Химия твердого тела

 
В  специализированной прессе  в конце 2009 г. обсуждалось предложение Бориса Грызлова о том, что на пустующих сельскохозяйственных землях целесообразно производить биотопливо. "Европа мучается, где биотопливо найти. А у нас есть возможность его производить на неиспользуемых землях без ущерба производству зерна", - сказал Грызлов на совещании с представителями АПК Ленинградской области. По его словам, в России учтено 127 миллионов гектаров земель сельскохозяйственного назначения, из которых 20 миллионов га (это больше, чем размер всех сельскохозяйственных земель Европы) не используются. Но основная проблема всех  альтернативных источников энергии – дороговизна сырья. 

Как правило, стоимость  сырья составляет до 80% от стоимости  окончательного продукта. Естественно, что с такими издержками производство данного вида энергии является нерентабельным.  

Передовые технологии производства биотоплива.

 
Биотопливо – топливо, полученное из биологического сырья.  Его разновидностью является биодизель — биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации.

 
Как альтернатива существующим производствам  биодизельного топлива Diversified Energy Corporation DEC и Государственным университетом Северной Каролины (NCSU) в США была разработана технология переработки масел, получаемых практически из любого триглицеридного сырья (сельскохозяйственные семечковые и зерновые культуры, животные жиры, водоросли, энергоемкие культуры, отработанные жиры и масла и пр.) в ценные биотоплива. Данный процесс авторы назвали CentiaTM (от латинского «зеленая сила»). Главное отличие такого биотоплива, получающегося в процессе в том, что оно будет полностью повторять химический состав аналогичного топлива, получаемого из нефти. Таким образом, его можно будет использовать в рамках существующей инфраструктуры и потребления.

 
Одно из основных преимуществ - возможность  использования большого количества видов исходного сырья. Это предоставляет  владельцу завода по производству биотоплива возможность использовать наиболее приемлемое сырье из доступных. Процесс Centia  позволяет утилизировать растительные масла, которые на сегодняшний день используются для производства биодизеля – соевое, рапсовое, пальмовое и другие, также как и перспективные в будущем источники, например, масла из водорослей. Могут использоваться и дешевые масла, например, использованные жиры, отработанное масло для жарки и животные жиры (несъедобное бычье или свиное сало, куриный жир). Фактически, чем больше содержание в исходном сырье свободных жирных кислот (СЖК), тем лучше это для новой технологии. Возможность использования практически любого триглицеридного сырья является, таким образом, ее ключевой характеристикой. 
Новая технология оставляет возможность выбора в отношении получаемых продуктов биотоплива. Отличным целевым рынком может служить авиационная индустрия, поскольку она экономически зависима от цен на нефть, а альтернативных биотоплив в данный момент на этом рынке недостаточно. До сих пор задача создания биотоплив для авиационных нужд технологически сложна. Авиационное топливо должно выдерживать жесткие условия эксплуатации авиасредством. Технология была специально спроектирована для производства топлива, соответствующего стандартам ASTM и Mil-Specs. Производство может быть укрупнено до коммерческих объемов.

 
Поскольку на второй стадии процесса производятся линейные алканы, эти соединения на третьей стадии могут быть переработаны в  другие виды биотоплива. Таким образом, может быть получено возобновляемое высокоцетановое дизельное топливо, не обладающее, в отличие от традиционного биодизеля, недостатками, связанными с использованием в холодную погоду, а именно, окислительной неустойчивостью и старением. Данное биотопливо  может быть переработано в высокооктановый биобензин, который будет химически идентичен бензину, получаемому из нефти. Его можно будет распространять по инфраструктуре обычного топлива (бензоколонки, бензохранилища) и использовать в любых автомобилях, снабженных обычным бензиновым двигателем.

 
Новая технология имеет ряд экономических  и производственных выгод. Возможность  варьирования получаемых продуктов  и исходного сырья – это  своеобразная диверсификация рисков владельцев и операторов заводов по производству нового биотоплива. Процесс может адаптироваться к любым доступным и наиболее дешевым маслам в регионе производства, что значительно удешевляет производство.  Используется каталитическое декарбоксилирование без использования водорода. Таким образом, завод  не нуждается в громоздких установках по производству водорода вблизи предприятия и, поскольку водород обычно получают из природного газа, снижение его использования влечет повышение экологической выгоды всего производства. По сравнению с производством традиционного биодизеля, использующего метанол, получаемый из невозобновляемых источников, рассматриваемый процесс в нем не нуждается. В ходе процесса  образуются ароматические углеводороды, и поэтому авиатопливо и биобензин уже содержат их, и нет необходимости добавлять их специально, получая из ископаемого сырья. Фактически, использование энергии, получаемой при сжигании глицерина, полностью обеспечивает потребности нагревательных установок. Данная особенность приводит к увеличению выхода и снижению затрат, что является необходимым требованием для коммерческой эффективности и широкого рыночного признания. Легкость в перенастройке и низкое потребление водорода в процессе производства позволяет системе быть экономически варьируемой и в мало-, и в крупнотоннажном исполнении. Предварительный анализ показывает, что себестоимость производимых по данной технологии видов биотоплива  конкурентоспособна, если не ниже, по сравнению с производством на существующих биотопливных заводах. 
Производство топлива по методике Centia проводится в несколько стадий. Кратко остановимся на основных моментах получения продукта.

 
Стадия №1 – Гидролиз. На данном этапе происходит преобразование любого жирного масла (триглицерида) в свободные  жирные кислоты. Этап основан на коммерческом процессе Colgate-Emery. Малый реактор был построен и успешно протестирован. Укрупненный реактор (10 л/ч) построен, эффективность конверсии 98%

Стадия №2 – Декарбоксилирование. На данном этапе происходит преобразование свободных жирных кислот в соответствующие им линейные алканы – составные блоки топлив. В+ыявлены перспективные катализаторы и условия процесса. Показана применимость для различных жирных кислот

Стадия №3 – Риформинг. Преобразование линейных алканов в биотопливо по выбранной методике. Основано на расширенном применении хорошо зарекомендовавших себя коммерческих процессов.

Стадия №4 – Сжигание глицерина. Использование побочного  продукта первой стадии – глицерина  для получения энергии, необходимой  для проведения всего процесса. Обеспечивает все потребности процесса в тепле.

Стандарт менеджмента  качества - BQ 9000 (Биодизель).

В западной Европе производство биодизеля распространено достаточно широко: дизельное топливо занимает лидирующее положение на рынке жидкого топлива (около 66%). Серьезным толчком к развитию послужил закон об обязательном использовании альтернативного топлива. Для эффективного и реально работающего производства потребовался стандарт менеджмента качества.

 
Для создания качественного и эффективного производства биодизеля и его  внедрения в Соединенных Штатах Америки был разработан особый стандарт менеджмента качества  BQ 9000, основанный на серии стандартов  ISO 9000. Синтез биодизеля является эффективным и конкурентоспособным видом бизнеса, но построение производства в соответствии со стандартом BQ 9000 позволяет значительно улучшить основные показатели. Система менеджмента BQ 9000 позволяет организациям усовершенствовать систему проверки качества готового топлива и снизить шанс производства и поставки некачественного продукта.  Это положительно сказывается как на имидже компании в целом, так и на доверии к биодизелю, как возможному виду топлива. Данная программа также гарантирует партнерам и потребителям, что производство биодизеля строится в соответствии с международными стандартами качества. 

Стандарт BQ 9000 разработан в 3-х вариантах:

 
BQ-9000® PRODUCER – гарантирует потребителю,  что при производстве биодизеля поддерживается и постоянно повышается уровень качества, проводятся постоянные проверки и независимый аудит. Используется новейшее или модифицированное оборудование. Поддерживается постоянная обратная связь с потребителями и проводятся корректирующие действия для улучшения качества.

 
BQ-9000® MARKETER – стандарт, разработанный  для компаний, занимающихся продажей  биодизеля и биодизельных смесей. Для такого рода компаний работа в соответствии со стандартом важна, т.к. надлежащая обработка биодизеля является важной составляющей для поддержания высокого уровня качества.

 
BQ-9000 LAB® - стандарт, разработан для  коммерческих лабораторий, занимающихся  анализом биодизеля и его смесей.

Организация, сертифицируясь на соответствие стандарту BQ 9000, проходит ряд независимых аудитов: сертификационный аудит, подтверждающий аудит, ресертификация. Также самой организацией регулярно проводятся внутренние аудиты.  
Мировая практика показывает, что биодизель может составить реальную конкуренцию существующим видам топлива. Существуют перспективные и низкозатратные методы получения. Построение экономически выгодного бизнеса также представляется нам вполне возможным. Как знать, может быть сегодняшние вложения в биодизельное производство на новом качественном уровне помогут Росси завтра безболезненно перейти на новый виток энергетического развития

5. Экологическая проблема и пути её решения

Научно-технический прогресс, дающий человеку много благ, одновременно оказывает и отрицательное влияние  на окружающую природу. В результате сжигания топлива и других промышленных процессов за последние 100 лет в  атмосферу выделено около 400 млрд. т  оксида углерода (IV); его концентрация в атмосфере возросла на 18%. За год  в атмосферу выбрасывается более 200 млн.т оксида углерода (II), более 50 млн.т оксидов азота. Один лишь авиалайнер за 8 ч полёта потребляет 50 - 70 т кислорода, т.е. то количество, которое вырабатывает за то же время 25 -50 тыс. га леса. Если содержание оксида углерода (IV) в атмосфере удвоится, то за счёт "парникового эффекта" средняя температура земной поверхности повысится на 4^оС.

В промышленно развитых стран  на одного жителя ежегодно в атмосферу  попадает до 150 -200 кг пыли, золы и других промышленных выбросов. За сутки промышленность мира сбрасывает более 100 млн. м³ сточных вод.

Мощным источником загрязнения  атмосферы являются все виды транспорта, работающие на тепловых двигателях. Выбрасываемые  ими вещества в целом идентичны  газообразным отходам промышленного  происхождения. С выхлопными газами автомобилей в воздух попадают оксиды углерода, азота, серы, альдегиды, несгоревшие углеводороды, а также продукты, содержащие хлор, бор, фосфор и свинец. Загрязняют атмосферу дизельные двигатели автомобильного, водного и железнодорожного транспорта.

В крупных городах - Лондоне, Лос-Анжелесе, Чикаго, Токио, Милане и  других - бывает густой туман, смог, токсичный  от наличия в нём ядовитых выхлопных  автомобильных газов. Смог появляется в следствие фотохимических реакций оксидов азота, несгоревших углеводородов с озоном. ??????????????????????_??h??

NO₂+O₂ ? O₃+NO.

В загрязнение атмосферы  вносит немалый вклад воздушный  транспорт. Двигатели самолётов  выбрасывают альдегиды, 3,4-бензпирен, бензол и его гомологи.

Вредное воздействие на гидросферу оказывают продукты нефтихимических предприятий, сырая нефть, перевозимая танкерами. Исследования Атлантического океана и шельфовых вод Европы и Северной Америки показывают, что уровень загрязнения в открытом океане в 2 - 3 раза меньше, чем в прибрежных водах, где плёнка из нефти держится более продолжительное время. 1 т нефти способна покрыть тонкой плёнкой поверхность водного массива площадью 1200га.

Кроме того, в различных  отраслях промышленности используется громадное количество новых соединений, отсутствующих в природе. Ежегодно их синтезируется в мире более 250 тыс.,из них около 300 находят промышленное применение и могут попасть в окружающую среду. По данным Всемирной организации здравоохранения, среди химических соединений, используемых в промышленном масштабе, примерно 40 тыс. вредны для человека. Процесс загрязнения окружающей среды несвойственной ей веществами, раньше носивший локальный характер, в последнее время принял глобальные масштабы. Особенно загрязнение среды такими несвойственными биосфере элементами, как свинец, ртуть, кадмий. Мощность техногенного воздействия на живую природу достигла такой величины, что возникла опасность необратимых изменений за счёт нарушения слагавшихся в течение миллионов лет природных динамических равновесий. Даже загрязнение среды такими характерными для природных круговоротов веществами, как нитраты, соли аммония, фосфаты, достигло на значительных участках земной поверхности концентраций, при которых природные механизмы оказываются недостаточными для плавного включения этих веществ в круговорот. В результате, например, во многих крупных водоёмах земного шара произошло резкое изменение в экосистемах, что привело к большому обеднению видами живых организмов.

Какой же выход видит наука, в частности химия, из создавшегося экологического кризиса? Ведь химизация  промышленного и сельского хозяйства  не означает разрушения всего живого, а, наоборот, предлагает пути решения  проблем современности. Прежде всего это создание технологий, по которым большая часть природных ресурсов, вовлекаемых в хозяйственный оборот, должна будет преобразовываться в полезную продукцию. Ту часть, которую на современном уровне развития науки и техники нельзя использовать, необходимо обезвредить. Уже сегодня промышленные объекты имеют очистные сооружения для сточных вод, газо- и пылеулавливающие устройства, внедряются замкнутые системы водоснабжения, малоотходные технологические системы.

Для очистки воздуха и  жидкостей от вредных примесей химики-технологи  применяют абсорбционные, адсорбционные  и каталитические методы. При абсорбации вредных веществ происходит их растворение во всём объёме поглотителя или химическое взаимодействие в абсорбационной жидкости ( чаще всего в воде) с реагентом. Процесс адсорбации основан на способности некоторых мелкопористых веществ (уголь,силикагель) поглощать растворённые или газообразные вещества своей поверхностью. Например, если в камеру, где образуется нежелательный оксид серы (IV), ввести известняк, негашёную известь или доломит CaCO₃?MgCO₃, то произойдёт реакция: