Co zrobić z CO2?

Konstatacja, że dla powstrzymania efektu cieplarnianego i obniżenia emisji CO2, każdy obywatel ziemi będzie miał obowiązek wypicia określonej odgórnie ilości wody gazowanej już nie jest dowcipem.

- Dwutlenek węgla w postaci gazowej jest wykorzystywany do gazowania napojów bezalkoholowych, piwa oraz wina. Zamrożony, zestalony dwutlenek węgla, jako suchy lód, jest stosowany do chłodzenia żywności, a w szczególności: lodów, mięsa oraz mrożonek. Ma poza tym zastosowania w postaci śrutu - do piaskowania, przy usuwaniu powłok malarskich, co pozwala w sposób znakomity obniżyć koszty utylizacji oraz sprzątania - mówi Masaki Lijima z Mitsubishi Heavy Industries podczas polsko-japońskiej konferencji nt. czystych technologii węglowych w AGH. Suchy lód jest mieszany z wytłaczanymi substancjami, które muszą być utrzymywane w niskiej temperaturze. Suchego lodu dodaje się do bębna z wytłaczanymi wyrobami gumowymi dla schłodzenia ich w takim stopniu, aby wypływki stały się kruche i odłamały się. Suchy lód może być też stosowany do schładzania aluminiowych nitów. Nity takie szybko twardnieją w pokojowej temperaturze, zaś przechowywane z suchym lodem zachowują miękkość.

Kawa bezkofeinowa

Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym zyskuje popularność przy produkcji kawy bezkofeinowej. Dla usunięcia kofeiny, CO2 w stanie nadkrytycznym jest przetłaczany przez zielone ziarna kawy, które następnie są spryskiwane wodą pod wysokim ciśnieniem. Kofeinę można następnie wyizolować do sprzedaży (np. producentom farmaceutyków lub napojów) - np. przepuszczając wodę przez filtry z węglem aktywnym lub stosując krystalizację, destylację albo odwrócona osmozę. Ekstrakcja przy wykorzystaniu nadkrytycznego CO2 w połączeniu z techniką separacji frakcyjnej jest stosowana przez wytwórców substancji smakowych i zapachowych do wyodrębniania i oczyszczania koncentratów lotnych substancji smakowych i zapachowych. Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym może być stosowany do prania chemicznego odzieży, jako substytut konwencjonalnych rozpuszczalników. Ciekawym i niezwykle perspektywicznym zastosowaniem jest oczyszczanie ścieków. Ścieki o odczynie alkalicznym powstają w różnych gałęziach przemysłu szczególnie w hutnictwie żelaza i stali, w przemyśle tekstylnym i farbiarstwie, w przemyśle papierniczym, a także w elektrowniach. Powstają tam ścieki o odczynie silnie alkalicznym, które wymagają neutralizacji przed zrzuceniem lub dalszym, biologicznym oczyszczaniem. Wykorzystanie CO2 ma przewagę nad stosowaniem kwasów nieorganicznych pod paroma względami: CO2 nie jest substancją toksyczną, jest bezpieczniejszy dla personelu i nie wymaga stosowania specjalnego wyposażenia ochronnego. Ze względu na naturalne działanie buforujące, CO2 nie może obniżyć pH poniżej 5, nawet w przypadku zastosowania zbyt dużej jego ilości. Proces neutralizacji staje się przyjazny środowisku, gdyż CO2 nie wytwarza resztkowych anionów jak siarczanowe czy chlorkowe; tym bardziej przyjazny, gdy stosuje się CO2 z gazów ze spalania. Zastąpienie istniejącej instalacji, która neutralizuje przy pomocy kwasów nieorganicznych lub budowa od podstaw nowej instalacji wykorzystującej CO2 mogą być wykonane niższymi nakładami finansowymi.

Remineralizacja odsolonej wody morskiej

Innym ciekawym zastosowaniem dwutlenku węgla jest mineralizacji wody pitnej otrzymanej w procesie odsalania wody morskiej. Odsolone lub bardzo miękkie wody wytwarzane przez instalacje odsalania nie mogą być bezpośrednio wykorzystane, gdyż są niesmaczne, mają działanie korozyjne i są niezdrowe. Dla rozwiązania tego problemu konieczna jest remineralizacja. Jedną z zaawansowanych metod jest uzdatnianie wody odsolonej przez dodawanie soli w tabletkach. Jednakże zastosowanie CO2 może stanowić również część ekologicznego przygotowania wody, dającego stabilną chemicznie, remineralizowaną wodę, odpowiednią do zastosowania w rolnictwie i spełniającą najnowsze zalecenia WHO. Stosowany zwykle proces remineralizacji polega na wprowadzeniu odsolonej wody, zakwaszonej przy pomocy CO2, w kontakt ze złożem z wapienia. Rozpuszczenie wapienia zapewnia wodzie dwa istotne składniki - zasadowość wodorowęglanu oraz zawartość wapnia według wzoru:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2HCO3-.

Dwutlenek węgla ma również zastosowanie w spawalnictwie, gdzie chroni większość metali przed utlenianiem w łuku elektrycznym. Jest powszechnie stosowany w przemyśle samochodowym, gdzie wykorzystuje się go jako gaz osłonowy głównie ze względu na cenę, znacznie niższą od ceny gazów obojętnych takich jak argon czy hel. Spawanie typu MIG z zastosowaniem CO2 jest czasem określane jako MAG (Metal ActiveGas), ponieważ w tak wysokich temperaturach CO2 może wchodzić w reakcje; powstaje wtedy jeziorko stopionego metalu o wyższej temperaturze i lepszej płynności niż w przypadku gazów obojętnych.

Półprzewodniki

Elementy półprzewodnikowe to między innymi rozmaitego rodzaju tranzystory, ogniwa słoneczne, cyfrowe i analogowych układy scalone. Półprzewodnikowe fotowoltaiczne panele słoneczne bezpośrednio przetwarzają energię promieniowania w elektryczną. Na ich parametry i niezawodność krytyczny wpływ mają chemiczne zanieczyszczenia i cząstki znajdujące się na powierzchni półprzewodnika. Do oczyszczania półprzewodników były używane freony(CFC), jednakże ich stosowanie zostało zakazane, ze względu na wpływ na warstwę ozonu w atmosferze. Jednak dostępna jest już komercyjna technologia oparta na wykorzystaniu nadkrytycznego CO2 do czyszczenia półprzewodników. Dwutlenek węgla w warunkach nadkrytycznych szybko dyfunduje, ma niską lepkość i niemal zerowe napięcie powierzchniowe -jako gaz - może więc łatwo penetrować powierzchnię półprzewodników. CO2 w warunkach nadkrytycznych działa jak rozpuszczalnik, może rozpuszczać substancje chemiczne, takie jak alkohole i fluorowęglowodory, miesza się z olejem i po rozprężeniu pozwala łatwo usunąć zanieczyszczenia, bez użycia wody.

Surowiec chemiczny

Wciąż niewykorzystaną niezwykle perspektywiczną pokusą jest potraktowanie CO2 nie jako kłopotliwego i wstydliwego odpadu, a jako cennego surowca chemicznego. Pierwszym produktem otrzymywanym przy zastosowaniu CO2 może być mocznik. Mocznik do zastosowań przemysłowych jest wytwarzany z syntetycznego amoniaku i dwutlenku węgla. Znaczne ilości dwutlenku węgla powstają w procesie wytwarzania amoniaku z węgla lub z węglowodorów. Tego rodzaju punktowe źródła CO2 ułatwiają bezpośrednią syntezę mocznika. Różne procesy produkcji mocznika charakteryzują się warunkami w których powstaje ta substancja i sposobami dalszej przeróbki nieprzereagowanych substratów reakcji. Proces składa się z dwóch głównych reakcji równowagowych, w których konwersja substratów nie jest całkowita. Pierwszą z nich jest egzotermiczna reakcja ciekłego amoniaku z CO2, w wyniku której powstaje

(H2N-COONH4):2 NH3 + CO2 <-> H2N-COONH4

Druga to endotermiczny rozkład karbaminianu amonu, w wyniku czego powstaje mocznik oraz woda:

H2N-COONH4 <-> (NH2)2CO + H2O

Drugim produktem otrzymywanym z udziałem dwutlenku węgla jest węglan sodu znany również pod handlowymi nazwami jako: soda i soda kalcynowana. Występuje najczęściej w postaci siedmiowodnych kryształów, które łatwo wietrzeją zmieniając się w biały proszek, będący postacią jednowodną; w gospodarstwach domowych jest dobrze znany i stosowany na co dzień jako zmiękczacz wody. Jednym z najważniejszych zastosowań węglanu sodu jest produkcja szkła. Po dodaniu piasku (SiO2) oraz węglanu wapnia (CaCO3) i podgrzaniu do bardzo wysokiej temperatury, a następnie bardzo szybkim schłodzeniu, powstaje szkło. Jest to tak zwane szkło sodowo-wapniowe. Węglan sodu ma również zastosowania wykorzystujące jego dosyć silny odczyn zasadowy. Znanych jest kilka procesów wykorzystujących CO2 do usprawnienia produkcji węglanu sodu - jak Leblanca, Solvaya i Hou.

Bardziej wyrafinowaną technologią z udziałem CO2 jest synteza poliwęglanów. Poliwęglany stanowią specjalną grupę termoplastycznych polimerów. Łatwo poddają się obróbce oraz kształtowaniu i są dzięki temu bardzo powszechnie stosowane we współczesnym przemyśle chemicznym. Proces tworzenia poliwęglanu polega na przygotowaniu mieszaniny przynajmniej jednego monomeru, stanowiącego surowiec, z dwutlenkiem węgla, a następnie przeprowadzeniu reakcji mieszaniny monomeru z CO2, w wyniku której powstaje poliwęglan. Poliwęglan jest stosowany wszędzie tam, gdzie potrzebne jest przezroczyste tworzywo o wyjątkowo dobrych parametrach mechanicznych. Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem są warstwy uodporniające szklane szyby na stłuczenie, a nawet przestrzelenie z broni palnej. Szyby z czystego poliwęglanu są stosowane w batyskafach, samolotach, hełmach astronautów oraz kierowców Formuły 1. Poliwęglan był też stosowany przy produkcji butelek dla niemowląt, a także płyt CD i DVD.

Mitsubishi Heavy Industries pracuje nad nowym oryginalnym, dwuetapowym procesem produkcji węglanu dimetylu (DMC), wykorzystując CO2 i metanol - zapewnia Masaki Lijima. DMC jest płynem, wykorzystywanym do produkcji poliwęglanów oraz baterii litowych. Jednakże w przyszłości pochodne DMC będą wykorzystywane jako dodatki do benzyny i oleju napędowego, w celu uzyskania paliwa silnikowego o czystszym spalaniu i wysokiej efektywności. Klasycznym już zastosowaniem dwutlenku węgla jest intensyfikacja wydobycia ropy naftowej oraz metanu ze złóż węgli kamiennych.

By roślinom rosło się lepiej

CO2 był od dawna stosowany do intensyfikowania wzrostu i produkcji rozmaitych warzyw, owoców i kwiatów w cieplarniach na całym świecie, a w szczególności w Europie. Czysty CO2 jest wprowadzany do cieplarni ze zbiornika; rośliny szybko go zużywają, pochłaniając przy tym światło słoneczne i w podwyższonej temperaturze intensywnie się rozwijają. Zwiększa produkcję owoców i kwiatów, nawet w strefach chłodniejszych. Z kolei algi wykorzystują dwutlenek węgla i tlenek azotu - gazy które w dużym stężeniu są emitowane przez samochody, cementownie, fabryki nawozów sztucznych, huty i elektrownie. Te zanieczyszczenia są dla alg podstawowymi substancjami odżywczymi. Przepłukane spaliny z elektrowni oraz CO2 z instalacji wychwytu można przetłaczać przez zbiorniki lub stawy z algami. Algi pobierają CO2 ze spalin i na drodze fotosyntezy przetwarzają na cukry. Dalsze procesy metaboliczne przekształcają cukry w tłuszcze i proteiny, które można następnie wyekstrahować i przerobić na biodiesel oraz etanol.

Notował: Jacek Balcewicz

Źródło: www.gigawat.info