Фотокаталитические процессы

УДК 66.094.37
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОСНОВА ЭНЕРГО- И
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Быканова В.В., аспирант, 1Козу П.А., канд. техн. наук, доцент, 1Булавин В.И., канд. хим. наук,
профессор, 2Козуб С.Н., канд. техн. наук, ассистент
1
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков
2
Харьковский национальный медицинский университет, г. Харьков
1
В статье рассмотрены основные проблемы современного энергетического комплекса Украины, а
также состояние современной экологической ситуации. Предложены подходы к решению имеющихся
проблем. Проанализированы возможности применения фотокатализа для ряда химических технологий.
ОДНИМИ ИЗ ключевых проблем XXI века являются экологические. Сложившаяся в настоящее время
во всем мире критическая экологическая ситуация вызвана тем, что большое количество твердых
бытовых органических отходов, образующиеся в процессе жизнедеятельности людей,
неутализируется по соответствующим технологиям, а просто выбрасывается на свалку в результате
чего остатки продуктов, влажной бумаги и проч. способствуют развитию метан-продуцирующих
бактерий. Так происходит процесс разложения бактериями различных органических отходов с
образованием метана, углекислого газа и тепла. Образующийся биогаз приводит к возникновению
парникового эффекта и глобальному изменению климата. Согласно [1], биогаз в 20 раз вреднее для
климатической системы, чем углекислый, поэтому даже сжигание метана до С02 способно улучшить
состояние окружающей среды. Причем одним из наиболее рациональных путей использования
очищенного метана и СО2 является их дальнейшая передача на тепло- и электростанции.
Что касается Украины, экологическую ситуацию можно признать и вовсе катастрофической. Так,
согласно данным на 2012 год, количество парниковых газов в атмосфере составило 4,4 миллиона тонн,
что на 5,9 % выше по сравнению с 2010 годом. Причем, из общего количества газов Доля метана (СН4)
равна 878,2 тысячи тонны, оксидов азота (NOх)~ 21,б тысяч тонн, остальное - это углерод (IV) диоксид
(С02) и так называемые "новые парниковые газы" - гексафторид серы (SF6), гидрофторуглероды.
Кроме того, выбросы перерабатывающей промышленности в 2012 году возросли до 1 миллиона 387,3
тысяч тонн, а добывающей - до 856 тысяч тонн, что также представляет серьезную угрозу для
окружающей среды. С учетом вышеприведенных значений, можно подсчитать, что в год в Украине
образуется около 730 тысяч тонн твердых бытовых отходов, что эквивалентно 240 тысячам тонн
нефти или 240 миллионам м3 газа. Поэтому целью данной работы является анализ возможных
направлений решения кризисной экологической и энергосберегающей ситуации в стране.
•
Как известно, в настоящее время для удовлетворения нужд промышленного комплекса и
человечества используются преимущественно органические невозобновляемые первичные
энергоносители, а именно газ, нефть, уголь. Однако, по оценке экспертов, основные источники
электроэнергии на Планете будут исчерпаны к 2060 году. Таким образом, проблема экологии
окружающей среды тесно взаимосвязана с энергетической. Поэтому тот колоссальный экологический
ущерб, который наносит использование различного органического топлива и выбросы твердых
органических отходов, требует незамедлительной разработки и внедрения новых, современных
энерготехнологий, основой которых являются возобновляемые источники энергии.
Под возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) понимают те запасы, которые восполняются
за счет поступающего на поверхность Земли потока солнечного излучения. Поэтому ВИЭ
практически неисчерпаемы. К ВИЭ относят непосредственно солнечную энергию, а также энергию
ветра, рек, морских приливов и волн, биомассы, гидротермальную и т.д. Согласно [2], Украина имеет
достаточно неплохой потенциал ВИЭ (табл.1).
Таблица 1 - Потенциал ВИЭ в Украине ,
Источники энергии
Потенциал энергии - '
Полный
Технический Экономически
целесообразный
Солнце, МВтчас/год
718,4109
345,1109
53,8109
6
6
Сток малых рек, МВт час/год
12,501 10
8,25210
3,747106
......
1,88
0,52 .
Ветер, МВтчас/год на 1 м2 лопастей ветроустановки
6801
2941
Торф, МВтчас/год
Недра земли, МВтчас/год
17,365106
Теплота грунта, МВтчас/год
1,575106
1,125106
0,106106
6
6
Избыточное давление природного газа,
5,02110
2,33710
1,097106
МВтчас/год
Шахтный метан, МВтчас/год
9,885106
6
Избыточное давление доменного газа, МВтчас/год
1,53610
0,858106
0,241106
•-
■-'
'-
Из таблицы 1 следует, что наиболее перспективным ВИЭ для Украины является солнце. При этом
возможно несколько областей применения данного вида ВИЭ:
1) дня преобразования солнечной энергии в электрическую;
2) для преобразования солнечной энергии в химическую.
Получение электричества из энергии солнца позволит решить проблему дефицита энергоресурсов
и применения образующегося С02 в качестве источника тепла и энергии. Это возможно путем
создания фотоэлектрических установок с солнечными элементами, а затем, на их основе,
фотоэлектрических станций. Солнечные элементы на основе аморфного, моно- и
поликристаллического кремния, кубического сульфида кадмия, углеродных нанотрубок за счет
фотоэлектрического эффекта преобразуют энергию солнца в электрическую. Основными
преимуществами фотоэлектрических установок является простота конструкций, надежность, большой
срок службы отсутствие загрязнений в окружающей среде, бесшумность, отсутствие подвижных
частей и износостойких деталей. К недостаткам можно отнести низкий КПД, который равняется от 9
до 24%, зависимость от времени суток и погоды, чувствительность к загрязнениям, а также достаточно
высокая стоимость [3].
Преобразование солнечной энергии в химическую, в том числе, в энергию топлив, позволит
решить ряд экологических проблем, связанных с промышленными газовыми выбросами, и твердыми
бытовыми отходами, а также проблемы энергоресурсов. Наиболее перспективным методом в данном
случае является применение фотореакторов с веществами-фотокатализаторами, а также разработка
энергоэффективных и экологически безопасных технологий на их основе. Фотокатализаторы вещества,
которые
под
действием
квантов
света
вызывают
протекание
окислительно-восстановительных реакций, неосуществимых в обычных условиях (атмосферное
давление и комнатная температура), либо же осуществимых в жестких условиях (повышенные
"Температуры и давление) [4]. В качестве фотокатализаторов, как правило, используют титан (IV)
диоксид анатазной модификации, однако на сегодняшний день широко исследуются и другие
полупроводниковые оксиды. Главным преимуществом применения фотокатализаторов является
перевод токсичных веществ в менее токсичные формы либо же полная нейтрализация веществзагрязнителей. Основные направления применения фотокатализа приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Применение фотокатализа для очистки газовых выбросов
Источник газовых выбросов
Реакции, протекающие на фотокатализаторе
Веществазагрязнители
Технология сконцентрированной
N0,
N02 +1/202+Н20→ HNОз
азотной кислоты
Технология серной кислоты
SОх
S02+ 1/202+Н20→Н2S04
Двигатели внутреннего сгорания
N0x
2NОх → N2 + х02
С02 +H20→НСООН
CO2 + H2O → СНзОН, С2Н5ОН+х02
35
Как следует из табл. 2,
путем преобразования, солнечной энергии в химическую на
фотокатализаторах возможна не только экологическая очистка и нейтрализация парниковых газов, но
и дальнейшее протекание окислительно-восстановительных реакций с получением таких целевых
продуктов, как неконцентрированная азотная и серная кислоты, муравьиная кислота, метанол и
этанол. Проведенный анализ свидетельствует о потенциальной возможности создания безотходных и
экологически безопасных технологий азотной и серной кислот.
Таким образом, на основе проведенного анализа можно сделать выводы, что в настоящее время
срочно необходимо решать ряд комплексных проблем - острого дефицита энергоресурсов, утилизации
твердых органических бытовых отходов, экологической очистки окружающей среды Взаимосвязь
данных проблем предполагает также и комплексный подход к их решению. Лучшей альтернативой
могут быть возобновляемые источники энергии, причем для Украины использование энергии солнца
является наиболее Подходящим вариантом. Исходя из проведенного анализа, можно заключить, что
фотокатализ является не только одним из перспективнейших направлений экологической очистки
атмосферы, но и способен выйти на первые позиции среди энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Литература
1. Елистратов В.В. Обоснование комплексных энергетических технологий на полигонах твердых
бытовых отходов / В.В. Елистратов, Л.И. Кубышкин, Е.Р. Покровская // Энергетическая политика.
- 2001. - № 3. -С. 38-41.
2. Швец Е.Я. Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Украине / Е.Я.
Швец И Мир техники и технологий. 2007. - № 7. - С. 8-9.
3. Steffens F. Sо1аг епегgу: battery energy storage control / F. Steffens // Journal of Power Sources. - V. 35.
- № 1. -С. 1-20.
4. Пармон В.Н., Замараев К.И. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии:
Гетерогенные, гомогенные и молекулярные структурно-организованные системы. - Новосибирск:
Наука. - 1991. – 358 с.