воздействию на здоровье человека.

Разберемся, как увеличение выбросов углекислого газа в атмосферу влияет на климат и экосистемы Земли.

Парниковый эффект

Солнечные лучи нагревают поверхность Земли, а молекулы диоксида углерода и других парниковых газов действуют как теплозащитный слой, поглощая и задерживая инфракрасное излучение, не позволяя теплу уходить в космос. Так создается парниковый эффект. Этот естественный процесс помогает поддерживать комфортную температуру на планете.

При избыточных концентрациях CO₂ температура нижних слоев атмосферы возрастает, поверхность планеты нагревается. В результате – глобальное потепление, таяние льдов, изменение видового состава флоры и фауны.

Только за последние 50 лет из-за деятельности человека содержание CO₂ выросло более, чем на 100 ppm – рост в 100 раз более быстрый, чем за последние сотни тысяч лет.

За прошлый век температура нижних слоев атмосферы поднялась на 0,8 °С. Российский физик Алексей Карнаухов, автор теории парниковой катастрофы, считает, что в случае неснижения выбросов парниковых газов за ближайшие пару столетий человечество может просто исчезнуть.

Природа сможет приспособиться, и будет эволюционировать, от изменения климата больше пострадает Homo sapiens. Если уровень Мирового океана существенно изменится, начнутся катастрофы, проблемы появятся у целых государств.

Ученый считает, что процесс потепления вызовет эффект лавины. Углекислый газ и метан будут высвобождаться из природных хранилищ – земной коры, вечной мерзлоты, со дна океана. В результате температура воздуха будет все выше и выше.

При таких темпах за 200 лет климатическая система Земли перейдет в новое устойчивое состояние, при котором температура поднимется до 500 °С. Человеку в условиях Венеры, где углекислота составляет 97 % атмосферы, а на поверхность планеты проливаются дожди из серной кислоты, не выжить.

Для борьбы с угрозой глобального потепления существует два основных пути:

1. Сокращение выбросов CO₂ путем декарбонизация энергетики, промышленности, транспорта.
2. Изъятие CO₂ из атмосферного воздуха более быстрыми темпами, чем он туда поступает.

Россия в 2019 году присоединилась к Парижскому соглашению – международному договору в рамках ООН, и приняла на себя обязательства по реализации последовательного плана для снижения антропогенной нагрузки на климатическую систему.

В 2021 году утверждена Стратегия социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г. Россия обязуется сократить выбросы парниковых газов до 70 % от показателя 1990 года к 2030 году, определяет направление развития с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года.

Основной документ в сфере регулирования выбросов парниковых газов в РФ – Федеральный закон от 02.07.2021 № 296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов».

Влияние на здоровье человека

Практически все живые существа при выдыхании выделяют углекислый газ – продукт химических обменных процессов в легких и тканях. Этот объем в масштабах планеты, даже с учетом миллиардов существ, совершенно незначителен. Однако следует учитывать определенные обстоятельства.

В первую очередь, дыхание может стать проблемой в замкнутых пространствах (лифтах), закрытых комнатах, аудиториях. При скоплении людей на ограниченной территории быстро наступает духота из-за недостатка кислорода, он замещается выдыхаемым углекислым газом, непригодным для дыхания.

Нарушение в организме баланса «кислород – углекислый газ» может привести к почечной недостаточности, коме, другим последствиям для здоровья.

Углекислый газ является постоянной составляющей частью воздуха, но его концентрация на улице невысока – около 400-450 ppm (0,04-0,045 % объемной концентрации). Эти концентрации оптимальны для дыхания человека.

Углекислый газ способен сделать дыхание невозможным, несмотря на то, что в малых количествах он всегда присутствует в окружающей среде.

В атмосфере мегаполисов СО₂ больше – 0,06-0,08 %. Чем больше промышленных предприятий и котельных расположено в жилом районе, тем выше загрязненность воздуха диоксидом углерода и другими веществами. Норма уровня СО₂ в воздухе помещения превышает значения для наружного воздуха примерно в 1,5 раза – до 600 ppm.

Концентрация в воздухе 800 ppm уже небезопасна, а при 1000 ppm (0,1 % объемной доли) возникают первые признаки интоксикации газом – вялость, затрудненное дыхание. Критические показатели – более 3000 ppm (0,3 %). При таком содержании СО₂ появляются признаки кислородного голодания, тошнота, учащенный пульс.

В воздухе, прошедшем через систему вентиляции, насыщенность СО₂ остается без изменений.

Гипоксия или аноксемия

Когда в кровь попадает избыток СО₂, начинается процесс связывания гемоглобина – основного переносчика кислорода к тканям и клеткам. В результате возникает дефицит кислорода, что может привести к гипоксии или аноксемии.

Окислительный стресс

При уровне СО₂ выше 0,08 % в моче человека наблюдается рост маркеров окислительного стресса – 8-OH-дезоксигуанозин (8-OHdG).

Индикатор легко проникает из клеток в кровь, а затем в мочу. Содержание маркеров тем выше, чем дольше человек находился в душном помещении. Аналогичное воздействие на организм человека оказывают летучие органические соединения (ЛОС), причем ЛОС и диоксид углерода усиливают негативное влияние друг друга.

При естественной концентрации СО₂ на улице (400 ppm) средний уровень 8-OHdG равен 3.10 условных единиц – при таких значениях организм не страдает от окислительного стресса. При концентрации СО₂ 600-700 ppm уровень 8-OHdG возрастает в 2 раза.

Но человеку иногда приходится дышать воздухом, где СО₂ намного больше – 2000-3000 ppm. В этом случае атака свободных радикалов на клетки организма становится в несколько раз активнее, чем должно быть в норме.

А это означает, что человек регулярно подвергается окислительному стрессу – в спальне с закрытыми окнами, плотно набитом вагоне метро, душном офисе или школьном классе.

Респираторный ацидоз

При продолжительном пребывании в помещении с повышенным уровнем СО₂ в крови появляется его избыток (первичная гиперкапния), снижается pH крови, в результате развивается респираторный (дыхательный) ацидоз.

В норме кислотность крови человека равна примерно 7,4. Стабильные показатели рН необходимы для нормального функционирования организма. От повышенного содержания СО₂ кровь «закисляется», что по-научному и называется ацидозом.

Чем выше концентрация углекислого газа в воздухе помещения, тем ниже рН крови, и тем более кислую реакцию она имеет.

Первые физиологические последствия ацидоза – снижение концентрации внимания, перевозбуждение, учащенное сердцебиение и повышение давления. При более сильном ацидозе появляется головная боль, вялость, сонливость, ощущение беспокойства. В критической ситуации может произойти потеря сознания.

Если воздействие высоких концентраций углекислого газа часто повторяется, развивается хронический респираторный ацидоз, который приводит к:

• ослаблению иммунитета;
• общей слабости;
• нарушению сна;
• появлению головных и суставных болей;
• заболеваниям сердечно-сосудистой системы и дыхательных путей;
• снижению метаболизма, анемии.

Синдром «больного здания»

Закрытые помещения с находящимися людьми действуют как ловушки углекислого газа. Особенно в отсутствие хорошей вентиляции, так как принудительной вентиляции может не быть, а естественная вентиляция оказывается неэффективной, поскольку закрытые пластиковые окна не пропускают воздух.

В закрытых помещениях основным источником поступления СО₂ является человек. Взрослый выдыхает до 20 л (0,5 м³) СО₂ в час в состоянии покоя и до 35-40 л/час во время энергичной физической активности.

В выдыхаемом воздухе углекислого газа в 100 раз больше, чем в чистом атмосферном воздухе. Поэтому газ, который участвует в обменных процессах организма человека, при определенных обстоятельствах способен нанести ему вред.

Степень негативного влияния углекислого газа на организм увеличивается соразмерно периодичности и продолжительности пребывания в помещении с повышенной концентрацией СО₂.

Появление симптомов «нехватки свежего воздуха» происходит при повышении углекислого газа до 0,08%, то есть 800 ppm. Ощущение духоты – следствие и первый индикатор повышенного уровня СО₂.

Затем люди в «больном здании» отмечают:

• головную боль;
• сонливость;
• вялость;
• раздражение слизистых оболочек;
• сухой кашель;
• снижение работоспособности;
• воспаление глаз;
• заложенность носа;
• сложности с концентрацией внимания.

Чем выше уровень СО₂, тем активнее проявляются симптомы. Но они обычно пропадают, стоит человеку покинуть помещение (или хорошо его проветрить)

Помимо углекислого газа в воздухе содержатся и другие примеси, например, тонкодисперсные частицы РМ2.5. Но они не способны так быстро повлиять на самочувствие, поэтому основная причина неприятных симптомов – углекислый газ. Главная причина того, что здание «болеет» – проблема с вентиляцией.

Единственный способ снижения уровня CO2 – интенсивный приток свежего воздуха с улицы, который вытеснит «использованный» и перенасыщенный углекислым газом воздух в систему вентиляции. Для этого требуется регулярное проветривание помещения или установка системы приточной вентиляции.

Проблема повышенной концентрации углекислого газа характерна для школ. Концентрация СО₂ в воздухе классной комнаты с закрытыми окнами к концу урока может увеличиться в несколько раз. При концентрации выше 1000 ppm (0,1 %) результаты учебы и работоспособность учащихся снижаются, а заболеваемость повышается.

У детей, обучающихся в классах с высокой концентрацией СО₂, наблюдается тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит. У детей-астматиков СО₂ провоцирует возникновение приступов астмы. Аналогичные проблемы возникают и в детских садах.

В офисных помещениях от превышения углекислого газа снижается производительность труда работников, ухудшается общее состояние.

В зависимости от характера помещения, дополнительный объем углекислого газа может вырабатываться камином, газовым котлом или газовой печью. Кроме того, углекислый газ поступает с улицы (особенно если окна выходят на оживленную автотрассу).

Чтобы не допустить высоких концентраций CO₂ в помещении, необходимо регулярно проветривать все жилые и технические помещения, активировать системы вентиляции или просто открывать окна на короткое время

«На глаз» концентрацию газа не определить, поэтому контролировать уровень СО₂ в отдельных помещениях лучше с помощью специальных датчиков.

Особенно необходимы такие устройства в помещениях, где учатся дети, находятся на лечении астматики или осуществляются процессы, требующие повышенной концентрации внимания от сотрудников. Часто датчиками СО₂ оснащаются вентиляционные системы.

Существует тенденция: чем больше в воздухе помещения углекислого газа, тем больше он насыщен различными грибами и бактериями.

Симптомы отравления, смертельная концентрация

Степень опасности действия СО₂ на организм зависит от нескольких факторов:

• продолжительности вдыхания;
• возраста пострадавшего;
• наличия хронических заболеваний, например, астмы;
• своевременности оказания медицинской помощи.

Симптомы отравления углекислым газом зависят от его концентрации в помещении и продолжительности воздействия на человека:

В группе риска по возникновению серьезных осложнений:

• астматики;
• люди с низким иммунитетом, ослабленные;
• беременные женщины;
• дети и подростки;
• люди, зависимые от алкоголя и табака.

Установлено, что у женщин тяжелые осложнения от отравления СО₂ появляются медленнее.

Симптомы легкой степени отравления проявляются:

• гиперемией шеи и лица;
• слабостью;
• подташниванием и рвотой;
• потерей координации;
• снижением внимания и концентрации;
• изменением показателей артериального давления;
• ощущением недостатка кислорода;
• нарастающей головной болью;
• потливостью;
• чувством жара;
• першением в горле;
• сухим кашлем.

Тяжелое отравление сопровождается:

• сужением зрачков;
• конвульсиями;
• критическим падением температуры;
• снижением кровяного давления до коллапса;
• редким дыханием;
• брадикардией;
• почечной и сердечно-сосудистой недостаточностью;
• параличом дыхания и коматозным состоянием.

В случае тяжелой формы отравления СО₂ исходом становятся остановка дыхания и смерть.

Диоксид углерода не токсичен, его опасность заключается в том, что он не поддерживает дыхание, в высокой концентрации обладает удушающими свойствами.

Критически опасный уровень для человека – концентрации выше 50 000 ppm (выше 5 %). Смертельная концентрация в воздухе составляет выше 80 000-100 000 ppm.

При таком уровне СО₂ угнетается сердечная деятельность, замедляется дыхание, и через несколько часов возможна смерть от асфиксии головного мозга и/или сердечной мышцы. При концентрации 20 % и более остановка дыхания и летальный исход наступают в течение нескольких секунд. У некоторых людей мгновенную остановку дыхания может вызвать и концентрация 10 %.

Какие организмы поглощают углекислый газ из атмосферы?

Увеличение концентрации CO₂ в атмосфере было бы еще более быстрым, а масштабы изменения климата существенно выше, если бы не природные «поглотители» углерода на суше и в океане. Благодаря естественным очистителям «утилизируется» около половины выбросов CO₂.

CO₂ улавливается океанами и прибрежными экосистемами. Морские травы, мангровые заросли, солончаки очень эффективны в хранении углекислого газа. Районы Мирового океана поглощают и накапливают углерод более высокими темпами, чем леса, и способны к аккумуляции CO₂ в течение миллионов лет.

Отличными поглотителями диоксида углерода считаются мхи, лишайники, цианобактерии и другие нерастительные фотосинтезирующие организмы.

Наиболее эффективно поглощают CO₂ мхи и лишайники, произрастающие в лесах умеренного и субтропического пояса, а наименее эффективно – разновидности из экваториальных и тропических областей.

Таким образом, мхи и лишайники Европы показывают лучшие результаты в поглощении углекислого газа, чем их родственники из Азии или Африки.

Поглощение CO₂ морями и океанами

На долю Мирового океана как природного «потребителя» CO₂ приходится около трети антропогенного углекислого газа.

Ученые установили, что за последнюю четверть века океан вблизи Антарктиды стал поглощать CO₂ из атмосферы гораздо быстрее. Это связывают с увеличением количества водорослей и изменением характера смешивания водных масс (из-за глобального потепления).

Океан аккумулирует углекислый газ в два этапа:

1. СО₂ растворяется в поверхностном слое воды.
2. В результате циркуляции и смешивания газ распределяется в водной массе, перемещаясь с поверхности во внутренние области, где накапливается.

Наблюдается тенденция: чем выше концентрация двуокиси углерода в атмосфере, тем большее ее количество аккумулирует океан.

Однако все имеет свою цену. Океаны оказывают большую услугу человечеству, но очень вредят своим обитателям. Растворенный СО₂ увеличивает кислотность воды на глубине до 3 тыс. м, что негативно влияет на весь подводный мир.

Когда углекислый газ растворяется в океанской воде, образуется углекислота (H₂CO₃) – важный регулятор кислотно-щелочного баланса воды:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Двуглавая стрелка означает, что реакция происходит в любом направлении, в зависимости от условий. Например, при повышении температуры океанских вод в атмосферу поступает больше растворенного углекислого газа.

А в холодной воде реакция протекает легче в направлении слева направо. В результате вблизи полюсов, где градус океанской воды ниже, растворяется больше CO₂, следовательно, концентрация углекислоты в воде выше.

Растворенный в морях и океанах углекислый газ в виде ионов угольной кислоты захватывается моллюсками, кораллами, губками. Карбонаты используются этими животными для построения раковин и скелетов. В результате спустя годы образуются известняки, мел и другие осадочные породы.

Визуализация выбросов диоксида углерода в атмосферу Земли от NASA

Метод компьютерного моделирования НАСА показывает влияние источников и поглотителей, откуда берется CO₂ и куда он направляется. Визуализация показывает ситуацию с поступлением CO₂ в атмосферу Земли (в Азии и Австралии) в течение 2021 года.

У ископаемого топлива оранжевый цвет, у сжигания биомассы – красный. Наземные экосистемы выделены зеленым цветом и океан – синим.

Фотосинтез

Зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии, которые относятся к автотрофным организмам – основа жизни на планете. CO₂ поглощают организмы, способные к оксигенному (с выделением кислорода) фотосинтезу.

В процессе фотосинтеза автотрофы усваивают CO₂, преобразуя газ в органические соединения (в частности, глюкозу) и высвобождая кислород. Углекислый газ они используют в качестве источника углерода.

Кроме того, углекислый газ поглощают хемотрофы (организмы, извлекающие энергию из химических процессов), например, водородокисляющие бактерии.

Процесс, когда растения удаляют CO₂ из атмосферного воздуха и накапливают его, называют связыванием углерода или геологической секвестрацией.

Растения начинают практически все пищевые цепи, превращают энергию солнечного света в энергию углеводов, в частности, в шестиуглеродный сахар глюкозу.

Процесс преобразования энергии, образования органического вещества из углекислого газа и воды при свете Солнца называется фотосинтезом. В фотосинтезе также участвуют фотосинтетические пигменты (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий).

Уравнение фотосинтеза выглядит так:

Вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Другие живые организмы получают доступ к этой энергии при поедании растений. В результате создается пищевая цепь, которая поддерживает экосистему Земли.

Типы фотосинтеза:

1. Аноксигенный. Осуществляется пурпурными и зелеными бактериями, а также геликобактериями.
2. Оксигенный. Более распространенный тип. Участники процесса – растения, цианобактерии и прохлорофиты.

Этапы фотосинтеза:

• фотофизический;
• фотохимический;
• химический.

Большинство организмов для окисления органических веществ используют кислород, который берут из воздуха. Один из продуктов дыхания – углекислый газ, который выводится из организма в окружающую среду.

Таким образом, растения умеют дышать, как и животные — поглощают кислород воздуха и выделяют углекислый газ. Однако у растений предусмотрено то, чего нет у животных — процесс фотосинтеза с обратным газообменом (растение поглощает из воздуха углекислый газ, а выделяет в него кислород).

При активном фотосинтезе кислорода выделяется намного больше, чем поглощается для дыхания. Поэтому в светлое время суток растения в основном выделяют кислород и потребляют углекислый газ. В темное время суток газообмен осуществляется только для процесса дыхания растений, они выделяют углекислый газ и потребляют кислород.

Уменьшение доли в воздухе

Объем выбросов углекислого газа неуклонно растет. Заменить ископаемые источники топлива чистой энергией – не единственный способ снизить уровень CO₂ в воздухе планеты.

Какие же варианты реагирования на угрозу глобального потепления существуют сегодня, как добиться углеродной нейтральности в промышленности?

Какие-то компании сконцентрированы на увеличении количества поглотителей диоксида углерода, высаживая леса. Другие предпочитают сокращать производственные выбросы. Деятельность третьих направлена на создание проектов по хранению CO₂. «Углеродно-нейтральный» относится к состоянию или условиям наличия чистого нулевого углеродного следа.

Это означает, что выбросы углерода в атмосферу уравновешиваются эквивалентным объемом удаленного или компенсированного углерода, что сокращает уровень углекислого газа в атмосфере. Достижение углеродной нейтральности – важный шаг в борьбе с изменением климата.

Чтобы стать углеродно-нейтральными, предприятия минимизируют выбросы углерода, на первом этапе сокращая потребление энергии и объем выбросов парниковых газов (в том числе CO₂) – повышая энергоэффективность, используя возобновляемые источники энергии, сокращая образование отходов.

Выбросы, которые невозможно предотвратить, подлежат компенсации в результате реализации проектов по удалению углекислого газа из атмосферы.

Для сокращения доли диоксида углерода в атмосфере необходимы контроль и управление эмиссией CO₂ через международные соглашения и национальные политики, а также действенные меры по:

• снижению количества выбросов (эффективные способы очистки, модернизация технологических процессов);
• развитию безуглеродных источников энергии (атомная и гидроэнергетика, возобновляемые источники энергии);
• увеличению доли CO₂ в топливно-энергетическом балансе;
• повышению энергоэффективности;
• структурному и технологическому энергосбережению;
• сохранению лесных массивов;
• внедрению технологий по поглощению CO₂ из атмосферы.

Самый простой метод сокращения техногенных выбросов CO₂ – снижение эмиссии после модернизации технологий на электростанциях и в наиболее углеродоемких отраслях промышленности (производство цемента, стали, химических веществ).

По сценарию МЭА выбросы CO₂ к 2030 году должны снизиться до 26,7 Гт в год (напомним, выбросы CO₂ в 2022 году составили 36,8 Гт), в 2050 – до 10 Гт/год, а в 2070 – стать нулевыми. Углеродной нейтральности сейчас добиваются более 130 стран.

Однако энергетический баланс обладает исключительной инерционностью, его резкое изменение невозможно, поэтому ископаемые виды топлива будут использоваться еще не один десяток лет.

В связи с этим важен такой способ снижения эмиссии при сжигании органического топлива, как улавливание, последующее использование или захоронение СО₂ (CCUS-технологии, от англ. Carbon Capture, Utilization and Storage – улавливание, утилизация и хранение углерода).

CO₂ – не бросовое сырье. После улавливания секвестрированный углерод закачивается в нефтеносный пласт на хранение или используется как реагент для повышения нефтеотдачи (на 15-20 % через 2-5 лет после прекращения добычи на плато).

Уловленный диоксид углерода может храниться в подземных геологических формациях или использоваться в качестве сырья при производстве синтетических видов топлива, например, метанола, а также химических веществ, пищевых продуктов, строительных материалов.

Диоксид углерода можно использовать в теплицах для повышения урожайности культур, при производстве сварочных работ, а чистый углерод – для получения графена.

Варианты преобразования выделенного из воздуха углекислого газа:

1. Минерализация. Исходные реагенты – кальций, магний или силикатсодержащие породы, которые могут реагировать с CO₂ с образованием ценных минералов. Реагенты могут добываться из горных пород или извлекаться из промышленных отходов.
2. Термохимический метод. Используются катализаторы и энергия, обычно тепло, а также реагенты, например, водород для преобразования CO₂ в углеводородные продукты. Мочевина – наиболее востребованный продукт, получаемый термохимическим способом из CO₂ и аммиака.
3. Электрохимический метод. Используется электричество для восстановления CO₂ до более простых веществ, в частности, монооксида углерода (CO), которые могут взаимодействовать с другими соединениями для получения новых продуктов.
4. Фотохимический метод. В процессе участвуют вода и солнечный свет. Результат – различные новые виды топлива и химикаты.
5. Биологический метод. Технология основана на биологических процессах растений, водорослей, бактерий. Преобразование CO₂ в топливо, химические вещества, корм для животных и другие продукты происходит благодаря фотосинтетическим или метаболическим процессам.

Технически более зрелыми подходами к утилизации CO₂ сейчас считаются минерализация и некоторые биологические методы. Потенциальные рынки использования CO₂ при развитии технологий и создании соответствующих бизнес-структур будут увеличиваться.

Использование диоксида углерода – это не только получение экологически чистых продуктов, но и значительный доход.

Улавливание и использование CO₂

Технологии улавливания диоксида углерода разделяются по конечной цели на 3 типа:

Существует 4 типа процесса улавливания СО₂:

1. Улавливание после сжигания. Производится на абсорбционных системах с абсорбентами на основе аминов. Это адсорбция на твердом сорбенте, топливные элементы, способные концентрировать CO₂, мембранное разделение. Является самым применяемым подходом к улавливанию CO₂ в мире в течение уже более 80 лет. В основном используется при производстве химикатов, для очистки природного газа и других газовых потоков.
2. Кислородное сжигание. Топливо сжигается в среде кислорода и рециркулируемого CO₂. После выделения соединений азота получение CO₂ сводится к процессу конденсации воды из дымовых газов, практически полностью состоящих из CO₂ и водяного пара.
3. Улавливание перед сжиганием. Используется на электростанциях с комбинированным циклом с интегрированной (внутрицикловой) газификацией. CO₂ выделяется из потока топливного газа под давлением.
4. Улавливание в химическом цикле. Происходит за счет внедрения кальциевых или высокотемпературных химических циклов с оксидами металлов в качестве носителя кислорода.

Способы и технологии улавливания:

• химическая абсорбция CO₂, протекающая в результате реакции между CO₂ и химическим растворителем (например, с соединениями этаноламина);
• физическое разделение CO₂, основанное на адсорбции, на абсорбции и криогенном разделении, на дегидратации и сжатии;
• мембранное разделение, происходящее на полимерных или неорганических устройствах (мембранах) с высокой селективностью по CO₂, которые пропускают CO₂, но действуют как барьеры для удержания в газовом потоке других газов;
• химические циклы улавливания CO₂, основанные на технологии связанных между собой реакторов (в кальциевых циклах, в циклах с оксидами металлов – носителями кислорода);
• прямая сепарация, включающая улавливание CO₂, образующегося при производстве цемента, путем косвенного нагрева известняка с помощью кальцинатора.

Прямая сепарация обеспечивает удаление диоксида углерода непосредственно из известняка, не смешивая CO₂ с другими газами. Эта особенность технологии существенно снижает затраты энергии на разделение газа.

По данным МЭА на 2020 год, в мире эксплуатируется около 40 крупных объектов, где реализуются проекты по улавливанию и хранению CO₂.

Большинство этих объектов связаны с переработкой природного газа и производством различных химикатов:

• этанола;
• водорода для нефтеперерабатывающих заводов;
• удобрений, а также с производством стали и электроэнергии.

Общими усилиями ими обеспечивается возможность хранения до 45 млн т СО₂ в год. Но этого крайне недостаточно: даже при увеличении мощности до 100 млн т/год, чтобы нейтрализовать антропогенную эмиссию диоксида углерода в мире только за один год (36 млрд т), уйдет не менее 360 лет.

Разработка систем прямого захвата воздуха (DAC) пока является сложной задачей. DAC-установки целесообразно возводить рядом с добывающей инфраструктурой.

Если «очистные сооружения» не находятся в непосредственной близости, придется сооружать газопроводы для CO₂. Такая логистика приведет к удорожанию утилизации газа.

Другая проблема – концентрации углекислого газа достаточно малы, и химические реакции с сорбентами протекают очень медленно. DAC, работающие на гидроксидах калия и кальция, сталкиваются с низкой эффективностью и высокими затратами на восстановление углекислого газа. В большинстве DAC воздух пропускается (барботируется) через жидкость.

Между жидкостью и CO₂ возникает химическая реакция, в ходе которой в системе накапливается все больше ее продукта, с течением времени скорость реакции замедляется.

В системах разделения жидкой и твердой фазы продукт реакции нерастворим и выделяется в виде твердого вещества, что не сильно влияет на скорость реакции.

Ученые Токийского столичного университета разработали новую высокоэффективную систему улавливания углекислого газа из атмосферы. Оказалось, что один из жидких аминов, соединение изофорондиамин (IPDA), используемое в системе разделения жидкой и твердой фаз, удаляет углекислый газ даже при низких концентрациях.

Водный раствор IPDA способен превратить 99 % углекислого газа, присутствующего в воздухе, в твердый осадок карбаминовой кислоты. Твердое вещество, диспергированное в растворе, требует нагревания лишь до 60° C, чтобы полностью высвободить захваченный углекислый газ и восстановить исходную жидкость.

Скорость удаления CO₂ примерно в 2 раза выше, чем у ведущих систем DAC. Новая японская система DAC сейчас считается самой быстрой при работе с низкими концентрациями CO₂ (до 400 ppm).

Подземное хранение

Закон ЕС о промышленности с нулевым уровнем выбросов установил цель по закачке в подземные резервуары – не менее 50 млн т CO₂ к 2030 году. Для этого нефтяные и газовые компании должны переоборудовать свои истощенные месторождения в хранилища CO₂.

Предназначенный для хранения уловленный CO₂ закачивают в глубокий подземный резервуар из пористой породы. Геологическая емкость покрыта непроницаемым слоем горных пород для герметизации, чтобы предотвратить восходящую миграцию CO₂ и выброс газа в атмосферу.

Типы резервуаров для хранения диоксида углерода:

1. Глубокие солевые формации – слои пористых и проницаемых пород, насыщенных соленой водой (рассолом). Широко распространены как в наземных, так и в морских осадочных бассейнах.
2. Истощенные нефтегазовые резервуары – пористые горные породы, в которых сырая нефть или газ в течение миллионов лет находились в ловушке, прежде чем были извлечены. Такие резервуары способны аналогичным образом удерживать закачиваемый углекислый газ.

Газ перед закачиванием обычно сжимают, увеличивая плотность и превращая его в жидкость. Глубина резервуара – не менее 500-800 м, чтобы сохранить CO₂ в жидкой фазе.

Захват и хранение в подземных полостях

В резервуаре газ удерживается с помощью определенных механизмов:

• покрытие из непроницаемых пластических или твердых пород предупреждает утечку CO₂ на поверхность;
• CO₂ растворяется в грунтовых водах порового пространства;
• удерживается в отдельных порах или группах пород;
• вступает в химическую реакцию с минералами геологического резервуара с образованием карбонатов.

Общая вместимость подземных хранилищ планеты оценивается в пределах от 8 000 до 55 000 Гт. Доступность геологических формаций, пригодных для хранения CO₂, значительно различается по регионам. Самые большие возможности – у России, Северной Америки, Африки.

Самый большой известный потенциал соленых водоносных горизонтов на суше находится в Северной Америке. Для Европы, Южной Африки и Южной Кореи наиболее перспективно захоронение диоксида углерода в морских соленых водоносных горизонтах.

Перспективы CCS в России

Россия является участницей международных соглашений по климату, имеет множество соответствующих природоохранных актов. Однако в РФ пока нет ни одного хранилища CO₂.

О таких начинаниях в перспективе до 2030 года заявляли «Роснефть», «Газпром нефть», «Еврохим», «Северсталь» и другие отраслевые лидеры.

Потенциал улавливания СО₂ в России составляет чуть более 1 млрд тонн. В большей степени технологии сосредоточены в электроэнергетике и теплоснабжении. Возможности утилизации захваченного углерода имеются на 930 месторождениях Западной Сибири, Поволжья и Ямала.

Основные российские регионы добычи нефти находятся в Заполярье, где не так много крупных производителей. Поэтому CO₂ на месторождения придется доставлять – строить газопровод или транспортировать цистернами, что серьезно увеличит затраты.

Волго-Уральский регион с крупной промышленностью – наиболее подходящий для организации улавливания и хранения углекислого газа. Другая проблема, тормозящая развитие CCS в России – отсутствие правового обеспечения процесса, как считают эксперты.

Надежду на развитие отечественных CCS-проектов связывают с вступлением в силу с 1 марта 2024 года поправок к федеральному закону «О недрах», которые предусматривают возможность строительства подземных сооружений для размещения CO₂.

Минерализация углерода

Нефтедобывающая промышленность давно практикует использование диоксида углерода в качестве агента в технологиях увеличения нефтеотдачи, хранение CO₂ в пластах выработанных залежей углеводородного сырья и в минерализованных водоносных горизонтах.

Наряду с преимуществами, технологии хранения CO₂ имеют серьезный недостаток – необходимость постоянного контроля того, чтобы газ не просачивался обратно на поверхность.

Вопрос, насколько безопасна система утилизации CO₂ в подземных резервуарах, вызывает постоянные споры специалистов. Не возникнут ли вторичные экологические риски? Что произойдет с окружающей средой, если CO₂ выйдет наружу через разломы в породе?

Ведь углекислый газ тяжелее воздуха, он стелется по земле, и последствия такой масштабной техногенной катастрофы для людей и животных, находящихся поблизости от места утечки, непредсказуемы.

Диоксид углерода закачивается для хранения на глубину ниже 500-800 м, где в результате изменения давления и температуры происходит фазовый переход из газовой фазы в сверхкритическую фазу.

Но эта фаза CO₂ уступает плотности пластовых флюидов в резервуаре, поэтому газ движется вверх по пласту до тех пор, пока не столкнется с непроницаемым барьером. По этой причине геологические накопители выбираются с покрывающей породой, обладающей низкой проницаемостью.

Когда захороненный СО₂ со временем растворится в пластовом флюиде и вступит в реакцию с породами хранилища, выталкивающая сила становится критическим моментом процесса, требующем обеспечения контроля безопасности хранения СО₂ в геологических резервуарах.

Природные хранилища не являются герметичными контейнерами, в заброшенных скважинах и истощенных резервуарах бывших углеводородных месторождений много разломов и трещин. Риск того, что в результате СО₂ вновь поступит в атмосферу, очень высок.

Ученые задумались над поиском оптимального метода хранения СО₂ в геологических резервуарах – с минимальным риском просачивания газа в атмосферу. Такую возможность продемонстрировала сама природа посредством процесса минерализации. При выветривании силикатных пород СО₂ минерализуется и превращается в известняк и другие карбонаты.

Итак, для закачки углекислого газа в выработанные газовые месторождения или соляные толщи подбирается резервуар, максимально отвечающий нормам безопасности с точки зрения проницаемости и способности удерживать CO₂, изучаются геологические особенности месторождения, моделируется и прогнозируется «поведение» газа.

Способ закачки газа в пласт с силикатными породами для минерализации требует и другого необходимого условия – породы должны быть обогащены кальцием, магнием или железом.

Исландский стартап Carbfix внедрил способ минерализации углерода, при котором используется CO₂, уловленный из земной атмосферы. Это крупнейшее предприятие по улавливанию и минерализации углекислого газа с помощью вулканических пород называется Orca (что на исландском языке означает «энергия»).

Завод Orca расположен примерно в 20 милях (30 км) к юго-востоку от столицы Рейкьявика, недалеко от вулкана Хенгидль.

Мощность установки прямого захвата углерода из воздуха (Direct air capture, DAC) – 4 тыс. т диоксида углерода в год, что эквивалентно ежегодным выбросам почти 800 автомобилей. Компания получает энергию от расположенной рядом геотермальной электростанции.

Для удерживания захваченного газа используются подземные горные породы с высокой реакционной способностью. Действующие DAC-установки (в мире их около 20) удаляют ежегодно всего 8-9 тыс. т углерода. Половину работы выполняет именно Orca.

Принцип технологии DAC в компании Orca:

1. Большие промышленные «пылесосы» захватывают воздух в коллекторы, оснащенные фильтрами с сорбентом, химически связывающим молекулы CO₂.
2. Как только коллектор заполняется, он автоматически закрывается, начинается его нагрев до 100° C.
3. Углекислый газ откачивают, смешивают с водой и закачивают в базальтовые породы на глубину 500 м, где он минерализуется и превращается в карбонатные минералы.

Полученный продукт используется для производства экологичного авиатоплива или стройматериалов. За год Orca, чтобы захватить 4 тыс. т CO₂, отфильтровывает 7,7 млн кубометров (10 млн т) воздуха.

В отличие от других технологий улавливания, которые предотвращают выделение промышленного диоксида углерода предприятиями, работающими на ископаемом топливе, такие DAC, как компания Orca, дают человечеству возможность устранить часть уже нанесенного природе ущерба.

Перспективная технология получения электроэнергии на основе СО₂

Это энергетический цикл с СО₂ сверхкритических параметров. После сжигания топлива в кислородной среде образуется максимально чистый СО₂ и водяной пар. На турбинную установку подается водяной пар и диоксид углерода в сверхкритическом состоянии.

Затем весь поток СО₂ подвергается охлаждению, после чего вновь участвует в цикле. Вода направляется на использование или сбрасывается со сточными водами.

Сейчас в мире работают два энергетических цикла со сверхкритическим СО₂: цикл Аллама NET Power на опытной электростанции мощностью 50 МВт в Техасе (с 2018 года) и цикл Trigen Clean Energy Systems (CES) на электростанции мощностью 150 МВт в Калифорнии (с 2013 года).

Биочар

Биомасса считается четвертым по величине источником энергии после угля, нефти и природного газа. Превращение биомассы в биочар (разновидность биоугля) – экологически чистый способ, вносящий большой вклад в углеродную нейтральность.

Биочар – твердый материал, содержащий углерод с большим количеством трудноминерализуемых ароматических структур. Его получают путем карбонизации возобновляемой органической биомассы при высоких температурах и без доступа кислорода (при пиролизе).

В качестве сырья для изготовления биоугля используется различная органика:

• растения и водоросли;
• сельхозотходы: пшеничная и кукурузная солома, жмых сахарного тростника, рисовая шелуха, скорлупа арахиса, стебли подсолнуха, персиковые косточки и т.д.;
• отходы лесного хозяйства: древесная щепа, опилки, кора;
• осадок сточных вод: муниципальный и речной ил, промышленные шламы;
• отходы животноводства: птичий помет, свиной навоз, навоз крупного рогатого скота;
• муниципальные бытовые отходы, производственные отходы.

Биочар имеет высокое содержание углерода и очень стабилен, поэтому сможет его удерживать в почве сотни лет. Биочар способен законсервировать и связать как минимум 30 % органического углерода, присутствующего в исходном материале.

Другими словами, треть углерода при обработке органического сырья перейдет в почву в неактивную накопительную фазу в связанном виде, уменьшив углеродный след.

Кроме того, при использовании биомассы для производства биоугля и возобновляемых источников энергии снижается зависимость от ископаемого топлива, которое способствует выбросам CO₂, других парниковых газов и изменению климата.

Что в наших силах?

По оценкам МЭА, к 2050 году потребуется удалить около 5 Гт углекислого газа (5 млрд т), чтобы соблюдался план по ограничению глобального потепления до 1,5° C. Масштаб проблемы изменения климата из-за выбросов диоксида углерода заставляет человечество объединиться.

Что доступно людям, чтобы внести личный вклад по сокращению последствий от возросших объемов антропогенного CO₂?

Это:

• выбирать углеродно-нейтральный транспорт (автомобили на бензиновом или дизельном двигателе – источники поступления CO₂ в воздух);
• экономить энергию (большинство электростанций работает на ископаемом топливе);
• сократить потребление (промышленность затрачивает огромные объемы энергии для производства товаров повседневного пользования);
• сажать деревья, стремиться к восстановлению и сохранению лесов (деревья перерабатывают углекислый газ в кислород).

Вклад одного человека по уменьшению выбросов углекислого газа, на первый взгляд несущественный, но если большинство сделает все возможное, качество окружающей среды улучшится.

Видео по теме статьи

В данном видео ролике рассказывается о том, какие организмы поглощают диоксид углерода, чтобы его содержание в воздухе было нормальным и равно ПДК:

Заключение

Углекислый газ – постоянный компонент атмосферного воздуха. Но его нормальные концентрации постоянно увеличивают техногенные выбросы. Современный человек играет важную роль в круговороте углерода, сжигая ископаемое топливо, осваивая все больше и больше новых земель.

Запредельные концентрации СО₂ приводят к глобальному потеплению, изменению погодных условий, усилению частоты экстремальных явлений, вмешательству в биологическое разнообразие и жизнь видов.

Углекислый газ вредит здоровью человека даже в относительно низких концентрациях, а при высоких – угрожает жизни. Концентрация СО₂ требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей – жителей промышленных регионов и крупных мегаполисов с высокими транспортными потоками.

Чтобы ограничить глобальное повышение температуры и смягчить серьезные последствия изменения климата, на государственных уровнях принимаются меры по сокращению эмиссии углекислого газа, образующегося при сжигании органического топлива во всех секторах экономики.

Из статьи вы узнали:

• как определить, содержится ли углекислый газ в концентрации, превышающей ПДК;
• к чему приводит его избыточное накопление в воздухе;
• сколько его содержится в помещениях разного предназначения;
• почему увеличивается его количество и как уменьшить выбросы;
• в чем измеряется содержание СО₂ и какова его массовая доля в воздухе;
• каков уровень углекислого газа в атмосфере сегодня.