III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Работа выполнена в рамках прикладного направления экологии, охраны окружающей среды и рационального природопользования Целью работы является представление способа эффективного использования вырабатываемого в ходе производства углекислого газа (СО₂), и разработки установки по утилизации СО₂.

Актуальность работы опирается на законодательные нормы, например, закон РФ «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 3 апреля 1996г, «Энергетическая стратегия России на период до 2030г» от 13 ноября 2009 г. №1715-р и др.

В настоящее время для всего человечества очень остро стоит вопрос о снижении уровня загрязнения атмосферы, особенно углекислым газом. Также человечество стоит на пороге энергетического кризиса, связанного с истощением запасов природного топлива, что уже вызвало высокий интерес к поискам других видов топлива.

Современное человечество живет в эпоху небывалого развития научно- технического прогресса, сопровождающегося активным воздействием на природную среду. И хотя в последние десятилетия принимаются меры по ее охране и оздоровлению, тем не менее, общее состояние окружающей среды продолжает ухудшаться.

Масштабы воздействия хозяйственной деятельности на природную среду стали поистине гигантскими. Поступление в воды суши и океана, в атмосферу и почвы различных химических соединений (а их примерно 100 тыс.), образующихся в результате производственной деятельности человека, в десятки раз превосходит естественное поступление веществ при выветривании горных пород и вулканизме.

В результате сжигания топлива, например, в атмосферу ежегодно поступает более 20 млрд. т двуокиси углерода и более 700 млн. т других паро- и газообразных соединений и твердых частиц. Серьезной проблемой становятся избыток серы в окружающей среде и загрязнение соединениями серы воздуха и поверхностных вод.

Усиление техногенного воздействия на природную среду породило целый ряд экологических проблем, из них самые острые связаны с состоянием атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов. Человек своей деятельностью (прямым и косвенным воздействиями) нарушает геохимический круговорот и энергетический баланс природы, чем непосредственно влияет на жизнь общества в настоящем будущем.

Одной из ключевых проблем загрязнения является высокое содержание СО2 в атмосфере. Некоторые ученые считают эту проблему надуманной, так как, по их мнению, высокий уровень СО2 должен стимулировать увеличение растительного покрова Земли, являясь одной из составляющих питания растений. Однако, исходя из теории о существовании динамического равновесия между компонентами природной среды и опасности нарушения этого равновесия, можно говорить о том, что увеличение концентрации СО2 в воздухе, в воде, в почве ведет к патологическому изменению климата и структур этих сфер.

Для преодоления этих проблем выделяются два основных пути действия человечества:

- восстановление почвенного и растительного покрова;

- переход от использования  ископаемого топлива на безотходные источники энергии.

В качестве одного из решений предлагается установка по утилизации СО2, действие которой основано на параметрах жизнедеятельности хлореллы. Она не позволит отказаться от сжигания ископаемого топлива, но даст возможность уменьшить количество выбросов СО2 в атмосферу и при этом получить альтернативный источник энергии - биогаз.

Хлорелла - одноклеточная зеленая водоросль, широко распространенная в природе в пресной и соленой воде, а так же в почве. Эти водоросли имеют большую способность к выживанию и размножению в различных, даже самых необычных (таких, как сточные воды) условиях обитания. Единственный способ размножения хлореллы является деление клетки. Скорость размножения ее велика: за сутки зеленая масса этих водорослей увеличивается в 5-10 раз. Ее отличает сравнительная легкость культивирования, что делает ее хорошим экспериментальным материалом.

Уже известны такие области ее применения, как питание для животных, удобрения, очистка сточных вод от минеральных и органических соединений (на 96-98% и 80% соответственно), утилизация отходов и антисептическое действие (антибиотическая активность против холеры, чумы, кишечных, туберкулезных и других инфекций).

С применением хлореллы была разработана замкнутая система для полного обеспечения экипажа космического корабля при длительных полетах водой, пищей, воздухом и системой утилизации отходов. Основой разработки послужила способность малого количество хлореллы выделять большое количество О₂: 3 кг водоросли хватит, чтобы обеспечить человека необходимым для дыхания количеством О₂.

Совместными усилиями инженеров, химиков, биологов и кулинаров был разработан способ переработки хлореллы, при котором из несъедобной водоросли получают вкусные и питательные продукты. Делается это с помощью аппарата, который сначала разрушает крепкие оболочки клеток и извлекает горькие и дурно пахнущие вещества. Затем масса превращается в пасту и высушивается. В высушенной хлорелле массой 1 кг содержится до 500 г белка, 150 г жира, 250 г углеводов, неорганические вещества и витамины. Чтобы при помощи хлореллы обеспечить едой одного человека, в сутки потребуется всего лишь 300 г сухого вещества водоросли.

Таким образом, мы спроектировали собственную установку для утилизации промышленных газов.

К сожалению, хотя стоимость установки не велика, создание экспериментального образца несколько затянулось. Поэтому, озвучивать предполагаемые результаты не хочется. В настоящее время осуществляется моделирование установки. Ожидается начать проведение всесторонних опытов в начале февраля 2011г. В подготовительный период (июнь - август 2010г.) проводились эксперименты по установлению пригодных условий жизнедеятельности хлореллы. С этой целью была изучена научная литература по биологическим аспектам цикла развития данной водоросли, а так же осуществлена попытка адаптировать данный вид к не лабораторным условиям среды. Это стало возможным, поскольку в летние месяцы 2010г. средняя температура воздуха в помещении не опускалась ниже 20˚С. В результате было установлен оптимальный температурный режим, колебавшийся в пределах 20 - 25˚С.

Для обеспечения питательными веществами были использованы жидкие среды различного состава:

• 1) водопроводная вода оказалась негодной - из-за высокой концентрации хлора, используемого при городской водоподготовке, водоросль погибала;
• 2) водопроводная вода, пропущенная через фильтр с периодическим вдуванием углекислого газа явилась относительно пригодной для жизни растения;

Так как постоянное вдувание углекислого газа проблематично, то:

• 3) питьевая минеральная газированная вода дала наилучший результат;
• 4) опробовано добавление в среду мела, что улучшило деление водоросли, лучший результат опять же дар раствор в минеральной воде;
• 5) свет: одним из важных результатов показал эксперимент по изменению интенсивности света. Если среда достаточно питательная, то попадание света значительно влияет на скорость размножения хлореллы: чем больше света, тем активнее деление.

В заключении работы хотелось бы отметить, что разработка проекта ведется не первый год, но развитие продвигается крайне медленно, что говорит о малой заинтересованности предприятий и науки на местах в реализации поставленных государством целей по снижению энергоемкости продуктов на 40%. На мой взгляд, причина в этом - низкая культура энерго- и ресурсосбережения в нашей стране. Вероятно, могло бы улучшить ситуацию введение высоких штрафных санкций за не исполнение законодательства, иначе предприятиям, как сейчас, зачастую будет выгоднее платить штрафы, чем реализовывать сберегающую экологическую и энергетическую политику.

Опыт мирового сообщества показал, что невозможно определить и ввести повсеместно один тип сберегающих устройств. Гораздо эффективнее, с точки зрения как затрат времени, так и денежных вложений, разработка и внедрение программ по повышению полезного использования ресурсов и природоохранных мероприятий практически для каждого предприятия в отдельности.

Хочется верить, что, встав на путь обновления, Россия сделает это с минимальным ущербом для природы и общества.