ISSN 2500-1582 (print)
ISSN 2500-1574 (online)
12+
ХХI век.Техносферная безопасность
Поиск по сайту
 

Технологии снижения углекислого газа в атмосфере

Молокова Е. И.

2023 / Том 8, № 3 (2023) [ ЭКОЛОГИЯ ]

В статье дается краткий обзор существующих и находящихся на разных стадиях разработки методов улавливания, концентрирования (депонирования) и использования диоксида углерода (углекислого газа СО2). Внимание к этим технологиям обусловлено реализацией в природоохранном законодательстве России требований Парижского соглашения о сокращении к 2030 году объемов выбросов парниковых газов и прежде всего диоксида углерода. Приведена классификация технологий, позволяющих снизить содержание СО2 в атмосфере, включая технологии, направленные на улавливание газа непосредственно из воздуха. Отдельно рассмотрены пилотные технологии и потенциальные направления для хранения уловленного СО2. Показано, что для улавливания газа существуют отработанные годами технологические процессы и аппараты. Несмотря на это, разрабатываются принципиально новые подходы к очистке газовых смесей от СО2. Проходят испытания и разрабатываются новые технологии улавливания и концен­трирования диоксида углерода, что даст дополнительные возможности для предприятий по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Ключевые слова:

парниковый эффект, диоксид углерода (углекислый газ), технологии, очистка выбросов в атмосферу, улавливание из атмосферы, концентрирование

Библиографический список:

  1. Hansen J., Sato M., Ruedy R., Lacis A., Oinas V. Global warming in the twenty-first century: аn alternative scenario // PNAS. 2000. Vol. 97. Iss. 18. Р 9875-9880. https://doi.org/10.1073/pnas.170278997.
  2. Brander M. Greenhouse gases, CO2, CO2e, and carbon: what do all these terms mean? // Ecometrica. August 2012.
  3. Berlie A.B. Global warming: a review of the debates on the causes, consequences and politics of global response // Journal of Geography. 2018. Vol. 10. Iss. 1. P. 144-164. https://doi.org/10.4314/gjg.v10i1.8.
  4. Abbass K., Qasim M.Z., Song Huaming, Murshed M., Mahmood H., Younis I. A review of the global climate change impacts, adaptation, and sustainable mitigation measures // Environmental Science and Pollution Research. 2022. Vol. 29. Р. 42539-42559. https://doi.org/10.1007/s11356-022-19718-6.
  5. Вагенер Дирк. Группа ООН по устойчивому развитию. [Электронный ресурс]. URL: https://unsdg.un.org/ru/un-in-action/tuvalu(18.02.2023).
  6. Семенов С.М. Что представляют собой парниковые газы? Всемирная метеорологическая ассо6и­ация. [Электронный ресурс]. URL: https://youth.wmo.int/ru/content (18.02.2023).
  7. Семенов С.М. Парниковый эффект: открытие, развитие. Концепции, роль в формировании гло­бального климата и его антропогенных изменений // Фундаментальная и прикладная климатология. 2015. № 2 С. 103–126.
  8. Costa Jr.C., Wironen M., Racette K., Wollenberg E. Global warming potential* (GWP*): Understanding the implications for mitigating methane emissions in agriculture // CCAFS Info Note. Wageningen, The Netherlands: CGIAR Research Program on Climate Change, Agriculture and Food Security (CCAFS). 2021. [Электронный ресурс]. URL: https://cgspace.cgiar.org/bitstream/handle/10568/114632/2021_Info%20 Note%20GWP_FINAL.pdf?sequence=6&isAllowed=y (18.02.2023).
  9. Santos R.M., Bakhshoodeh R. Climate change/global warming/climate emergency versus general climate research: comparative bibliometric trends of publications // Heliyon. 2021. Vol. 7. Iss. 11. Р. e08219. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08219.
  10. Lynch J., Cain M., Frame D., Pierrehumbert R. Agriculture’s contribution to climate change and role in mitigation is distinct from predominantly fossil co2-emitting sectors // Frontiers in Sustainable Food Systems. Climate-Smart Food Systems. 2021. Vol. 4. Р. 518039. https://doi.org/10.3389/fsufs.2020.518039.
  11. Ritchie H., Roser M., Rosado P. CO2 and Greenhouse Gas Emissions. 2020. [Электронный ресурс]. URL: https://ourworldindata.org/co2-and-greenhouse-gas-emissions (18.02.2023).
  12. Gorchov Negron A.M., Kort E.A., Chen Yuanlei, Brandt A.R., Smith M.L., Plant G., Ayasse A.K., Schwietzke S., Zavala-Araiza D., Hausman C., Adames-Corraliza Á.F. Excess methane emissions from shallow water platforms elevate the carbon intensity of US Gulf of Mexico oil and gas production // PNAS. 2023. Vol. 120. No. 15. Р. e2215275120. https://doi.org/10.1073/pnas.2215275120.
  13. Lamb W.F., Wiedmann T., Pongratz J., Andrew R., Crippa M., Olivier J.G.J., et al. A review of trends and drivers of greenhouse gas emissions by sector from 1990 to 2018 // Environmental Research Letters. 2021. Vol. 16. No. 7. Р. 073005. https://doi.org/10.1088/1748-9326/abee4e.
  14. Skrable K., Chabot G., French C. World Atmospheric CO2, Its 14C specific activity, non-fossil component, anthropogenic fossil component, and emissions (1750–2018) // Health Physics. 2022. Vol. 122. No. 2. P. 291–305. https://doi.org/10.1097/HP.0000000000001485.
  15. Nazarov E.I., Kruzhalov A.V., Vasyanovich M.E., Ekidin A.A., Kukarskikh V.V., Parkhomchuk E.V., et al. 14. C in Tree Rings in the Vicinity of the Nuclear Facility Deployment Areas // Izvestiya Vuzov. Yadernaya Energetika. 2022. No. 1. Р. 107-117. https://doi.org/10.26583/npe.2022.1.09.
  16. Yu Ming-Yuan, Lin Yu-Chi, Zhang Yan-Lin. Estimation of Atmospheric Fossil Fuel CO2 Traced by Δ14C: Current Status and Outlook // Atmosphere. 2022. Vol. 13. No. 12. Р. 2131. https://doi.org/10.3390/atmos13122131.
  17. Секи М. Восстановление озонового слоя: как мир объединился для капитального ремонта // Программа по окружающей среде. [Электронный ресурс]. URL.: https://www.unep.org/ru/novosti-i-istorii/ istoriya/vosstanovlenie-ozonovogo-sloya-kak-mir-obedinilsya-dlya-kapitalnogo (23.05.2023).
  18. Секи М. Меры по борьбе с изменением климата. Организация объединенных наций. [Электрон­ный ресурс]. URL.: https://www.un.org/ru/climatechange/paris-agreement (23.05.2023).
  19. Жумабоев А.Г., Содиков У.Х. Очистка дымовых газов от диоксида углерода и з промышленных выбросов и его // Universum: химия и биология. 2021. № 10. С. 17–19.
  20. Beiron J., Normann F., Kristoferson L., Strömberg L., Gardarsdòttir S.Ò., Johnsson F. Enhancement of CO2 Absorption in Water through pH Control and Carbonic Anhydrase–A Technical Assessment // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58. No. 31. Р. 14275-14283 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b02688.
  21. Vázquez G., Antorrena G., Navaza J.M., Santos V., Absorption of CO2 by water and surfactant solutions in the presence of induced Marangoni effect // Chemical Engineering Science. 1996. Vol. 51. Iss. 12. P. 3317-3324. https://doi.org/10.1016/0009-2509(96)85979-3.
  22. Ooi Zhe Lun, Tan Pui Yee, Tan Lian See, Yeap Swee Pin. Amine-based solvent for CO2 absorption and its impact on carbon steel corrosion: a perspective review // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2020. Vol. 28. Iss. 5. P. 1357-1367. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.02.029.
  23. Dutcher B., Fan Maohong, Russell A.G., Amine-Based CO2 Capture technology development from the beginning of 2013–a review // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7. Iss. 4. Р. 2137-2148. https://doi.org/10.1021/am507465f.
  24. Tontiwachwuthikul P., Meisen A., Jim Lim C. CO2 absorption by NaOH, monoethanolamine and 2-amino- 2-methyl-1-propanol solutions in a packed column // Chemical Engineering Science. 1992. Vol. 47. Iss. 2. P. 381–390. https://doi.org/10.1016/0009-2509(92)80028-B.
  25. Krauss M., Rzehak R. Reactive absorption of CO2 in NaOH: detailed study of enhancement factor models // Chemical Engineering Science. 2017. Vol. 166. Р. 193-209 https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.03.029
  26. Purba E., Agustina D., Pertama P.F., Senja F. Absorption of CO2 from modified flue gases of power generation Tarahan chemically using NaOH and Na2CO3 and biologically using microalgae // Earth and Environmental Science: IOP Conference Series. 2018. Vol. 141. Р. 012023. https://doi.org/10.1088/1755-1315/141/1/012023.
  27. Siriwardane R.V., Shen Ming-Shing, Fisher E.P., Losch J. Adsorption of CO2 on zeolites at moderate temperatures // Energy Fuels. 2005. Vol. 19. Iss. 3. Р. 1153-1159. https://doi.org/10.1021/ef040059h.
  28. Megías-Sayago C., Bingre R., Huang Liang, Lutzweiler G., Wang Qiang, Louis B. CO2 adsorption capacities in zeolites and layered double hydroxide materials // Frontiers in Chemistry. 2019. Vol. 7. Р. 00551. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00551.
  29. Bezerra D.P., Oliveira R.S., Vieira R.S. et al. Adsorption of CO2 on nitrogen-enriched activated carbon and zeolite 13X // Adsorption. 2011. Vol. 17. Р. 235-246. https://doi.org/10.1007/s10450-011-9320-z
  30. Gunawan T., Wijiyanti R., Widiastuti N. Adsorption–desorption of CO2 on zeolite-Y-templated carbon at various temperatures // RSC Advances. 2018. Vol. 8. Iss. 72. Р. 41594-41602. https://doi.org/10.1039/C8RA09200A.
  31. Seger B., Robert M., Jiao Feng. Best practices for electrochemical reduction of carbon dioxide // Nature Sustainability. 2023. Vol. 6. Р. 236-238. https://doi.org/10.1038/s41893-022-01034-z.
  32. Yang Dexin, Zhu Qinggong, Chen Chunjun, Liu Huizhen, Liu Zhimin, Zhao Zhijuan, et al. Selective electroreduction of carbon dioxide to methanol on copper selenide nanocatalysts // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Р. 677. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08653-9.
  33. Liu Yanrong, Li Fangfang, Zhang Xiangping, Ji Xiaoyan. Recent progress on electrochemical reduction of CO2 to methanol // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2020. Vol. 23. P. 10-17. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2020.03.009.
  34. Wiranarongkorn K., Eamsiri K., Chen Yong-Song, Arpornwichanop A. A comprehensive review of electrochemical reduction of CO2 to methanol: technical and design aspects // Journal of CO2 Utilization. 2023. Vol. 71. Р. 102477. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2023.102477.
  35. Nitopi S., Bertheussen E., Scott S.B., Liu Xinyan, Engstfeld A.K., Horch S., et al. Progress and Perspectives of Electrochemical CO2 Reduction on Copper in Aqueous Electrolyte // Chemical Reviews. 2019. Vol. 119. Iss. 12. 7610-7672. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00705.
  36. Liang Shuyu, Huang Liang, Gao Yanshan, Wang Qiang, Liu Bin. Electrochemical reduction of CO2 to CO over transition Metal/N-Doped carbon catalysts: the active sites and reaction mechanism // Advanced Science. 2021. Vol. 8. Р. 2102886. https://doi.org/10.1002/advs.202102886.
  37. Ramdin M., Morrison A.R.T., Groen M., Haperen R., Kler R., Irtem E., et al. High-pressure electrochemical reduction of CO2 to Formic Acid/Formate: Effect of pH on the downstream separation process and economics // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58. Iss. 51. Р. 22718-22740. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b03970.
  38. Grande C.A., Blom R. Cryogenic Adsorption of Methane and Carbon Dioxide on Zeolites 4A and 13X // Energy Fuels. 2014. Vol. 28. Iss. 10. Р. 6688-6693. https://doi.org/10.1021/ef501814x.
  39. Tuinier M.J., Hamers H.P., Annaland M.S. Techno-economic evaluation of cryogenic CO2 capture–a comparison with absorption and membrane technology // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2011. Vol. 5. Iss. 6. P. 1559-1565. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2011.08.013.
  40. Rodrigues G., Raventos M., Dubettier R., Ruban S. Adsorption assisted cryogenic carbon capture: an alternate path to steam driven technologies to decrease cost and carbon footprint // International Energy Agency Greenhouse Gas R&D Programme. 15th Greenhouse Gas Control Technologies Conference. 2020.
  41. Iglina T., Iglin P., Pashchenko D. Industrial CO2 capture by algae: a review and recent advances // Sustainability. 2022. Vol. 14. Р. 3801. https://doi.org/10.3390/su14073801.
  42. Onyeaka H., Miri T., Obileke K.C., Hart A., Anumudu C., Al-Sharify Z.T., Minimizing carbon footprint via microalgae as a biological capture // Carbon Capture Science & Technology. 2021. Vol. 1. Р. 100007. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2021.100007.
  43. Cordoba-Perez M., Lasa H. CO2-derived carbon capture and photon absorption efficiency by microalgae in novel photobioCREC // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59. Iss. 33. Р. 14710- 14716. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c02319.
  44. Sen Unal, Gurol M.D. Integration of CO2 absorption from flue gas with co2 assimilation by microalgae using a coupled chemical-biological model // Process Integration and Optimization for Sustainability. 2022. Vol. 6. Р. 1185-1199. https://doi.org/10.1007/s41660-022-00251-5.
  45. Qian Chunxiang, Yu Xiaoniu, Zheng Tianwen, Chen Yanqiang. Review on bacteria fixing CO2 and bio-mineralization to enhance the performance of construction materials // Journal of CO2 Utilization. 2022. Vol. 55. Р. 101849. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2021.101849.
  46. Ma Xiaoyi, Liu Le, Tang Kai. Carbon storage by marine microorganisms for carbon neutrality // Aquatic Microbiology. 2022. Vol. 9. https://doi.org/10.3389/fmars.2022.1018397.
  47. Onyeaka H., Ekwebelem O.C. A review of recent advances in engineering bacteria for enhanced CO2 capture and utilization // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. Vol. 20. Iss. 4. Р. 4635-4648. https://doi.org/10.1007/s13762-022-04303-8.
  48. Иванова М.С., Вишнецкая М.В., Томский К.О. Очистка газовых выбросов от СО2в среде триф­торуксусной кислоты при добыче нефти и газа // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 5. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/5/2636.
  49. Умнякова Н.П., Окунев А.Ю., Шагинян К.С., Смирнов В.А., Андрейцева К.С. Мембранно-абсорб­ционная очистка воздуха от углекислого газа // Вестник МГСУ. 2011. № 3-1. С. 201–208.
  50. Wijmans J.G., Merkel T.C., Baker R.W. Patent no. 8177885B2, United States of America. Method of gases separation using membranes with blowing of output surface to remove СО2 from combustion products of gaseous fuel // Journal of Membrane Science. 1995. Р. !-29.
  51. Chuah Chong Yang, Kim Kyunam, Lee Junghyun, Koh Dong-Yeun, Bae Tae-Hyun. CO2 absorption using membrane contactors: recent progress and future perspective // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59. Iss. 15. Р. 6773-6794 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b05439.
  52. Ahmad A.L., Sunarti A.R., Lee K.T., Fernando W.J.N. CO2 removal using membrane gas absorption // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2010. Vol. 4. Iss. 3. P. 495-498, https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2009.12.003.
  53. Li Xue, He Wenhao, Hou Xiaonan, Zhao Li, Zhao Ge, Lu Guiwu, et al. Study on CO2 Adsorption and Permeance of Porous Carbon and Nitrogen Membranes Coregulated by Charge and Strain // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2168. Р. 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2168/1/012002.
  54. Пимнева Л.А. Загорская А.А. Иванько А.Н. Использование каталитической очистки для подавле­ния газовых выбросов Уренгойского НГКМ // Фундаментальные исследования. 2016. № 5-2. С. 279–283.
  55. Мухаметгалиев И.М., Черкасова Е.И., Муллахметова Л.И., Ласковенокова Е.А. Очистка газов от кислых компонентов // Вестник Технологического университета. 2017. Т. 20. № 3. С. 54–60. EDN XXQHOV.
  56. Муллахметова Л.И., Черкасова Е.И., Р.И. Сибгатуллина, Бикмухаметова Г.К., Мустафина А.М., Са­лахов И.И. Газофракционирование // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 24. С. 49–56. Молчанов С.А., Шкоряпкин А.И. Новые адсорбенты для осушки и очистки природного газа // Газо­вая промышленность. 2002. № 6. С. 78–85.
  57. Воеводкин Д.А., Скрипниченко В.А. Рациональное использование вторичных ресурсов в экономике не­фтегазового хозяйства // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. 2013. № 4. С. 83–89.
  58. Xiao Youchang, Low Bee Ting, Hosseini S.S., Chung Tai Shung, Paul D.R. The strategies of molecular architecture and modification of polyimide-based membranes for CO2 removal from natural gas—a review // Progress in Polymer Science. 2009. Iss. 34. Р. 561-580. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2008.12.004.
  59. Maddox R.N., Morgan J. Gas conditioning and processing // Gas treating and sulfur recovery. 2008. Vol. 4. Iss. 3. 500 р.
  60. Yampolsky Yu., Freeman B. Membrane Gas Separation // John Wiley & Sons. 2010.
  61. Антропов А.И., Тур А.С., Л.А. И. Технология захвата СО2 из атмосферы // StudNet. 2022. № 5. EDN: VJWIGT.
  62. Castel C., Bounaceur R., Favre E. Membrane processes for direct carbon dioxide capture from air: possibilities and limitations // Frontiers in Chemical Engineering. 2021. Vol. 3. https://doi.org/10.3389/fceng.2021.668867.
  63. Shi Lin, Zhao,Yun, Matz S., Gottesfeld S., Setzler B.P., Yan Yu. A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells // Nat Energy. 2022. Vol. 7. Р. 238-247. https://doi.org/10.1038/s41560-021-00969-5.
  64. Brethomé F.M., Williams N.J., Seipp C.A., Kidder M.K., Custelcean R. Direct air capture of CO2 via aqueous-phase absorption and crystalline-phase release using concentrated solar power // Nature Energy. 2018. Vol. 3. Р. 553-559. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0150-z.
  65. Sanz-Pérez E.S., Murdock C.R., Didas S.A., Jones C.W. Direct capture of CO2 from ambient air // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116. Iss. 19. Р. 11840-11876. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00173.
  66. Zhang Chaoran. Absorption principle and techno-economic analysis of CO2 absorption technologies: A review // Environmental Earth Sciences: IOP Conference Series. 2021. Vol. 657. Р. 012045.
  67. Трухина О.С. Синцов И.А. Опыт применения углекислого газа для повышения нефтеотдачи пла­стов // Успехи современного естествознания. 2016. № 3. С. 205–209.
  68. Алтунина Л.К., Кувшинов В.А. Физико-химические методы увеличения нефтеотдачи пластов не­фтяных месторождений // Успехи химии. 2007. Т. 76. С. 1034–1052.
  69. Афанасьев С.В., Сергеев С.П., Волков В.А. Современные направления производства и перера­ботки диоксида углерода // Химическая техника. 2016. №11. С. 30–32.
  70. Liu Shu-Yang, Ren Bo, Li Hang-Yu, Yang Yong-Zhi, Wang Zhi-Qiang, Wang Bin, et al. CO2 storage with enhanced gas recovery (CSEGR): а review of experimental and numerical studies // Petroleum Science. 2022. Vol. 19. Iss. 2. P. 594-607. https://doi.org/10.1016/j.petsci.2021.12.009. Fawad M., Mondol N.H. Monitoring geological storage of CO2: a new approach // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Р. 5942. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85346-8. Alcalde J., Flude S., Wilkinson M., Johnson G., Edlmann K., Bond C.E., et al. Estimating geological CO2 storage security to deliver on climate mitigation // NatCommun. 2018. Vol. 9. Р. 2201. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04423-1. Kelemen P., Benson S.M., Pilorgé H., Psarras P., Wilcox J. An overview of the status and challenges of CO2 storage in minerals and geological formations // Front Clim. 2019. Vol. 1. https://doi.org/10.3389/fclim.2019.00009.
  71. Chadwick A., Arts R., Bernstone C., May F., Thibeau S., Zweigel P. Best practice for the storage of CO2 in saline aquifers – observations and guidelines from the SACS and CO2STORE projects. British Geological Survey OccasionalPublication. 2008. Vol. 14. 267 р.
  72. Amara S., Nordell B., Mostefaoui Z. Biomass dry storage for capture and storage of CO2 and Energy // Proceedings of the 2nd International Conference on Vocational Education and Training. 2019. https://doi.org/10.2991/icovet-18.2019.48.
  73. Rochelle C.A., Camps A.P., Long D., Milodowski A., Bateman K., Gunn D., et al. Can CO2 hydrate assist in the underground storage of carbon dioxide? // The Geological Society of London. 2009. Vol. 319. P. 171-183.
  74. Qanbari F., Pooladi-Darvish M., Hamed Tabatabaie S., Gerami S. Storage of CO2 as hydrate beneath the ocean floor // Energy Procedia. 2011. Vol. 4. P. 39970-4004. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.02.340.
  75. House K.Z., Schrag D.P., Harvey C.F., Lackner K.S. Permanent carbon dioxide storage in deep-sea sediments // Applied Physical Sciences. 2006. Vol. 103. Iss. 33. P. 12291-12295.
  76. Anderson S., Newell R. Prospects for carbon capture and storage technologies // Annual Review of Environment and Resources. 2004.
  77. Koide H., Shindo Y., Tazaki Y., Iijima M., Ito K., Kimura N., Omata K. Deep sub-seabed disposal of CO2– The most protective storage // Energy Conversion and Management. 1997. Vol. 30. P. S253-S258.
  78. Koide H., Takahashi M., Shindo Y., Tazaki Y., Iijima M., Ito K., et al. Hydrate formation in sediments in the sub-seabed disposal of CO2 // Energy. 1997. Vol. 22. Iss. 2/3. P. 279-283.

Файлы:

Язык

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Количество скачиваний:1182