Изобретения и открытия в области экологии
Содержание
- Топливо XXI века
- Российские учёные узнали, что происходит с метаном под деревьями
- Новая технология получения синтез-газа
- Микробы алтайских озёр пустят в производство метана
- Электроэнергия из бумажных отходов
- Биофильтр, поглощающий никотин
- «Бензин из воздуха»
Топливо XXI века
водородный топливный элемент
Одной из актуальных задач современного общества является поиск альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным в этом плане считается водород, многие ученые называют его «топливом XXI века», способным решить энергетические и экологические проблемы, связанные как с выбросом ядовитых веществ в атмосферу, так и с накоплением двуокиси углерода, приводящим к нарушению биоценоза.
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны. Наиболее привлекательны элементы с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). Областями их использования является автомобильный транспорт (до 70% потенциального рынка), а также системы автономного энергоснабжения (включая элементы питания для портативной техники – мини-компьютеры, фото- и видеокамеры, мобильные телефоны и т.п.).
Уже сегодня большинство автомобильных компаний представили прототипы автомобилей на топливных элементах с ТПЭ и ведут интенсивные разработки в данной области. А в настоящее время запущена программа по опытной эксплуатации 40 автомобилей на водородных топливных элементах в разных городах США.
Топливные элементы с ТПЭ находят свое применение и в более специализированных областях. Например, их использование в качестве энергоустановок может сделать подводные лодки бесшумными и свести к минимуму тепловые выбросы. В космосе топливные элементы используют с 1960-х гг.
Для обеспечения потребителей водородом в ближайшие годы необходимо создать водородную инфраструктуру (сеть водородных заправочных станций для автомобилей на топливных элементах и т.п.). При реализации этой задачи незаменимы электролизеры воды с ТПЭ.
Основное препятствие для коммерциализации топливных элементов и электролизеров с ТПЭ заключается в использовании электрокатализатора на основе платины. Использование данного металла приводит к ряду значительных проблем, ограничивающих применение топливных элементов.
Во-первых, стоимость платины достаточно высока, и ее ресурсы недостаточны. Современные оценки стоимости компонентов топливных элементов дают значения от 200 до 2000 долл. США на кВт производимой энергии. При этом на каждый кВт необходимо до 2 г платины. Таким образом, двигатель среднего автомобиля мощностью 50 кВт будет стоить 10 000–100 000 долл. США и будет использовать до 100 г платины. Мировое производство автомобилей достигло в 2004 году 64 млн. единиц. Для того чтобы оборудовать все автомобили топливными элементами, потребуется 6400 тонн платины. Даже если содержание платины будет снижено до теоретического предела, составляющего 0,1 г/кВт, платины потребуется намного больше ее годовой добычи (202 тонны в 2004 г.). А количество платины, необходимое для замены всех ДВС на топливные элементы, сравнимо с ее мировым запасом (100 000 тонн). При этом также существует потребность в ТЭ для других видов транспорта и для домашних автономных источников электроэнергии.
Во-вторых, существенным недостатком платины является то, что она легко и необратимо отравляется окисью углерода (СО) и сероводородом (Н2S) – примесями, неизбежно присутствующими в дешевых топливах, таких как реформинг-газ (продукты конверсии органического топлива) и био-газ (биотехнологический Н2, полученный из отходов органического происхождения с помощью бактерий).
Поэтому топливные элементы, использующие платиновые катализаторы, не могут рассматриваться как единственная перспектива для широкого использования в энергетике будущего. Необходимо искать альтернативный катализатор.
При значительном повышении температуры можно отказаться от катализа платиной. Так, например, высокотемпературные топливные элементы и электролизеры на основе оксидов металлов и керамики не содержат благородных металлов. Но они, во-первых, являются недостаточно устойчивыми к различным воздействиям, в частности, механическим, поэтому рассматриваются только для стационарных установок.
Во-вторых, их рабочая температура (~900 °С) слишком высока и не позволяет использовать обычные конструкционные материалы, например сталь. И наконец, данные элементы не приспособлены для работы в режиме частых запусков-остановок.
Одним из путей решения проблемы катализа в низкотемпературных топливных элементах является использование природных катализаторов – ферментов. В проекте «Исследования и разработка неплатиновых электрокатализаторов для водородного электрода топливных элементов и электролизера на основе иммобилизованных ферментов», которым занимаются ученые химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с Федеральным государственным учреждением Российский научный центр «Курчатовский институт» (ФГУ РНЦ «Курчатовский институт»), предлагается использовать ферменты в качестве альтернативных электрокатализаторов для водородных электродов.
Элемент, мощностью 1кВт
Ферменты, ответственные в природе за окисление-образование Н2, получили название «гидрогеназы». Ферменты-гидрогеназы являются уникальными и единственными эффективными неплатиновыми катализаторами для водородной реакции. Других подобных неплатиновых катализаторов пока не найдено.
Ферменты, которые используют ученые, сегодня достаточно дороги. Гидрогеназы являются продуктами жизнедеятельности особых микроорганизмов, и для их производства используются современные методы генетической инженерии и биохимии. Однако они являются полностью возобновляемым биотехнологическим продуктом, поэтому при наращивании объема производства цена ферментов стремительно снижается. Например, сегодня производство ферментов для нужд легкой промышленности, используемых в стиральных порошках, стоит порядка нескольких долларов за 1 кг. Таким образом, можно ожидать, что и стоимость гидрогеназ существенно понизится в ближайшие годы. Активные работы в области биотехнологии гидрогеназ проводятся и в нашей стране, в Институте общих проблем биологии РАН (г. Пущино).
В отношении платины ситуация обратная – при увеличении ее потребления цена значительно вырастет. Кроме того, в отличие от платины, ферменты устойчивы к примесям СО и H2S, содержащимся в дешевых топливах.
Не случайно эта проблема заинтересовала российских ученых химического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова. По словам научного руководителя проекта, доктора химических наук, профессора Аркадия Карякина, решение заняться данной разработкой пришло в 2004 году, после совещания в Министерстве науки и образования, посвященного сотрудничеству России и стран Европейского союза по водородной энергетике.
Такому шагу предшествовали долгие годы серьезных исследований. Идея самого проекта, а именно – использование ферментов в качестве катализаторов в топливных элементах, является абсолютно приоритетной разработкой российских ученых. Первые работы в этом направлении были выполнены в конце 1970-х – начале 1980-х гг. в МГУ при сотрудничестве с Институтом электрохимии им. А.Н. Фрумкина (в настоящее время это Институт физической химии и электрохимии). Первые статьи по водородной тематике были опубликованы российскими учеными в начале 1980-х гг.
В то время, как и сейчас, интерес к топливным элементам был связан с энергетическим кризисом, который не имел таких размеров, как современный, и закончился достаточно быстро. Внимание ученых было направлено на биоэлектрокатализ ферментами – ускорение химических реакций, протекающих на электродах в присутствии биологических компонентов.
В конце 1990-х гг. интерес к топливным элементам возник снова. Совместная работа ученых химфака МГУ и биохимиков из Пущино была поддержана грантом в рамках Международной программы содействия фундаментальным исследованиям (ИНТАС). Таким образом, работа, связанная с топливным элементом, была возобновлена.
Современный энергетический кризис заставляет взглянуть на проблему по-новому, признав ее актуальность. По различным оценкам, запасов нефти хватит на 20–50 лет, а спад объемов добычи нефти ожидается в течение ближайших 10 лет.
Важную роль в процессе реализации идеи сыграл выигранный конкурс по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение». По мнению Аркадия Карякина, при том состоянии науки, в котором она оказалась после перестройки, такое целевое финансирование является огромным подспорьем и катализатором для получения новых научных результатов: «Наше правительство начало финансировать перспективные работы, что принципиально важно. Это значительно ускоряет наши исследования».
Ранее проводилось преимущественно фундаментальное изучение биоэлектрокатализа гидрогеназами методами традиционной электрохимии. Сейчас ведутся исследования и оптимизация ферментных электродов для работы в реальных топливных элементах с ТПЭ.
Проводимые работы закрепили лидерство за российскими учеными в данной области. Участие в международных конференциях по водородным ферментам и водородной энергетике показывает бесспорный приоритет российских разработок.
Активное сотрудничество с коллегами из Университета им. Ж. Фурье в г. Гренобле (Франция) позволяет наладить совместное использование полученных наработок по различным переносчикам электродов, создавать наиболее прогрессивные системы для электрохимического окисления водорода при помощи ферментов.
Использование неплатиновых катализаторов на основе ферментов – это задача коллектива ученых химфака МГУ и их приоритет. Никто не берет на себя смелость утверждать, что вся энергетика пойдет по данному направлению, но это один из путей, по которому не пройти нельзя, иначе наше общество безнадежно отстанет. Это понимают все, как у нас в стране, так и за рубежом. Более того, водородные ферментные электроды могут найти применение и для переработки органических отходов с получением полезной электроэнергии.
В настоящее время в рамках проекта ФЦНТП проводится изучение стабильности водородных электродов. Перед учеными стоит задача добиться сохранения активности биокатализаторов при повышенных температурах (до 90 °С), которые требуются для автомобильных топливных элементов. Следующим этапом станет испытание пилотного образца водородного электрода на стенде в ИВЭПТ РНЦ «Курчатовский институт».
В последнее время поток научных работ в области топливных ферментных электродов резко увеличивается. Научные исследования ферментов, связанных с водородом, финансируемые европейскими странами, всегда отличались масштабностью, таковыми они сохранились и на протяжении последних лет. Однако прогресс западных коллег лежит в плоскости изучения фундаментальных свойств ферментов и их метаболизма в микроорганизмах. В области же создания ферментных электродов, которыми занимаются российские ученые, наша страна является абсолютным лидером.
Российские учёные узнали, что происходит с метаном под деревьями
рисовое поле
Что синтезируют одни микробы, то потребляют другие. Бактерии, живущие в донных отложениях болот и рисовых полей или в кишечнике жвачных животных, постоянно выделяют в атмосферу метан – один из основных парниковых газов, а метанотрофные бактерии лесных почв его окисляют. Окислительную активность метанотрофов подавляют соединения азота, если они присутствуют в почве в больших концентрациях. Группа учёных из России и Германии впервые показала, что и эффективность бактериального окисления метана, и степень влияния азота на этот процесс зависят от того, какие породы деревьев растут в лесу.
Метан (CH4) участвует в создании парникового эффекта, это второй по значению парниковый газ. Учёные, естественно, ищут способы минимизировать его влияние. Специалисты Института леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН, Сибирского федерального университета, МГУ им. М.В. Ломоносова и Института земной микробиологии общества Макса Планка (Марбург, Германия) не первый год проводят эксперименты, в которых выясняют роль отдельных природных факторов в связывании метана.
В сфере их внимания – почвенные микроорганизмы, ежегодно удаляющие из атмосферы около 30 миллионов тонн парникового газа, что составляет 6–10% от его ежегодного стока (исчезновения). Метан легко проникает в структурированную лесную почву, к местам, заселённым метанотрофами. Как давно известно микробиологам, потребление CH4 этими организмами в лесных почвах зависит от содержания азота: если его много, активность бактерий падает. Между тем азотное загрязнение, вызванное промышленными выбросами и потеплением климата, становится всё ощутимее. И вопрос о влиянии азота на фиксацию метана в разных лесных почвах в этой связи всё больше волнует исследователей.
В 1971–1972 годах сотрудники лаборатории почвоведения Института леса СО РАН заложили экспериментальный участок в 50 километрах северо-западнее Красноярска. На площадках в 2400 квадратных метров они посадили ель, сосну, кедр, осину, берёзу и лиственницу, т.е. практически все основные лесообразующие породы Сибири. На этих участках учёные уже много лет исследуют процессы выделения и связывания парниковых газов. В 2006 году старший научный сотрудника Института леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН доктор биологических наук Олег Меняйло вместе с коллегами из Германии показал, что древесные породы влияют на активность окисления CH4 в почве: самая высокая активность отмечена под лиственницами, а самая низкая – в ельнике. Теперь же российские и немецкие исследователи проверили, как на активность окисления атмосферного метана влияют разные концентрации нитрата и солей аммония под четырьмя древесными породами.
Как раньше установил Олег Меняйло с соавторами, видовой состав метанотрофов на всех лесных участках одинаков. Но древесные породы влияют на многие процессы в почве, особенно на связывание и минерализацию азота. Микроорганизмы, обитающие под хвойными породами, связывают азот очень быстро, поэтому его соединения не накапливаются в почве. «Возможно, что различия в скоростях иммобилизации минеральных форм азота в почвах под разными древесными породами обусловливают неодинаковое влияние добавления азота на активность метанотрофов», – говорит Олег Меняйло.
Азотное загрязнение атмосферы постоянно растёт из-за промышленных выбросов и климатических изменений. Подавляя способность почвенных микроорганизмов связывать метан, оно усиливает парниковый эффект. Однако, оценивая последствия азотного загрязнения почвы, необходимо учитывать преобладающие древесные породы и основную форму азотистого соединения.
Источник информации: О.В. Меняйло, А.Л. Степанов, М.И. Макаров, Р. Конрад «Влияние азота на окисление метана почвами под разными древесными породами». Доклады Академии наук, 2012, т. 447, № 1.
Новая технология получения синтез-газа
Схема пиролиза
Во все времена люди стремились сделать из плохого хорошее. Сейчас актуален поиск новых источников энергии, и специалисты разрабатывают технологии переработки низкосортных твёрдых топлив в качественные газообразные смеси. Учёные Объединённого института высоких температур РАН предложили комбинированную схему термической переработки твёрдой биомассы в синтез-газ (смесь водорода и монооксида углерода). Метод состоит из двух стадий: пиролиз исходного сырья и фильтрация образовавшихся газов через нагретый углеродный фильтр.
Пиролиз – это разрушение органических соединений под действием высокой температуры без доступа кислорода. При пиролизе твёрдого сырья образуются газы: монооксид углерода, углекислый газ, водород, азот и газообразные углеводороды, в основном метан, твёрдый угольный осадок, а также пары воды, различных кислот и смол, которые, остывая, образуют жидкую фракцию. Утилизация этой жидкости представляет серьёзную экологическую проблему. Другая задача заключается в том, чтобы увеличить выход газа. Причём полученная газовая смесь должна обладать высокой теплотой сгорания, то есть при сгорании выделять много энергии.
В качестве исходного сырья исследователи предлагают использовать древесные отходы, торф, отходы сельскохозяйственного производства, например солому. В ходе эксперимента учёные определили, что максимальное количество летучих соединений образуется при температурах 250–600 °С. Эти соединения затем пропускают через углеродный фильтр, в качестве которого используют угольный остаток, полученный в результате пиролиза исходного сырья. Поверхность фильтра пористая, она быстро нагревает пиролизные газы до высокой температуры. Чем выше температура фильтрации, тем больше образуется газов и меньше жидкой фракции. Эксперименты показали, что при температуре фильтрации 1000 °С жидкая фаза полностью отсутствует.
С изменением условий термической переработки сырья меняется не только относительный объём газовой смеси, но и её состав. При нагревании вода взаимодействует с углеродом (реакция паровой конверсии) с образованием водорода и монооксида углерода. Кроме того, в ходе химических реакций происходит интенсивное разложение пиролизных газов. В итоге содержание углекислого газа и метана на выходе из реактора падает и при температуре фильтрации 1000 °С не превышает 1%. Полученная газовая смесь представляет собой синтез-газ с примерно равным объёмным содержанием водорода и монооксида углерода. Этот газ можно использовать для энергоустановок на базе газопоршневых двигателей.
Учёные отмечают, что опробованный ими метод существенно повышает удельный выход газовой составляющей при сохранении достаточно высоких значений удельной теплоты сгорания (не менее 11 МДж/м3), а также позволяет эффективно избавляться от жидких продуктов пиролиза, не загрязняя ими окружающую среду. А применение низкосортных твёрдых топлив позволит рационально использовать местные природные ресурсы.
Источник информации: В.М. Батенин, В.М. Зайченко, В.Ф. Косов, В.А. Синельщиков «Пиролитическая конверсия биомассы в газообразное топливо». Доклады Академии наук, 2012, том 446, № 2.
Микробы алтайских озёр пустят в производство метана
озеро Кулундинской степи
Учёные из Института микробиологии им. С.Н. Виноградского совместно с европейскими коллегами добыли со дна озёр Центральной Азии микробы, которые посредством анаэробной переработки могут производить метан в биореакторах. В Германии уже планируют строить опытно-промышленную установку, предназначенную для применения данной технологии, и рассчитывают, что это станет большим прорывом в развитии возобновляемой энергетики.
Метанобразующие микроорганизмы давно находятся в фокусе внимания биотехнологов из-за той огромной роли, которую они играют при анаэробной (без доступа воздуха) переработке индустриальных и бытовых вод. По сути, из сточных вод они делают биогаз, который полностью способен заменить столь дорогой природный газ, и при этом его ресурсы возобновляемы. В настоящее время метан уже производится коммерчески, но он не может полностью заменить природный газ, так как в сточных бытовых водах содержится слишком мало углеродсодержащих веществ. Поэтому в настоящее время активно изучается комбинирование производства биомассы с её последующей переработкой в метан.
Исследователи изучили возможность использования микроорганизмов донных отложений (седиментов) из гиперсолончаковых содовых озер Центральной Азии в качестве реакционной среды для щелочных биореакторов по производству метана посредством анаэробной переработки. Они сочетали измерения эффективности производства метана из различных субстратов с генетической характеристикой популяции метаногенов (микроорганизмов, производящих в результате своей жизнедеятельности метан) посредством специального маркерного гена mcrA.
Седименты учёные отбирали из нескольких солончаковых натриевых озёр Кулундинской степи на Алтае. Более года эти микробы хранились при температуре 4 оС и определённом давлении в стеклянном контейнере в инертной атмосфере. Затем они добавлялись к субстрату (в качестве субстрата использовали метанол, ацетат или водород) и вся смесь подвергалась выдерживанию в темноте в течение десяти суток. После чего методом газовой хроматографии определяли количество полученного метана. Для этого находили его зависимость от концентрации соляного раствора и от уровня кислотности, при котором проводился процесс. Оказалось, что наивысшая концентрация биогаза присутствует на субстрате из метанола при рН 10 (т.е. в сильнощелочной среде) в одномолярном растворе соли. То есть метанол – самый эффективный субстрат для будущих биореакторов.
По маркируемому гену mcrA учёные определили, что в седиментах со дна алтайских озёр присутствуют в основном четыре типа метаногенных организмов. Интересно отметить, что ни об одном из этих типов не сообщалось в предыдущих исследованиях других авторов. Иными словами, микроорганизмы со дна озёр Кулундинских степей оказались уникальными. По оценке учёных, на их основе можно организовать биологическое производство возобновляемых источников энергии. Кроме того, эти микробы можно заставить работать на очистке высокощелочных стоков, образуемых при газо- и нефтепереработке, в бумажной и текстильной промышленности.
Впрочем, прикладные аспекты учёные из разных стран будут дорабатывать отдельно. В России, полагает Дмитрий Сорокин, должно пройти не менее четырёх лет, прежде чем результаты исследования дойдут до промышленности. Сначала должна быть создана модель, продуцирующая метан. Потом эта модель будет опробована в лабораторных биореакторах, а после, если получится приличный результат, начнётся создание пилотного реактора, способного работать в промышленных масштабах.
В Германии не планируют долго тянуть с внедрением. В составе исследовательской группы есть немецкие биотехнологии, которые имеют большие планы на создание в ближайшем будущем биореакторов промышленных масштабов. Один из ключевых моментов, объясняющих, почему немцы так активны в этом направлении, по-видимому, заключается в том, что немецкое правительство в перспективе решило отказаться от невозобновляемых источников энергии (в частности от обычного природного газа) и активно финансирует программу по производству биогаза из различных сельскохозяйственных отходов.
Источник информации: V. Nolla-Ardevol, M. Strousa, D.Y. Sorokin, A.Y. Merkel, H.E. Tegetmeyera, Activity and diversity of haloalkaliphilic methanogens in Central Asian soda lakes. Journal of Biotechnology, № 161 (2012), 167–173.
Электроэнергия из бумажных отходов
Утилизация мусора
Каждый житель развитых стран в среднем ежедневно производит 1,5–2 килограмма мусора, 60% которого составляют бумаги, пищевые отходы и прочая органика. Поэтому вопрос утилизации этих отходов становится всё более острым. Переработка до биогаза (водорода с некоторыми примесями), казалось бы, решает проблему и одновременно открывает новые возможности для альтернативной энергетики. Но, как это часто бывает, на пути красивой энергосберегающей идеи возникают десятки научно-экономических преград, привлекающих научные группы по всему миру. Интересную работу в этой области недавно опубликовала в International Journal of Hydrogen Energy и группа российских учёных из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института фундаментальных проблем биологии РАН. Исследователи сконструировали биореактор, совмещающий в себе бактериальную среду, производящую водород из бумажных отходов, и топливный элемент, превращающий этот водород в электричество.
Ещё в 1945 году штат Нью-Йорк проголосовал за обязательную установку мусоросжигателей в каждом доме, имеющем более четырёх квартир. К тому времени эта нехитрая технология уже была успешно проверена в странах Европы и многих других городах США. Но с повсеместным распространением пластмасс и разнообразной электроники старый метод становился неуместным. Падал КПД, требовалась дополнительная сортировка отходов, экологи указывали на многочисленные примеси тяжёлых металлов и других ядовитых веществ в общедоступном топливе. Похожие проблемы испытывает и водородная энергетика. Удивительно простая идея – собирать и сжигать водород, производимый колониями анаэробных бактерий при потреблении органических отходов, – пока не нашла широкого применения.
Например, вместе с водородом выделяется и большое количество вредного сероводорода и углекислого газа. Со временем же концентрация биогаза становится слишком большой, что и вовсе снижает темпы выделения биогаза. Получается, что водород нужно непрерывно выделять и отделять от реакционной смеси. Но тогда возникают отдельные проблемы с его транспортировкой и хранением. Поэтому оптимальным решением может быть мгновенная переработка водорода в энергию.
Именно эту идею и использовала научная группа во главе с Александром Нетрусовым. При этом для получения энергии они использовали топливный элемент – электрохимическое устройство, в котором энергия выделяется за счёт окисления топлива. Обычно топливный элемент состоит из двух электродов. На катоде молекулярный водород топлива распадается на протоны и электроны. Последние улавливаются специальными мембранами и передаются во внешнюю цепь, а протоны достигают катализатора анода и там соединяются с электронами. В результате этой электрохимической реакции выделяется только вода, идеально безвредный продукт.
Как правило, в составе топливных элементов используются платиновые электроды. Однако платина отравляется теми самыми нежелательными составляющими биогаза и также обладает высокой стоимостью. Поэтому в составе своего топливного элемента российские исследователи использовали электроды на основе фермента гидрогеназы (из микроорганизмов Thiocapsa roseopersicina), позволяющего бактериям поглощать и перерабатывать водород. Полимерная мембрана топливного элемента была изготовлена из нафиона, а сам он погружён в среду с анаэробными гетеротрофными бактериями, производящими водород.
В качестве топлива использовалась чистая целлюлоза или различные бумажные отходы. В результате максимальная выходная мощность биореактора составила 200 мкВт/см2. При этом достигается она при температуре 60 градусов Цельсия, обеспечивающей необходимый баланс между стабильностью и активностью электродов и после 50 часов работы, необходимых для активации ферментативной реакции. Особое внимание исследователи уделили анализу стабильности электрода на основе гидрогеназы, которую они отслеживали в течение 80 часов работы. Вначале, сразу после загрузки сырья, активность этого электрода резко растёт вследствие появляющегося избытка водорода, а по истечении 10 часов работы падает до стабильной величины в 70%. Среди основных причин такого падения называются частичное подмытие ферментативной пропитки электрода под действием бактериальной среды, а также падение уровня pH. Последнее, по мнению учёных, несложно исправить, а значит улучшить стабильность и пока невысокую мощность экспериментальной системы.
В любом случае сам факт успешного совмещения бактериальной среды и топливного элемента в составе одного реактора уже можно считать большим достижением. Ведь полученная система может успешно и без деградации свойств перерабатывать самые разнообразные виды органических отходов в электрическую энергию.
Исследование проведено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт № 16.516.11.6013).
Источник информации: O.G. Voronin, A.I. Shestakov, E.R. Sadraddinova, S.M. Abramov, A.I. Netrusov, N.A. Zorin, A.A. Karyakin, Bioconversion of the cellulose containing waste into electricity through the intermediate hydrogen production. International Journal of hydrogen energy, 37 (2012), 10585–10589.
Биофильтр, поглощающий никотин
табак
Курение опасно не только для курильщиков. При производстве табачных изделий в воздух выделяется значительное количество никотина и других летучих веществ, токсичных для человека, вызывающих у него аллергические реакции или просто сильно пахнущих. Выход один – ставить фильтры. Специалисты Института биохимии им. А.Н. Баха РАН, Института биохимической физики им. Н.М. Эммануэля РАН и ООО «Инновационные биотехнологии» разработали биофильтр – сообщество микроорганизмов, способное эффективно поглощать из воздуха никотин и пахучие вещества.
В ходе переработки табачных листьев в воздух попадают летучие органические соединения. Самое опасное из них – никотин. Он ядовит, хорошо всасывается в организме человека и может вызывать тяжёлые расстройства. Кроме того, табачные листья содержат множество других летучих соединений, иногда не идентифицированных. Исследователи выделили эти соединения из ферментированных табачных листьев и определили, используя газовую хроматографию и масс-спектрометрию. Им удалось идентифицировать более 200 летучих веществ, принадлежащих к различным классам. У некоторых соединений весьма неприятные запахи, которые специалисты-дегустаторы определили как химический, горелый, едкий или запах плохого табака. У других аромат зелени, ореховый, цветочный, табачно-медовый. Поскольку различные сорта табачных листьев близки по составу летучих веществ, но сильно различаются по их содержанию, то и пахнут они по-разному.
Один из наиболее эффективных и экологически чистых способов удаления летучих органических веществ из воздуха – биофильтрация. Она сравнительно недорога и не вызывает загрязнения окружающей среды. Для создания биофильтров, способных очистить вентиляционные выхлопы табачного производства, московские учёные сконструировали лабораторные микрореакторы, представляющие собой небольшие стеклянные сосуды, заполненные носителем из полиамидного волокна. На волокно наносили суспензию бактерий в минеральной питательной среде. Суспензия постоянно циркулировала в реакторе, бактерии оседали на волокне и образовывали биоплёнки. В состав суспензии вошли микроорганизмы, выделенные из проб, взятых на табачных предприятиях. Через биореактор пропускали воздух, предварительно прошедший сквозь прогретые измельчённые табачные листья разных сортов.
Лабораторные биореакторы работали более года. За это время на волокне сформировалось сообщество микроорганизмов, адаптированных к использованию летучих веществ и стабильно удаляющих из воздуха пахучие табачные соединения и более 90% никотина. Вещества, которые обычно используют при умягчении табачного листа и ароматизации табака, не влияют на эффективность работы бактерий.
Жидкость, циркулирующая в лабораторном реакторе, в промышленных условиях будет попадать в стоки. Анализ показал, что она не содержит никотина и других токсичных веществ, то есть биофильтры действительно не загрязнят окружающую среду.
По мнению исследователей, полученные в лаборатории результаты могут стать основой для создания и испытания промышленной установки.
Источник информации: Н.А. Загустина, Т.А. Мишарина, А.А. Веприцкий, В.Г. Жуков, А.О. Ружицкий, М.Б. Теренина, Н.И. Крикунова, А.К. Куликова, В.О. Попов «Удаление из воздуха летучих веществ табачных листьев методом биофильтрации». Прикладная биохимия и микробиология, 2012, том 48, № 4.
«Бензин из воздуха»
город Stockton-on-Tees
Возможно, человечество сейчас стоит на пороге новой технологической революции. По сообщению The Independent небольшая британская компания «Air Fuel Synthesis» в городе Stockton-on-Tees на северо-востоке Англии получила первые пять литров синтетического бензина из углекислого газа атмосферного воздуха и водяного пара.
Разработка британских инженеров может не только помочь предотвратить глобальный энергетический кризис, но и дает человечеству шанс в борьбе с глобальным потеплением.
Вот как прокомментировал эту новость в своем блоге известный эколог Алексей Яблоков:
"Небольшая заметка во вчерашнем номере британской The Independent «Pioneering scientists turn fresh air into petrol in massive boost in fight against energy crisis» может оказаться важнее для выживания человечества, чем все остальные сообщения всех мировых СМИ вместе взятых по крайней мере за целый год. Точнее, не сама газетная заметка, а то событие которое она описывает: небольшая британская компания «Air Fuel Synthesis» в городе Stockton-on-Tees на северо-востоке Англии получила первые пять литров синтетического бензина из углекислого газа атмосферного воздуха и водяного пара.
Я не химик и не инженер, и вопросы химических реакций и технологии меня, как и 98 % людей на планете, не особенно интересуют (сообщается, что успех достигнут не в результате какого то выдающегося научного открытия, а в результате эффективных инженерных решений на основе давно известных химических технологий). А вот реальный шаг по дороге к «зеленой» экономике (не зависящей от ископаемого топлива и решающей проблему сокращения постоянно растущего количества углекислого газа в атмосфере) — интересует даже очень.
На будущий год фирма планирует получить первую тонну «бензина из воздуха», а к концу 2014 года — выйти на уровень коммерческого производства. Сейчас коммерческая стоимость выделения одной тонны углекислого газа из атмосферного воздуха составляет в США и Европе около 640 USD. Полученный синтетический бензин (качество которого несравнимо выше традиционного) по стоимости будет доступен, как считают эксперты, только дорогим гоночным машинам (производство требует много электроэнергии). Подчеркивается, что «бензин из воздуха» не требует какой либо переделки существующих бензиновых двигателей.
В первые годы промышленное производство «бензина из воздуха» будет выгодно только на удаленных территориях, где есть избыток возобновляемой энергии (солнечной, ветровой, приливной и др.) и дорого привозить топливо. Но не забудем, что стоимость компакт-диска уменьшилась за 20 лет в 200 раз, а стоимость электрической лампочки за 100 лет — в 7000 раз.
Конечно, «воздушный бензин» — не панацея от накопления углекислого газа — ведь при его сгорании в двигателе СО2 снова будет попадать в воздух. Но сам факт возможного ослабления зависимости от ископаемого топлива крайне важен. Кроме того, такой выхлоп будет чистым (пропадает главный источник загрязнения целым компотом канцерогенных и других поллютантов наших улиц), ну и наконец, в процессе развития технологии процесс секвестирования углекислого газа неизбежно подешевеет и может войти в практику сам по себе.
В будущих мировых энциклопедиях 2012 год будет связан не с выборами Обамы или Путина, а с названием фирмы «Воздушный синтез топлива» и названием города Стоксон-он-Тиз, Англия."