Нүүрстөрөгчийг барих технологи:
Дэлхийн дулаарлыг хязгаарлахын тулд хэт бохирдуулагчийг бууруулах

Шан Даниел

Дэлхийн дулаарал нь дэлхий дээрх хүн төрөлхтөнд ихээхэн хэмжээний эрсдэл дагуулж байна. Хүлэмжийн нөлөөлөл буюу дэлхийн агаар мандал дахь хий нь дэлхийн гадаргуугаас ялгарах урт долгионы цацрагийг агаар мандалд дарж байгаагаас болж гараг дулаарч байна. Энэ нөлөөнд нөлөөлж буй үндсэн хий нь нүүрсустөрөгчийн түлшийг эрчим хүч болгон шатаах явцад ялгардаг нүүрстөрөгчийн давхар исэл юм. Хяналтгүй ялгаруулалт, дулаарлын болзошгүй сөрөг нөлөө нь туйлын мөсөн бүрхүүл хайлж байгаагаас үүдэн цаг агаарын эрс тэс үзэгдэл, хөдөө аж ахуйн алдагдал, далайн эрэг орчмын бүс нутгуудад үерт автдаг. Үүний үр дүнд дэлхийн эрчим хүчний хамаарлыг уур амьсгалын өөрчлөлтийн сөрөг үр дагаврыг бууруулах эх үүсвэр рүү шилжүүлэх нь маш чухал бөгөөд цаг хугацааны хувьд чухал юм. Дэлхий дахины чулуужсан түлш болон нүүрстөрөгч ялгаруулдаг бусад бодисоос хамааралтай байдлаа бууруулж, нар, салхи, усан цахилгаан, далайн түрлэг, цөмийн эрчим хүч зэрэг үйл явцын явцад CO2 ялгаруулдаггүй сэргээгдэх эрчим хүч рүү шилжих замаар үүнийг хийж болно (1).

Гэсэн хэдий ч аж үйлдвэрийн хувьсгал эхэлснээс хойш агаар мандалд СО2-ын концентраци 280 ppm-ээс 430 ppm болж, 1.18 × 10^12-тай тэнцэж байна.  Манай агаар мандалд нэмэлт метр тонн CO2. Энэхүү өөрчлөлтийн цар хүрээг харгалзан агаар мандлаас ялгарч буй нүүрстөрөгчийг зайлуулж, дэлхийн дулааралд үзүүлэх нөлөөг нь арилгахаар хадгалах нь сүүлийн үед цаг уурын эрдэмтдийн сонирхсон сэдэв болоод байна.

Одоогийн нүүрстөрөгчийг шингээх процессууд нь хүрээлэн буй орчноос агаарыг авч, хадгалахад төвлөрүүлэх үүрэгтэй (2). Үүнийг хэд хэдэн дөрвөн урвалаар хийж болно: 1-р урвал нь калийн гидроксидын уусмалаар агаарыг дамжуулдаг бөгөөд CO2 нь устай урвалд орж нүүрстөрөгчийн хүчил болох ба энэ нь калийн карбонат болон усыг бий болгохын тулд хүчиллэг суурь саармагжуулалтад ордог. 2-р урвал нь калийн карбонатыг кальцийн гидроксидтэй урвалд оруулах замаар калийн гидроксидыг сэргээж, усанд уусдаггүй кальцийн карбонатыг үүсгэдэг. 3-р урвалын үед хатуу кальцийн карбонат нь хэт өндөр температурт дулааны задралд өртөж, кальцийн исэл ба нүүрстөрөгчийн давхар ислийг үүсгэдэг бөгөөд үүнийг хадгалах боломжтой хяналттай орчинд урвалаас ялгардаг. Эцэст нь, 4-р урвал нь усанд ууссан үед кальцийн гидроксидыг нөхөн сэргээх кальцийн ислийг агуулдаг. Хэдийгээр 1, 2, 4-р урвалууд нь экзергоник, таатай урвалууд боловч кальцийн карбонатын дулааны задрал нь маш их эндотермик бөгөөд асар их хэмжээний эрчим хүчний зарцуулалт шаарддаг тул үйлдвэрлэлийн нүүрстөрөгчийн шингээлтийг үнэтэй бөгөөд тогтвортой байлгахад хэцүү болгодог (3). Хүрээлэн буй орчны агаараас нэг тонн CO2-ийн өртөг нь 600-1000 ам.доллар байхаар тооцоолсон. Зөвхөн одоо байгаа нүүрстөрөгчийг шингээх технологийг ашиглан агаар мандлын CO2-ын үйлдвэрлэлийн өмнөх түвшинд хүрэхийн тулд хангалттай хэмжээний CO2-ыг зайлуулах зардал нь 708 их наяд доллар буюу 25 онд АНУ-ын ДНБ-ээс 2023 дахин их байх болно (4).

Энэхүү аргачлал нь одоогоор манай агаар мандалд CO2-ын түвшинд бодитойгоор нөлөөлөх боломжтой арга биш юм. Нүүрстөрөгчийн ялгаруулалтын гурав дахь урвал болон үйлдвэрлэсэн СО2-ын хадгалалт/борлуулалтын аль алинд нь инноваци, сайжруулалт хийснээр энэ үйл явцын нийт зардлыг бууруулж, илүү өргөн хүрээнд хэрэгжүүлэх, ерөнхийдөө эерэг нөлөө үзүүлэх боломжтой (4). Эрүүл мэндэд хор хөнөөл учруулж, уур амьсгалын өөрчлөлтөд хүргэдэг супер бохирдуулагч болох метаныг барьж авснаар эрүүл мэнд, цаг уурын шууд үр өгөөжийг өгдөг богино хугацааны уур амьсгалын бохирдуулагчдыг онилж, нүүрстөрөгчийн хийн ялгаруулалтын стратегийг нөхөж чадна. Гэсэн хэдий ч, илүү хэмнэлттэй үйл явцыг бий болгох, бусад сэргээгдэх эрчим хүчний хэлбэрүүдтэй хослуулах цаашдын инновацийн ачаар нүүрстөрөгчийн хуримтлал нь уур амьсгалын өөрчлөлтийн сөрөг нөлөөллийг бууруулах чухал хэрэгсэл болж чадна.

Сүүлийн жилүүдэд улам бүр хүлээн зөвшөөрөгдөж байгаа биологийн үндэслэлтэй арга бол нөхөн сэргээгдэх хөдөө аж ахуй (RA) юм. Нөхөн сэргээгдэх хөдөө аж ахуй нь хөрсний нөхөн сэргээлт, урт хугацааны экологийн тэнцвэрт байдалд анхаарлаа хандуулснаар газар тариаланд илүү нэгдсэн, тогтвортой хандлагыг санал болгодог (5). Химийн бордоо, пестицидээс ихээхэн хамаардаг уламжлалт хөдөө аж ахуйгаас ялгаатай нь Шуурхай үнэлгээний судалгаа нь байгалийн гаралтай уламжлалт арга барилыг чухалчилдаг (6). Хөрсний эрүүл мэндийг сайжруулахын тулд нөхөн сэргээх хөдөө аж ахуйн үндсэн таван үндсэн зарчим нь: хөрсний эвдрэлийг багасгах, ургацын олон янз байдлыг нэмэгдүүлэх, хөрсний бүрхэвчийг тасралтгүй хадгалах, жилийн турш хөрсөн дэх амьд үндэсийг хадгалах, үхэр зэрэг малыг газар тариалангийн системд нэгтгэх явдал юм.

Тогтвортой хөдөө аж ахуй, агаар мандлын нүүрстөрөгчийг хадгалах хамгийн үр дүнтэй аргуудын нэг хэдий ч Шуурхай үнэлгээний үнэлгээ нь өргөн хүрээнд хэрэгжүүлэхэд хэд хэдэн саад бэрхшээлтэй тулгардаг (7). Энэ арга нь цаг хугацаа их шаарддаг бөгөөд болгоомжтой, тууштай менежмент шаарддаг. Тариаланчид газар нутгаа үр дүнтэй удирдахын тулд шинэ арга техникийг нэвтрүүлж, хөрсний биологи, ургамлын харилцан үйлчлэл, экосистемд суурилсан туршлагын талаар илүү гүнзгий ойлголттой болох ёстой. Эдгээр ээлжүүд нь ихэвчлэн техникийн сургалт, урт хугацааны амлалт шаарддаг бөгөөд энэ нь бүх тариалангийн хамт олонд боломжгүй байдаг.

Гэсэн хэдий ч, RA нь дрон, мэдрэгч, хөдөө аж ахуйн робот зэрэг орчин үеийн технологиудыг тууштай хэрэгжүүлэх, нэгтгэх замаар дэмжвэл энэ нь нүүрстөрөгчийг хадгалах хамгийн найдвартай урт хугацааны стратегиудын нэг болох боломжтой юм (8). Эдгээр технологи нь газар зохион байгуулалтын ажлын нарийвчлал, үр ашгийг дээшлүүлж, хөрсний эрүүл мэндийг хянах, тариалангийн эргэлтийг оновчтой болгох, хөдөлмөр их шаарддаг ажлыг багасгахад хялбар болгодог. Жишээлбэл, хөрс нь хөдөө аж ахуйн аргаар жилд 3.4 гигатон нүүрстөрөгчийг шингээх чадвартай болохыг судалгаагаар тогтоожээ (9). Гэсэн хэдий ч ийм хэмжээний шүүрэлтэнд хүрэхийн тулд жилд ойролцоогоор 5.72 × 10¹¹ мод тарих шаардлагатай болно.

Шуурхай үнэлгээний процесс нь хөрсөн дэх нүүрстөрөгчийн урт хугацааны хадгалалтад хувь нэмэр оруулдаг харилцан уялдаатай хэд хэдэн биологийн болон химийн үе шатуудыг агуулдаг. Энэ нь фотосинтезийн явцад агаар мандлын нүүрсхүчлийн хийг (CO₂) шингээхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг мод, үр тариа, ургамлын тариалалтаас эхэлдэг. Фотосинтезийн явцад ургамал CO₂ ба усыг глюкоз (C₆H₁₂O₆) болон хүчилтөрөгч (O₂) болгон хувиргаж, дараах урвалыг явуулдаг. 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Үүссэн глюкоз нь зөвхөн ургамлын өсөлтөд ашиглагддаггүй, мөн бичил биетний бүлгийг дэмжихийн тулд үндэсээр дамжин хөрсөнд шингэдэг. Эдгээр үндэс эксудат нь үндэс мандалд бичил биетний амьсгал, үйл ажиллагааг идэвхжүүлж, шим тэжээлийн эргэлтийг сайжруулдаг. Органик нүүрстөрөгчийн зарим хэсгийг чийгшүүлэх процессоор тогтворжуулж, бичил биетний болон ургамлын үлдэгдэл нь нарийн төвөгтэй ялзмаг бодис болж хувирдаг. Эдгээр бодисууд нь хөрсний тогтвортой органик бодисыг бүрдүүлдэг бөгөөд хөрсөнд хэдэн арван жил үлдэж, хөрсөнд нүүрстөрөгчийг үр дүнтэй хадгалдаг.

Шуурхай үнэлгээ нь өндөр тогтвортой арга боловч энэ аргаар үр дүнтэй ахиц дэвшил гаргахын тулд хүний ​​үйл ажиллагаанаас үүдэлтэй нүүрстөрөгчийн ялгаруулалтыг нэгэн зэрэг бууруулах шаардлагатай. Хүний үйл ажиллагааны улмаас ялгардаг нүүрстөрөгчийн давхар ислийн жилийн хэмжээ нь нөхөн сэргээгдэх хөдөө аж ахуйн дадлагаас (дэлхийн жилийн төсөв) ялгарах хэмжээнээс давж байгааг судалгаагаар харуулж байна. Жишээлбэл, 2023 онд 36.8 гигатон CO2 ялгарсан бол Шуурхай судлалаар жилд 3.4 гигатон нүүрстөрөгч ялгардаг.

Бетон бол хаа сайгүй байдаг барилгын материал; Энэ нь бидний зам, явган хүний ​​зам, барилга байгууламж, гүүр, хонгилд байдаг. Үнэн хэрэгтээ бетон нь дэлхийн хамгийн их ашиглагддаг хоёр дахь бодис бөгөөд усны дараа хоёрдугаарт ордог бөгөөд "барилгад бусад бүх барилгын материалыг нийлүүлснээс хоёр дахин их бетоныг ашигладаг" (12). Одоогоор дэлхий даяар жил бүр 30 тэрбум тонн бетон үйлдвэрлэж байгаа бөгөөд дэлхийн өмнөд бүсийн олон оронд аж үйлдвэржилт эрчимжиж байгаатай холбоотойгоор дэлхийн бетоны эрэлт улам бүр нэмэгдэж байна (13). Харамсалтай нь бетон нь эрчим хүчний өртөгтэй байдаг.

Бетоны гол бүрэлдэхүүн хэсэг болох цемент нь гэж нэрлэгддэг процессоор бий болдог кальцинжуулалт - шохойн чулуу, шаврын холимог нь маш өндөр температурт халсан бөгөөд энэ нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO) үүсгэдэг химийн урвал үүсгэдэг. ₂ ) болон шохой (CaO). Дараа нь шохойг илүү их шавартай хольж, дахин халааж цемент үүсгэдэг. Эцэст нь тэр цемент нь устай урвалд орж янз бүрийн чийгшүүлэх бүтээгдэхүүн үүсгэдэг ба дүүргэгчийг (голчлон элс, хайрга, буталсан чулуулаг) хатууруулж, холбож, бидний мэдэх бетоныг үүсгэдэг.

Гэсэн хэдий ч, цемент болон CO-г халаахад шаардагдах ихээхэн хэмжээний эрчим хүчний ₂  Шохойжуулах явцад дагалдах бүтээгдэхүүн болж ялгардаг бодисыг хоёуланг нь харгалзан үзвэл бетонд нүүрстөрөгчийн ул мөр нэлээд их байдаг нь тодорхой болж байна. Уг нь нэг тонн цементээс 0.85 тонн CO ялгардаг ₂ , мөн бетоны үйлдвэр нь дэлхийн нүүрстөрөгчийн ялгаруулалтын 4-8 хувийг үйлдвэрлэдэг (14). Одоогийн байдлаар өөр ямар ч барилгын материал бетоны олон талт байдал, хямд өртөг, үйлдвэрлэхэд хялбар байх чадваргүй боловч бетоны нүүрстөрөгчийн ул мөрийг багасгахын зэрэгцээ үйлдвэрлэлийн зардлыг бууруулах арга зам бий юу?

Холих явцад нүүрстөрөгчийн давхар исэл ялгаруулдаг ч бетон нь идэвхгүй химийн урвалаар нүүрстөрөгчийг шингээдэг. өгөршлийн нүүрстөрөгч. Энэ процессын явцад кальцийн гидроксид (Ca(OH)) ₂ Бетон дахь чийгшүүлэх урвалын дайвар бүтээгдэхүүн болох портландит нь агаар дахь нүүрстөрөгчийн давхар исэлтэй урвалд орж кальцийн карбонат (CaCO) үүсгэдэг. ₃ , мөн кальцит гэж нэрлэдэг). Энэ нь нүүрстөрөгчийг шингээх нэг хэлбэр юм - агаараас нүүрстөрөгч (CO ₂ ) нь бетоны молекулын бүтцэд ашигт малтмалын хэлбэрээр “бичлэгдэнэ”.

Гэсэн хэдий ч уур амьсгалын өөрчлөлтийг бууруулах, бетоны үйлдвэрлэлийн нүүрстөрөгчийн ул мөрийг бууруулах боломжит стратегийн хувьд энэ үйл явц нь хэд хэдэн сул талуудтай. Эхнийх нь энэ нь маш удаан явагддаг; нэг тонн бетон 0.9 кг хүртэл CO-г шингээдэг ₂  Энэ утга нь чийгшил, температур зэрэг хүрээлэн буй орчны нөхцлөөс ихээхэн хамаардаг боловч нүүрстөрөгчжилтийн өгөршлийн улмаас жилд. Энэ нь өгөршлийн карбонжилтын үед үүсэх нүүрстөрөгчийн шингээлт нь үйлдвэрээс ялгарах нүүрстөрөгчөөс хамаагүй бага гэсэн үг юм. Хоёр дахь сул тал нь CO-д удаан хугацаагаар өртөх явдал юм ₂ , бетоныг хооронд нь холбоход тусалдаг нүүрстөрөгчийн силикат гидрат гель (CSH) задарч, бетон задарч эхэлдэг. Гэсэн хэдий ч бид нүүрстөрөгчийн өгөршлийн үед үүсдэг химийн үндсэн урвалуудыг удаан, идэвхгүй гэхээсээ илүү хурдацтай, идэвхтэй бетонд нүүрстөрөгчийг шингээх техникийг төлөвлөх зураг төсөл болгон ашиглаж болно.

Үүнээс харахад энэ салбар одоогоор хоёр аргууд. Эхнийх нь гэж нэрлэгддэг эрдэс нүүрстөрөгчжилт, мөн үндсэндээ “чулууны өгөршлийн хурдацтай дуураймал” (13). Ашигт малтмалын карбонжуулалт нь холбогч нэгдлүүдийг чиглүүлдэг; Ихэвчлэн цементийг устай хольж, бетоны дүүргэгчийг хооронд нь холбодог чийгшүүлэгч бүтээгдэхүүнийг үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч, хэрэв CO ₂  усанд уусч нүүрстөрөгчийн хүчил үүсгэдэг (H ₂ CO ₃ ), хүчлийн гидронийн ионууд нь цемент дэх силикат ислийг задалж, цементийн кальци, магнийн ионуудыг суллаж тогтвортой карбонат үүсгэдэг. Нэг судалгаагаар арилжааны ашигт малтмалын нүүрстөрөгч нь жилд 3 Гт хүртэл нүүрстөрөгчийг ялгаруулж чаддаг.

Хоёрдахь арга нь бетоныг өөрөө чиглүүлдэг. Бетоныг чийгшүүлэх урвалыг хурдан хангахын тулд холилдсоны дараа ихэвчлэн хатаадаг бөгөөд энэ нь бетоны урт хугацааны бат бөх, бат бөх байдалд сайнаар нөлөөлдөг. Уур нь өндөр температур, харьцангуй чийгшил (15) -ийг зөвшөөрдөг тул бетоныг хатууруулдаг ердийн орчин юм, гэхдээ CO. ₂  мөн адил үр дүнтэй ашиглаж болно. Энэ үйл явц, хаана CO ₂  хийг эрт үеийн бетонд шахдаг (өөрөөр хэлбэл холилдсоноос хойш хэд хоногийн дараа) гэж нэрлэдэг карбонатжуулах. Ашигт малтмалын карбонжилтын нэгэн адил карбонжуулалт нь силикат ислийг ус ба CO-тэй урвалд оруулдаг. ₂  CaCO үүсгэх ₃ .

Мэдээжийн хэрэг, цэвэр CO ₂  хий, түүнчлэн хатууруулахад шаардлагатай хаалттай урвалын камеруудыг төлөвлөх, засвар үйлчилгээ хийх нь үйлдвэрлэгчийн нэмэлт зардал юм. Гэсэн хэдий ч уламжлалт биндэр болон дүүргэгч материалыг дахин боловсруулсан материалаар орлуулж, салбартаа "ногоон бетон" гэж нэрлэгддэг зүйлийг хийх замаар эдгээр зардлыг бууруулах боломжтой. Жишээлбэл, бетоны цементийн бүрэлдэхүүн хэсгийн ердийн сонголт болох портланд цементийг үнс (нүүрсний үйлдвэрлэлийн дайвар бүтээгдэхүүн) эсвэл ган шаараар хэсэгчлэн эсвэл бүрэн сольж болно, учир нь хоёуланд нь чийгшүүлэх урвал үүсэхэд шаардлагатай исэл агуулагддаг. Нэг судалгаагаар Портланд цементийг үнс шохойн хольцоор сольсноор 78%-ийн карбонатжилтын зэрэгтэй бетон хольц гарч ирдэг бол Портланд цементийн хяналтын хольц дахь 32%-ийн карбонатжилтын зэрэгтэй (13) харьцуулсан байна.

Нэмж дурдахад, том ширхэгтэй дүүргэгчийн ердийн сонголт болох хайрга, буталсан чулууг нураах нэмэлт бүтээгдэхүүнээр (буталсан тоосго, бетон гэх мэт) сольж болно. Эдгээр дүүргэгч дээр ашигт малтмалын карбонжуулалт хийж, тэдгээрийн бат бөх, бат бөх чанарыг нэмэгдүүлэхийн зэрэгцээ нүүрстөрөгчийг шингээх чадварыг нэмэгдүүлэх боломжтой. Эцэст нь нарийн ширхэгтэй дүүргэгчийг (ихэвчлэн элс) био нүүрсээр сольж болох бөгөөд энэ нь өөрөө нүүрстөрөгчийн шингээлтийн бүтээгдэхүүн болох нэмэлт давуу талтай (бионүүрс нь хүчилтөрөгч багатай орчинд маш өндөр температурт органик бодисыг шатаах замаар үүсдэг бөгөөд энэ нь тогтвортой нүүрстөрөгчийн бүтэц үүсэхэд хүргэдэг). Зарим судалгаагаар бионүүрс нь бага насны карбонжуулалтын үед чийгшүүлэх урвалыг хурдасгаж, шахалтын бат бэхийг нэмэгдүүлдэг болохыг тогтоожээ (16). Бионүүрс нь мөн маш сүвэрхэг бөгөөд энэ нь нүүрстөрөгчийн урвал явагдах илүү олон газартай гэсэн үг юм.

CCS эсвэл нөхөн сэргээгдэх хөдөө аж ахуйгаас ялгаатай нь ногоон бетон нь одоо байгаа үйлдвэрээс их хэмжээний өөрчлөлт хийх эсвэл шинээр бий болгохыг шаарддаггүй; Үүний тулд дахин боловсруулсан дайвар бүтээгдэхүүнийг бетоны хольцод оруулах, уурын оронд карбонатжуулах технологийг ашиглахад л хангалттай. Цемент үйлдвэрлэгчдэд одоогоор уур амьсгалд илүү зохицсон ирээдүйд хөрөнгө оруулалт хийх боломж байгаа бөгөөд энэ нь бид хотуудаа тусгаарлагдсан CO-ээс барьж байгуулахад бэлэн байна. ₂ .