10.06.2012

Зеленые химические технологии – мечта или реальность?

10.06.2012 15:12

Термин «зеленый» в настоящее время зачастую ассоциируется с экологической чистотой и безопасностью технологического процесса. Издаваемый с 1999 года журнал “Green Chemistry” (Зеленая Химия) является сейчас одним из весьма престижных периодических научных изданий с высоким импакт - фактором (5,472 в 2011 году). По определению авторов монографии «Зеленая химия: теория и практика» Анастаса и Варнера (Green Chemistry: Theory and Practice, P. T. Anastas and J. C. Warner, Oxford University Press, Oxford, 1998) «Зеленая Химия» – это набор принципов, позволяющих снизить или полностью исключить использование или производство опасных для здоровья человека и окружающей среды веществ при создании, получении и применении химических продуктов.

Технологические процессы, которые могут квалифицироваться как «зеленые», представляют особый интерес в силу их экологической безопасности по сравнению с их обычными аналогами. Особая привлекательность таких процессов определяется либо резким снижением агрессивных отходов, либо полным их отсутствием, что по понятным причинам, является особенно интересным со всех точек зрения (экологических, экономических и пр.). Если же в дополнение к частичной или полной безотходности процесса удается еще и снизить затраты энергии на его проведение, то такой процесс становится еще более «зеленым» и привлекательным со всех точек зрения.

Магний является одним из «морских» элементов, поскольку примерно 40% его общего количества производится при переработке морской воды. Он также извлекается из других минеральных и гидроминеральных источников, таких как, например, Мертвое море. По сравнению с водой Атлантического океана вода Мертвого моря содержит в 15 раз больше магния, поэтому его соли зачастую кристаллизуются прямо на берегу.

Технология извлечения магния из морской воды довольно проста. Морскую воду смешивают в огромных баках с известковым молоком, приготовляемым из переработанных морских раковин. В результате образуется так называемое «магнезиальное молоко», которое затем превращается в хлорид магния. В дальнейшем магний получают электролизом. Так, японская фирма «Курита Когио» спроектировала завод по комплексному использованию морской воды. По проектным данным при переработке 4 миллионов литров воды будет получено 108 тонн поваренной соли, 2,2 тонны глауберовой соли, 16,7 тонны хлора и только около 16 тонн магния. С учетом того, что в каждом кубометре морской воды содержится только около 4 кг магния, можно легко себе представить масштаб этой переработки, если речь идет о производстве хотя бы нескольких сотен тонн магния. Можно также легко себе представить количество жидких отходов этого производства и затрат на их переработку, если производство магния будет следовать традиционной технологии. С этой точки зрения предварительное селективное концентрирование магния в морской воде является если не панацеей при решении этих проблем, то, по крайней мере, может существенно улучшить условия его выделения и сделать процесс более экологически чистым.

Для селективного концентрирования магния можно использовать ионообменные смолы, чье сродство к компонентам морской воды меняется по-разному с температурой. В этом случае процесс концентрирования сводится к периодическому пропусканию холодной и горячей морской воды через колонны с ионообменной смолой. Для проведения процесса не требуется использования каких бы то ни было химических реактивов, что означает полное отсутствие каких бы то ни было отходов. Иными словами процесс оказывается абсолютно «зеленым». К колоннам, загруженным катионообменной смолой, подведены магистрали с холодной (помеченные cиним цветом) и горячей (помечены красным цветом) морской водой, служащим для промывки смолы морской водой при высокой или низкой температуре. В зависимости от температуры в колонне происходит либо сорбция (при высокой температуре) либо десорбция катионов магния и кальция. Как видно из графиков зависимости концентрации компонентов морской воды (магния, кальция и натрия) в головных фракциях прошедшей через колонну воды, концентрация магния и кальция в воде при десорбции значительно возрастает, а при сорбции – снижается, тогда как натрий ведет себя противоположным образом. green_chem-02 Схема установки в этом случае весьма проста, как это видно на приведенном справа рисунке. Обогащенная магнием и обедненная натрием вода собирается в емкостях, обозначенных на схеме С1, С2, С3 и т.д., и затем также подвергается последовательным циклам двухтемпературного концентрирования. Остальная часть морской воды возвращается обратно в море без какого-либо риска для окружающей среды, поскольку в процессе не используются никакие химические реактивы. Иными словами, технология является полностью «зеленой», т.е. абсолютно экологически чистой.

В результате проведения 4 циклов удается повысить концентрацию магния примерно в четыре раза, что значительно улучшает условия его дальнейшего выделения из полученного концентрата морской воды. Содержание же натрия в концентрате понижается.

green_chem-05 Но при этом возникает закономерный вопрос: где взять такое количество тепла, необходимое для нагрева колоссальных объемов морской воды до требуемой температуры? Оказывается, эта проблема решается на удивление просто. В мире имеется большое количество тепловых электростанций, использующих холодную морскую воду для конденсации водяного пара. На этих станциях отсутствуют хорошо знакомые нам огромные градирни, постоянно выбрасывающие в атмосферу клубы пара. Примерами таких станций могут быть Калифорнийская и тепловая электростанция близ города Иокогама в Японии.

green_chem-06 В России такие станции тоже есть, например, на острове Сахалин, около поселка Вахрушев. Мне удалось поработать на этой станции в конце 80-х годов прошлого века в рамках проекта Академии Наук СССР «Мировой океан». Темой проекта было извлечение магния, калия, лития, стронция и других полезных компонентов из морской воды. Объем морской воды, которая прокачивается через охлаждающие циклы станции, составляет 20-30 тысяч кубических метров в час. Получающаяся в результате «река» горячей морская воды сбрасывается обратно в Охотское море. Это означает, что колоссальное количество тепловой энергии, измеряемое миллиардами гигакалорий, выбрасывается обратно в море.

Правда, в том месте, где эта теплая вода впадает в море, можно с удовольствием искупаться даже осенью, когда вода в этой части Охотского моря (Вахрушев расположен на 300 км севернее города Южно-Сахалинска) не превышает 10°С. Однако было бы намного разумнее использовать эту горячую морскую воду более рационально, например, для создания описанной в этой статье «зеленой технологии».
Для тех, кого заинтересует эта тема, рекомендую посмотреть приложенную статью.

Профессор Дмитрий Муравьев Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Автономный Университет Барселоны

Назад Следующая статья

Нужна консультация? Звоните +7 (495) 543 89 84

Напишите нам: