CC BY
3УДК 614.841:504.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ПРОЦЕССЕ СЖИГАНИЯ ОТХОДОВ
ШАДРУНОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА
д-р техн. наук., зав. отделом горной экологии, Институт проблем комплексного
освоения недр РАН Москва, Россия
КОЛОДЕЖНАЯ ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА
к. техн. наук., ведущий научный сотрудник отдела горной экологии, Институт проблем
комплексного освоения недр РАН Москва, Россия
ЧЕКУШИНА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА
к. техн. наук., ведущий научный сотрудник отдела горной экологии, Институт проблем
комплексного освоения недр РАН Москва, Россия
ВОРОБЬЕВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ
аспирант отдела горной экологии, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
Москва, Россия
Аннотация: Научное исследование проводилось с целью изучения воздействия сжигания отходов на концентрацию углекислого газа (CO2) в атмосфере. Эксперимент включал в себя серии замеров концентрации CO2 при сжигании отходов с и без добавления шлаков и золы. Результаты показали значительное снижение концентрации CO2 при добавлении шлаков и золы в процесс сжигания отходов. Полученные данные могут быть полезны для оптимизации процессов утилизации отходов с целью минимизации выбросов CO2 в атмосферу.
Ключевые слова: секвестрация, окружающая среда, защита окружающей среды, экология, диоксид углерода, мусоросжигательный завод, шлаки.
Введение. В современном обществе проблема антропогенного влияния на окружающую среду является одним из наиболее актуальных глобальных вызовов. В частности, проблема выбросов углерода и его влияния на изменение климата привлекает все большее внимание. Для сокращения углеродсодержащих выбросов требуются инновационные и эффективные решения [1].
Одним из потенциальных источников сокращения выбросов углерода являются шлаки мусоросжигательных заводов. Шлаки, образующиеся в процессе сжигания мусора, содержат значительное количество углерода и могут быть использованы для улавливания диоксида углерода из газовых сред. Таким образом, возникает необходимость изучения возможностей использования шлаков мусоросжигательных заводов в качестве среды для улавливания углерода и снижения выбросов [2].
Основной целью статьи является изучение скорости улавливания диоксида углерода шлаками в газовых средах и определение возможности и эффективности использования шлаков для снижения углеродсодержащих выбросов. Для достижения этой цели была предложена лабораторная установка, которая позволяет проводить эксперименты с различными образцами шлаков и газовыми средами.
В статье представлен подробный обзор существующих работ по использованию шлаков мусоросжигательных заводов для снижения выбросов, а также описание лабораторной установки и методики проведения эксперимента.
Создание лабораторной установки имеет значимость как для научного сообщества, так и для практических применений. Предлагаемые методы и решения могут быть использованы в промышленности для снижения выбросов углерода и улучшения экологической обстановки. Также данное исследование предоставляет новые научные данные и вносит вклад в развитие области улавливания углерода.
Теоретический обзор. Мусоросжигательные заводы являются одним из основных способов утилизации отходов и производства энергии [3]. В процессе сжигания мусора на мусоросжигательных заводах образуются шлаки, которые представляют собой остатки сгоревшего мусора и содержат различные компоненты, включая углерод. Использование шлаков мусоросжигательных заводов для снижения углеродсодержащих выбросов представляет собой одну из возможностей экологически обоснованной утилизации этих отходов.
Углерод, входящий в состав шлаков, является эффективным веществом для улавливания диоксида углерода (CO2) из газовых сред [4]. Поскольку диоксид углерода является основным веществом, влияющим на глобальное потепление, снижение его выбросов является важной задачей с точки зрения смягчения изменения климата.
Одним из основных методов улавливания диоксида углерода является его физическое или химическое взаимодействие с углеродсодержащими материалами. Шлаки мусоросжигательных заводов, содержащие значительное количество углерода, могут служить такими материалами для улавливания CO2 из различных газовых сред.
Для проведения исследования скорости улавливания диоксида углерода шлаками в газовых средах была предложена лабораторная установка (рис. 1).
Рис.1. Принципиальная схема лабораторной установки для исследования скорости улавливания диоксида углерода шлаками в газовых средах: 1 — герметичная камера; 2 — баллон с СО2; 3 — редуктор; 4 — гибкий рукав; 5 — химический газоанализатор; 6 — бытовой вентилятор; 7 — образцы; 8 — чаша с насыщенным раствором поваренной соли; 9 — стеллаж; 10 — и-образная трубка; 11 — пульт управления автоматическим газоанализатором ОКА-Т-СО2; 12 — датчик автоматического газоанализатора, установленный внутри камеры; 13 — система тихоходных вентиляторов; 14 — решетка для установки образцов
Главными компонентами установки являются герметичная камера, баллон с диоксидом углерода, редуктор, гибкий рукав, химический газоанализатор, бытовой вентилятор, образцы шлаков, чаша с насыщенным раствором поваренной соли и система тихоходных вентиляторов.
Пульт управления автоматическим газоанализатором ОКА-Т-СО2 позволяет контролировать процесс улавливания диоксида углерода во время эксперимента.
щ
После проведения эксперимента и получения результатов будет произведен анализ скорости улавливания диоксида углерода шлаками в газовых средах. Основываясь на полученных данных, мы сможем сделать выводы о возможности использования шлаков мусоросжигательных заводов в качестве среды для снижения углеродсодержащих выбросов и внести вклад в разработку эффективных методов утилизации отходов и снижения выбросов CO2.
Представленный теоретический обзор позволяет лучше понять физико-химические основы процесса улавливания диоксида углерода шлаками и его потенциал для снижения выбросов углерода в газовые среды.
Методика исследования. Методика исследования состоит из 3 основных этапов:
1. Подготовка лабораторной установки (необходима для обеспечения правильного функционирования и безопасной работы всех компонентов, а также для создания оптимальных условий для проведения экспериментальных исследований: включает монтаж, проверку и настройку приборов и обеспечение безопасности в лабораторной области).
2. Проведение эксперимента (необходимо для получения конкретных данных и информации, которые позволят проверить гипотезу, подтвердить или опровергнуть предположения, а также для получения объективных результатов и выводов на основе наблюдений и измерений, позволяет проверять и уточнять научные теории, разрабатывать новые методы и технологии, а также обогащать исследовательскую базу для дальнейших исследований и развития научных областей).
3. Анализ и обработка результатов (необходимы для выявления закономерностей, связей и выводов на основе полученных данных из эксперимента или исследования, процесс включает в себя статистический анализ данных, визуализацию результатов, интерпретацию их значимости и объяснение обнаруженных явлений, что позволяет сформулировать выводы и сделать научные заключения, являются неотъемлемой частью научных исследований и помогают расширить наше понимание изучаемого явления или проблемы).
Экспериментальное исследование. Экспериментальное исследование по данной тематике имеет несколько целей: исследование позволяет изучить, насколько эффективно шлаки мусоросжигательных заводов могут улавливать и удерживать углерод. Это важно для оценки потенциала использования таких шлаков в качестве материала с низким содержанием углерода или для снижения выбросов в атмосферу, а также, позволит оценить влияние различных факторов (например, состав шлаков, условия экспозиции и температуры) на эффективность улавливания углерода, это позволит оптимизировать процесс и определить оптимальные условия использования шлаков для снижения углеродсодержащих выбросов.
В ходе трех серий замеров проводились изменения концентрации CO2 в различных условиях. В первой серии замеров, проведенной для проверки герметичности без содержания шлаков, масса льда составляла 350 г каждый раз. Измерения показали следующие изменения концентрации CO2: с 1092 ppm до 1045 ppm в первом замере, с 1051 ppm до 1021 ppm во втором замере, и с 1035 ppm до 998 ppm в третьем замере, за период по 10 минут. Средняя концентрация формальдегида (HCHO) составила 0,112, а общая концентрация органических летучих соединений (TVOC) составила 0,622.
Во второй серии замеров, в которой добавлялись шлаки, масса льда составляла 350 г, а масса шлаков - 200 г в каждом из трех замеров. Замеры показали следующие изменения концентрации CO2: с 1040 ppm до 892 ppm в первом замере, с 1024 ppm до 870 ppm во втором замере и с 1020 ppm до 820 ppm в третьем замере. Средняя концентрация HCHO составила 0,178, а TVOC составила 0,793.
Третья серия замеров проводилась с добавлением золы, при этом масса льда составляла 350 г и масса золы - 50 г в каждом из трех замеров. Те изменения концентрации CO2 составили: с 1090 ppm до 880 ppm в первом замере, с 1068 ppm до 915 ppm во втором замере и с 1035 ppm до 896 ppm в третьем замере. Средняя концентрация HCHO составила 0,181, а TVOC составила 0,806.
Формальдегид (НСНО) и органические летучие соединения (TVOC) - это типичные загрязнители воздуха, которые могут присутствовать в помещении. Формальдегид является химическим соединением, широко используемым в производстве мебели, строительных материалов, ковровых покрытий и других предметов интерьера. Органические летучие соединения могут включать различные химические вещества, такие как бензол, толуол, ксилол и другие, которые могут выделяться из строительных материалов, мебели, ковровых покрытий, красок, лаков и других бытовых продуктов.
Наличие НСНО и TVOC обычно не связано со шлаками. Образцы контаминации, возможно, могли быть внесены в процессе их обработки, при их сборе, транспортировке или хранении. А также, использование образцовых емкостей, инструментов или оборудования, которые ранее контактировали с материалами, содержащими НСНО или TVOC, могло привести к заражению шлака этими веществами.
Из проведенных замеров видно, что добавление шлаков и золы значительно снижает концентрацию СО2 в воздухе в сравнении с замерами без добавок. Среднее снижение концентрации СО2 при добавлении шлаков составило около 150 ррт, а при добавлении золы - около 200 ррт. Эти данные могут быть полезны при проектировании и оптимизации процессов мусоросжигания на заводах.
На основании результатов, можно предположить, что использование шлаков и золы при мусоросжигании может помочь уменьшить выбросы СО2 и других вредных веществ в атмосферу. Дополнительные исследования и эксперименты могут подтвердить эффективность использования этих материалов для этой цели. Также стоит учитывать, что применение шлаков и золы может также оказать влияние на другие аспекты процесса мусоросжигания, например, на состав и свойства получаемых отходов.
Заключение. полученные данные позволяют сделать вывод о значительном влиянии шлаков и золы на скорость улавливания диоксида углерода. Результаты серии замеров без шлаков, проведенные для проверки герметичности, показали незначительные изменения концентрации СО2, в то время как замеры со шлаками и золой демонстрируют существенное понижение концентрации СО2 за тот же временной интервал. Среднее содержание формальдегида (НСНО) и органических летучих соединений (TVOC) также увеличивается при взаимодействии с материалами. Таким образом, результаты указывают на важность учета влияния шлаков и золы при анализе качества воздуха и разработке методов очистки от загрязнений.
Эксперимент также демонстрирует эффективность лабораторной установки для изучения скорости улавливания диоксида углерода в газовых средах и может быть использован для дальнейших исследований в этой области. Полученные результаты представляют интерес для различных отраслей, включая экологию, химическую промышленность и сферу охраны окружающей среды. В целом, проведенный эксперимент позволяет расширить наши знания о процессах улавливания диоксида углерода материалами и может послужить основой для дальнейших исследований в этой области.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Воробьев К.А., Щерба В.А. Диоксид углерода как химическое сырье // В сборнике: География: развитие науки и образования. Сборник статей по материалам ежегодной международной научно-практической конференции LXXIV Герценовские чтения. Отв. редакторы С.И. Богданов, Д.А. Субетто, А.Н. Паранина. Санкт-Петербург, 2021. С. 149-157.
2. Воробьев К.А. Возможности использования шлаков мусоросжигательных заводов для снижения углеродсодержащих выбросов // В сборнике: Человек и окружающая среда. Сборник докладов XI Всероссийской молодёжной научной конференции. Отв. редакторы: Ю.А. Бобров, О М. Старцева, Ю.Н. Шабалина. Сыктывкар, 2023. С. 43-47.
3. Воробьев К.А. Возможности улавливания диоксида углерода шлаками мусоросжигательных заводов в газовых средах // Вестник Пермского университета. Геология. 2023. Т. 22. № 3. С. 275-281.
4. Воробьев К.А., Ушкова В.Д., Иванова Е.М. Методы минеральной карбонизации и утилизации диоксида углерода на территории Российской Федерации // Монография. Издательство: ООО "Издательство "Спутник+". Москва, 34 С.
5. Салаватов Т.Ш., Байрамова А.С.К., Воробьев К.А. Использование диоксида углерода в качестве химического сырья // Вестник евразийской науки. 2021. Т. 13. № 2. С. 2.
6. Щерба В.А., Баранова К.Р., Абрамова Е.А., Мазаев А.В., Воробьев К.А. Особенности правового регулирования и обращения с твердыми коммунальными отходами в России и Германии // Отходы и ресурсы. 2023. Т. 10. № 2.
