CC BY
6
05.14.00
ЭНЕРГЕТИКА
05.14.08 ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ
(технические науки)
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48
1 2 Р.Х. Рахимов1, Дж. Петер2,
11 В.П. Ермаков1, М.Р. Рахимов1
1 Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, 100047, Ташкент, Узбекистан
2 RPE InfraTherm GmbH, 09638, Лихтенберг, Германия
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕР-КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА В ПРОИЗВОДСТВЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ1
Аннотация. Статья посвящена рассмотрению возможности применения пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки в повышении эффективности производства микроводорослей. Представлены основные преимущества композита относительно традиционного метода.
Ключевые слова: пленочно-керамический композит, функциональная керамика, микроводоросли, биотопливо, преобразователи спектра, импульсное инфракрасное излучение
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Рахимов Р.Х., Петер Дж., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Перспективы применения полимер-керамического композита в производстве микроводорослей // Computational nanotechnology. 2019. Т. 6. № 4. С. 44-48. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48
R. Rakhimov1, J. Peter2, V. Yermakov1, M. Rakhimov1
1 Institute of Materials Science "Physics-Sun", Uzbekistan Academy of Sciences, Tashkent, 100047, Uzbekistan
2 RPE InfraTherm GmbH, Lichtenberg, 09638, Germany
PROSPECTS OF APPLICATION OF POLYMER-CERAMIC COMPOSITE IN THE PRODUCTION OF MICROALGAE
Abstract. The article is devoted to the consideration of the possibility of using a film-ceramic composite based on functional ceramics and polyethylene film in increasing the efficiency of microalgae production. The main advantages of the composite relative to the traditional method arepresented.
Key words: film-ceramic composite, functional ceramics, microalgae, biofuels, spectrum converters, pulsed infrared radiation
1 Работа выполнена по гранту: ФА-Ф-4-005 «Новые принципы генерации инфракрасного импульсного излучения функциональной керамикой и его
взаимодействие с веществом».
Рахимов Р.Х., Петер Дж., Ермаков В.П., Рахимов М.Р.
CITATION: Rakhimov R.Kh, Peter J., Yermakov V.P., Rakhimov M.R. Cognitive model of decision support in the management of value-added reproduction chains in production systems. Computational nanotechnology. 2019. Vol. 6. No. 4. P. 44-48. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48
Микроводоросли играют все более важную роль в будущем для достаточного и здорового питания человека и в качестве источников энергии для производства, отопления и транспорта.
В результате интенсивные исследования и производство уже ведутся во всем мире в этой области. При производстве красителей [4; 5], лекарств и пищевых добавок [6], биотопливо [1-3; 7; 8]. Производство уже выгодно по многим составляющим. Напротив, производство источников энергии (метан, нефть, керосин и т.д.) далеко не экономично и не экологично.
Например, самым перспективным видом сырья для производства биотоплива являются водоросли [1]. Водоросли являются самыми быстрорастущими растениями на земле (масса за сутки удваивается), для их роста требуется легкодоступное сырье: солнечный свет, вода и диоксид углерода. Топливо из водорослей сейчас называют биотопливом третьего поколения.
Добываемое из водорослей биотопливо по своим свойствам не уступает нефти, при этом не требует бурения скважин и избавляет от экономической и политической зависимости от нефтедобывающих стран. Как выясняется, водоросли - надежный, дешевый и неприхотливый источник энергии. Вот почему производство биотоплива, наравне с другими возобновляемыми источниками энергии, находится во главе приоритетов многих стран [2].
Предварительные расчеты показывают, что 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров - это менее 0,1% земель США пригодных для выращивания водорослей [1].
Нужно учитывать и тот факт, что водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% - 3 раза в день [3].
Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.
Однако основная технологическая трудность заключается в том, что:
• водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы);
• коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для эффективной сушки водорослей в больших объемах.
Именно возможные пути решения этих проблем рассматриваются в данной статье.
Технологии выращивания водорослей
Департамент Энергетики США исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышлен-
ного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 г водорослей с 1 м2 в день [1]. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата. Компания BioKing приступила к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла.
Испанские ученые нашли один из видов микроводорослей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освещении. Если в открытом море каждый кубометр воды приходится до 300 клеток водорослей, то исследователи получили 200 млн клеток на тот же кубометр воды [1]. Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150-300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей - это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 г. использовал 100% биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд л масла. Для выращивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн га. В расчете принято, что с одного гектара получается 6500 л ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур.
В настоящее время технологии оттачиваются на следующих фотобиореакторах.
А. Закрытые системы в стеклянных или пластиковых
трубах FPA (Flat Panel Airlift). Б. Открытые системы OP (Open Pond). По крайней мере, 90% всей работы сосредоточено на текущих решениях А. Б, очевидно, имеет преимущество низких инвестиций, но имеет следующие недостатки:
• опасность бактериального загрязнения;
• высокая потеря воды;
• низкая продуктивность на 1 м2 площади - сельскохозяйственные площади дорогие и ценны;
• низкая энергия (света) - но в целом говорят об обычном свете;
• высокие затраты на насосы;
• более слабый компьютерный контроль над светом, CO2, температурой, питательными веществами, смешиванием;
• при покрытии OP стеклом или пленкой существует риск перегрева под сильным солнцем.
• один из самых больших факторов стоимости как для А, так и для В - огромные затраты для сушки собранных влажных микроводорослей.
Строительство Большой солнечной печи (Паркент, Узбекистан), позволило получать материалы с уникальными
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ (технические науки)
свойствами [9]. Преимущество солнечных печей состоит в мгновенном достижении высокой температуры, позволяющей получать чистые материалы без примесей (в том числе благодаря чистоте горного воздуха). Поэтому получаемые в ней материалы характеризуются крайне высокой чистотой и отсутствием примесей. Главным отличие свойств материалов, получаемых в солнечной печи, наряду с чистотой, является то, что под действием мощного потока фотонов с широким набором энергий, при взаимодействии с веществом реализуются все возможные метастабильные состояния проходят все термо- и фотохимические реакции, возможные в этом диапазоне энергий. Никакой другой способ не дает возможности получать с такими уникальными свойствами, как с синтезированные под воздействие концентрированного солнечного излучения. Использование таких материалов позволило выйти на принципиально новый уровень во многих сферах и отраслях. Это медицина, синтез материалов с комплексом заданных свойств, высокотемпературные материалы, материалы с высокой термостойкостью и механической прочностью, химически стойкие материалы, материалы для спецоптики и др.
Разработан принципиально новый механизм преобразования энергии первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами, в частности, возможность регулирования фронта нарастания импульса инфракрасного (ИК) излучения. Показано, что свойства одного и того же химического соединения под воздействием ИК-излучения функциональной керамики с различной скоростью фронта нарастания импульса в корне отличаются [10]. Другими словами, фронт нарастания импульса может рассматриваться как часть синусоиды псевдо длины волны и оказывать такое же воздействие на объекты, как и излучение с такой же длиной волны. При этом, можно избегать многих нежелательных последствий, которые наблюдались бы при использовании излучения с максимумом излучения в этом диапазоне. Связанно это с тем, что во втором случае присутствует излучение и в довольно широком диапазоне частот.
В качестве примера приводятся результаты по исследованию температурных характеристик для трехслойного каскадного композита - первый слой представляет полиэтиленовую пленку с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно продлевает срок ее службы. Второй слой - каркас из такой же пленки для увеличения механической прочности, третий, нижний слой содержит функциональную керамику с наноструктурами. Суммарное содержание керамики в композите 0,5-2,5% (масс.) относительно полиэтилена. Функциональная керамика, добавленная в третий слой поглощает солнечную энергию в широком диапазоне и преобразует его в ИК-излучение с фронтом импульса, соответствующего 9,7-10 мкм. Учитывая, что Т = 2898, длина волны соответствует примерно 290-300 К (17-27 °С). Как следует из данных рис. 1, вначале наблюдается более высокая температура под композитной пленкой; при температуре 15 °С наблюдается перегиб; при температуре окружающей среды 25-27 °С температуры под композитной пленкой и контрольной пленкой выравниваются, а при дальнейшем повышении температуры окружающей среды наблюдается более низкая температура под композитной пленкой.
05.14.08
Рис. 1. Разность температур Д7 в камерах из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита в зависимости от температуры окружающей среды
Предложенный трехслойный композит с каскадным преобразованием на основе оксидов железа, хрома, кальция, магния, меди и полиэтиленовой пленки существенно повышает процесс передачи солнечной энергии, и по сравнению с обычной пленкой имеет следующие преимущества.
1. Обладает в определенной степени способностью стабилизировать температуру.
2. Позволяет эффективнее использовать солнечную энергию при выращивании растений под пленкой.
3. Его эффективность по температуре в камере выше по сравнению с обычной пленкой, что особенно важно, при пасмурной и облачной погоде.
4. Композит, в отличие от обычной полиэтиленовой пленки не запотевает, так как нагревается до более высоких температур под действием солнечной энергии, что затрудняет конденсацию влаги на нем.
5. Обладает хорошей пропускной способностью красной части спектра, необходимой для фотосинтеза растений.
6. По сравнению с однослойным композитом на той же основе, является более эффективным в повышении температуры в камере, а также значительно лучше сохраняет температуру в объеме камеры после захода Солнца.
7. Позволяет использовать ультрафиолетовую часть спектра, что одновременно повышает срок службы композитной пленки.
8. Максимум пропускания излучения в видимом диапазоне находится в области 620-700 нм, что способствует переходу фитохрома растений в активную форму, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее.
Это открывает широкие перспективы для практического использования трехслойного композита с каскадным преобразованием в парниках, теплицах, водонагревателях, воздухонагревателях, и др. Было проведено экспериментальное изучение некоторых теплофизических и биологически активирующих свойств изготовленных опытных образцов пленочно-керамического композита в натурных полевых условиях. Для этого в тепличном фермеровском хозяйстве «Водий нихол умиди» г. Ферганы было выбрано два участка по 300 м2 с металлическими дугообразными каркасами радиусом 2,5 м и длиной 60 м. После соответствующей подготовки каркасы покрыли пленками в два слоя с воздушным зазором толщиной 10 см. Нижний слой на первом каркасе состоял из композитной пленки с содержанием керамики
Рахимов Р.Х., Петер Дж., Ермаков В.П., Рахимов М.Р.
в количестве, 0,5 масс. % (Пленка № 1), а на втором каркасе -аналогичной пленки с керамикой в 1,5 масс. % (Пленка № 2). Для верхнего слоя использовали обычную однослойную полиэтиленовую пленку толщиной 30 мкм. Оба тепличных помещения не отапливались [11].
Таким образом, с нашими композитными пленками для теплиц (FF.GH) и для сушки у нас уже есть первое практическое решение упомянутых недостатков 1-4, 7 и 8.
По Юстусу фон Либиху [12], именно здесь происходит интенсификация фотосинтеза до оптимального:
1) больше света, то есть больше энергии в спектральном диапазоне фотосинтеза от 600 до 680 нм;
2) больше СО2, поэтому питание хорошо смешивается с водой;
3) больше воды;
4) благоприятная температура в узком диапазоне;
5) оптимальное количество минералов.
Чем выше (1) при постоянных температурах, тем больше поглощение (2) и (3), тем быстрее и продуктивнее рост. Это основная суть дальнейших успешных исследований и производства.
Одно из крупнейших и лучших в Европе хозяйств по производству водорослей для медицины, косметики и питания по данным FPA имеет на 1,2 га 500 км стеклянных трубок. Это на 1 м2 41 м труб или 300 л воды с водорослями. Тем не менее, урожай составляет всего только 3,3 кг/м2 (33,3 т/га в год (сухое вещество водорослей)), но цена на производимую продукцию выше средней.
Решение для повышения продуктивности водорослей по Б: открытая система OP (Open Pond).
Есть в мире много площадей, которые не используются для сельского хозяйства, такие как пустыни, степи и т.д. Имеются также и районы бывших карьеров электростанций бурого угля в Германии, например, площадью 10 000 га по карьеру. Приаралье и пустыни в Узбекистане, казахстанские и российские степи.
Одновременно такие районы получат оптимальную водную каскадную систему. Большинство поверхностей имеет слабый наклон (<1°), каждая под площадь, например, 100 х 100 м, на которой вода с водорослями течет вниз относительно медленно. Поток 5 см, обогащенный CO2 затем собирается и снова стекает по этой поверхности с помощью насосов.
Над этой поверхностью, в оптимальном наклоне на высоте от 2 до 3 м, находится пленочно-керамический композит на основе функциональной керамики, усиливающий фотосинтез и стабилизирующий температуру. Композит имеет аналогичные или идентичные свойствами для выращивания водорослей, которые в настоящее время используются для теплиц и обладает тремя основными функциями:
а) усиление фотосинтеза - преобразование света из диапазона 100-600 нм в необходимый для фотосинтеза диапазон 600-680 нм;
6) поддержание более низкой температуры под сильным солнцем - преобразование ИК из коротковолнового в длинноволновый диапазон;
в) поддержание более высокой температуры ночью и зимой.
Это дает следующие преимущества:
• больше энергии для фотосинтеза, следовательно, больше поглощения CO2;
• сбалансированную температуру окружающей среды;
• более быстрый рост и накопление массы;
• более полное использование площадей.
Как только водоросли достигнут требуемой готовности, отключается поток воды. Заменяется композит «ФОТОСИНТЕЗ» композитом «СУШКА» [13] и начинается процесс сушки за счет солнечной энергии.
Речь идет о солнечной сушке. Когда влажность достаточно низкая, высушенные водоросли собирают и запускается следующий цикл культивирования водорослей.
Заключение
Таким образом, требования Юстуса фон Либиха от (1) до (5) теперь могут быть выполнены в полной мере.
Это означает:
• загрязнение воды / водорослей сводится к нулю;
• практически вода не теряется во время фазы фотосинтеза. Вода теряется только в фазе сушки (в принципе, ее тоже можно собрать за счет конденсации);
• этот процесс может быть полностью автоматизирован и программирован;
• производительность на килограмм сухого вещества на 1 м2, безусловно, во много раз выше, чем в классических системах FPA;
• затраты на сухую массу водорослей в евро/кг, безусловно, во много раз ниже, чем в классических системах FPA;
• нет перегрева или недостаточного охлаждения системы;
• разница температур сведена к минимуму;
• связывается относительно большое количество С02, что способствует улучшению экологии.
Обеспечение конструктивного и технологически оптимального решения требует соответствующих исследований и разработок, связанных с финансовыми ресурсами. Возможно эксклюзивное сотрудничество с инвесторами, инженерами и учеными смежных специальностей.
Литература / References
1. http://www.cleandex.ru/articles/2016/01/19/aglae-biofuels
2. http://il4u.org.il/blog/about-israel/science-technology/energiya-budushhego-goryuchee-iz-zelenyx-vodoroslej
3. https://en.ppt-online.org/266206
4. Krichevsky G.E. Chemical technology of textile materials: Textbook for universities in 3 volumes.Vol. 1. Moscow: MSU Publishing House, 2000.
5. Krichevsky G.E. Physico-chemical bases of application of active dyes. Light industry Publishing House, 1977
6. Demirbas A. Use of algae as biofuel sources. Energy Conversion and Management. December 2010. Vol. 51. Is. 12.
7. Shaishow Sh. et al. Biohydrogen from algae: fuel of the future. Int. Res. J. of Environment Sci. 2013. Vol. 2 (4). P. 44-47.
8. Singh J. Renewable and sustainability energy. Reviews. 2010. No. 14. P. 2596-2610.
9. Rakhimov R.H. Big solar furnace. Comp. nanotechnol. 2019. No. 2. P. 141-150.
10. RakhimovR.H., Ermakov V.P., RakhimovM.R. Phonon transformation mechanism in ceramic materials. Comp. nanotechnol. 2017. No. 4. P. 21-35.
11. Rakhimov R.H. Synthesis of functional ceramics on BSP and developments on its basis. Comp. nanotechnol. 2015. No. 3. P. 11-25.
12. Rakhimov R.Kh., Yermakov V.P., Rakhimov M.R., Yuldashev N.H., Is-mailovK., HatamovS.O. Features of synthesis of functional ceramics with a complex of the set properties by a radiation method. Part 3, Comp. nanotechnol. 2018. No. 2. P. 76-82.
13. https://mirznanii.com/a/324651-2/biografiya-i-nauchnaya-dey-atelnost-yustusa-libikha-2
14. Rakhimov R.H., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Patent of RUz No. IAP04844, priority date 24.08.2011.
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ (технические науки) 05.14.08
Статья поступила в редакцию 08.12.2019, принята к публикации 19.12.2019 The article was received on 08.12.2019, accepted for publication 19.12.2019
Сведения об авторах / About the authors
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; зав. лабораторией № 1 Института материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан
Rustam Khakimovich Rakhimov, Doctor of Technical Sciences; Head of laboratory № 1 at the Institute of Materials Science, "Physics-Sun". Uzbekistan Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan E-mail: [email protected]
Петер Джон, доктор технических наук, доктор экономических наук; директор RPE InfraTherm GmbH. Лихтен-берг, Германия
John Peter, Dr. eng., Dr.-economics.; RPE InfraTherm GmbH. Lichtenberg, Germany E-mail: [email protected]
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник лаборатории № 1 Института материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан
Vladimir Petrovich Yermakov, senior research associate of laboratory № 1 at the Institute of Materials Science, "Physics-Sun". Uzbekistan Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan E-mail: [email protected]
Рахимов Мурод Рустамович, младший научный сотрудник лаборатории № 1 Института материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан
Murod Rustamovich Rakhimov, research of laboratory № 1 at the Institute of Materials Science, "Physics-Sun". Uzbekistan Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan E-mail: [email protected]
