როგორ დავწვათ ნახშირორჟანგი?

 https://www.nkj.ru/news/30041/

როგორ დავწვათ ნახშირორჟანგი?

ენერგიის მისაღებად, როგორც წესი, საჭიროა რაღაცის დაწვა: ჩვეულებრივი მანქანები საწვავს შიდა წვის ძრავებში წვავენ, ელექტრომობილები თავის ბატარეებს ელექტროენერგიით მუხტავენ, რომელიც, მაგალითად, თბოელექტროსადგურს მიეწოდება, სადაც ბუნებრივ გაზს წვავენ, და ჩვენც კუნთების ან გონებრივი მუშაობისთვის მიღებული საუზმის „დაწვა“ გვჭირდება.

ნებისმიერ ორგანულ საწვავში, იქნება ეს ბენზინის ნახშირწყალბადები თუ ნახშირწყლები შოკოლადიდან, შეიცავს ნახშირბადის ატომებს, რომლებიც მათი ენერგეტიკული გზის ბოლოს ნახშირორჟანგად გარდაიქმნება. გაზი კი, თავის მხრივ, მიემართება ატმოსფეროში, სადაც ის შეიძლება დაგროვდეს და გამოიწვიოს ყველანაირი უარყოფითი ეფექტი, როგორიცაა გლობალური დათბობა.

         ენერგეტიკული თვალსაზრისით, ნახშირორჟანგი აბსოლუტურად უსარგებლოა, ვინაიდან მასში ნახშირბადი მთლიანად „დაიწვა“, მყარად და განუყოფლად შეუერთდა ჟანგბადის ორ ატომს. წვით ის აღარ იწვის, და ერთადერთი რამ, რისი გაკეთებაც შესაძლებელია, მისი ჩაძირვა ან დამარხვაა. ჩაძირვა შეიძლება ოკეანეში მისი გახსნით, და ეს ნამდვილად CO2–ის უტილიზაციის ერთ–ერთი გზაა. კიდევ ერთი გზაა მისი მაღალი წნევის ქვეშ მიწისქვეშ დატუმბვა, სასურველია იქ, სადაც ნავთობის საბადოებია. ეს გაზრდის ნავთობის შრეების უკუგებას და ხელს შეუწყობს მეტი ნავთობის მოპოვებას. მაგრამ ქიმიკოსებმა მაინც იპოვეს „ცულიდან ფაფის მომზადების“ მეთოდი - CO2–ის უტილიზაციის მესამე გზაც არსებობს, როდესაც იგი საწვავად გადაიქცევა.

        CO2 საწვავად რომ გადაიქცეს, საჭიროა ნახშირორჟანგის მოლეკულასთან ცოტაოდენ „მუშაობა“, მაგალითად, იმისათვის, რომ წავართვათ მას ჟანგბადის ერთი ატომი. მაშინ ნახშირორჟანგი გადაიქცევა მხუთავ აირად CO. მიუხედავად იმისა, რომ უმრავლესობისთვის მხუთავი აირი არის „გაზი, რომლის გამოც პერიოდულად იღუპებიან შეშის ღუმელის დაუდევარი მომხმარებლები“, მრეწველობაში იგი გამოიყენება სხვადასხვა პროცესებში: პირველ რიგში, ის შეიძლება დაიწვას და მიღებული იქნას ენერგია, მეორეც, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას მეტალურგიულ პროცესებში, და მესამე, მისგან შეიძლება სხვადასხვა ორგანული მოლეკულების სინთეზირება, მათ შორის თხევადი საწვავის. ბოლო პუნქტი ხსნის ნახშირორჟანგის ნავთობქიმიურ პერსპექტივებს.

       ამასთან, უნდა აღინიშნოს, რომ ნახშირბადის მონოოქსიდის გამოყენება ქიმიური მიზნებისთვის რაღაც ახალი არ არის. ჯერ კიდევ ХХ საუკუნის გარიჟრაჟზე გერმანელმა ქიმიკოსებმა ფრანც ფიშერმა და ჰანს ტროპშმა შეიმუშავეს თხევადი საწვავის მიღების მეთოდი ჩვეულებრივი ნახშირისგან: ჯერ სინთეზური გაზი მიიღება ნახშირისგან და წყლისგან - ეს არის ნახშირბადის მონოოქსიდისა და წყალბადის ნარევი, შემდეგ სინთეზური გაზის კატალიზატორის დახმარებით მიიღება სხვადასხვა ნახშირწყალბადები. ეს მეთოდი მოთხოვნადი იყო მაშინ, როდესაც ჩვეულებრივი ნავთობი არ იყო საკმარისი, მაგრამ დროთა განმავლობაში, მეოცე საუკუნის მეორე ნახევარში, ნახშირისგან საწვავის მიღების მეთოდი უბრალოდ გახდა „კლასიკური“ ნავთობის გადამუშავების ტექნოლოგიების ძვირადღირებული ალტერნატივა. მაგრამ თუ ფიშერ-ტროპის პროცესში ნახშირი გამოიყენება როგორც ნედლეული, რომელიც, თავისთავად, სასარგებლო წიაღისეულია, ქიმიკოსებმა მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტიდან იმავე - სინთეზური გაზის მიღების მიზნით - შეიმუშავეს მეთოდი, რომელიც იძლეოდა მისი წარმოების საშუალებას „არასაჭირო“ ნახშირორჟანგისგან.

       კატალიზატორების გამოყენების გარეშე ასეთი რამ შეუძლებელია, ამიტომ სამუშაო კატალიზატორის მისაღებად ქიმიკოსებს ზოგჯერ უწევთ ყველანაირი ხრიკის გამოყენება. საქმე იმაშია, რომ, გარკვეული ქიმიური შემადგენლობის გარდა, კატალიზატორისთვის ძალიან მნიშვნელოვანია მისი შინაგანი სტრუქტურა. მარტივად რომ ვთქვათ, ბრტყელ ზედაპირზე დატანებული კატალიზატორი შეიძლება არასამუშაო აღმოჩნდეს, მაგრამ თუ იგი ფოროვან ზედაპირზე დაიტანება და თუ, ამასთან ერთად, ფორებს აქვთ გარკვეული ზომა, მას შეუძლია იმუშაოს მთელი ძალით.

         ასეთი კატალიზატორის შესაქმნელად, ქიმიკოსებმა აიღეს ისეთი ელექტროგამტარი მასალა, როგორიცაა სუბსტრატი, და დაფარეს იგი პოლისტიროლის ბურთულების ფენით, რომელთა დიამეტრი დაახლოებით 200 ნანომეტრია. შემდეგ ბურთულებს შორის სივრცეში დარჩენილი სიცარიელე შეივსო ვერცხლის ატომებით. (ანალოგიის სახით, შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ, რომ იატაკზე მოვათავსეთ ბილიარდის ბურთების ფენა, შემდეგ კი ყველაფერს დავასხით გამდნარი პარაფინის თანაბარი ფენა.) ახლა ფოროვანი სუბსტრატის მისაღებად საჭიროა როგორმე ამოვიღოთ ყველა ბურთები მასალიდან ისე, რომ დარჩენილი სტრუქტურა არ დაირღვას. ბილიარდის ბურთების შემთხვევაში, ეს ძალიან პრობლემური იქნებოდა, მაგრამ პოლისტიროლის ბურთულების შემთხვევაში, ყველაფერი გაცილებით მარტივი აღმოჩნდა - და შედეგად, ელექტროდის ზედაპირზე პოლისტიროლის მოცილების შემდეგ მივიღეთ ფიჭური სტრუქტურა ვერცხლისგან გარკვეული ზომის „ფიჭებით“.

       ასეთი მასალა, როგორც აღმოჩნდა, ნახშირორჟანგს კარგად გარდაქმნის სინთეზურ გაზად, ამასთან კატალიზატორის ეფექტურობა და სელექციურობა მართვადია ფიჭების ზომის ხარჯზე: თუ კატალიზატორის სინთეზის ეტაპზე ავიღებთ უფრო დიდ  პოლისტიროლის ბურთულებს, რეაქციის შემდეგ მიიღება პროდუქტების ერთი შემადგენლობა, თუ უფრო მცირე ბურთულებს ავიღებთ, მაშინ სხვა ... კვლევის შედეგები დეტალურადაა გამოქვეყნებული ჟურნალში Angewandte Chemie.

        თითქოს, ყველაფერი კარგადაა, და კაცობრიობამ უნდა იზეიმოს გამარჯვება სათბურის გაზების ემისიაზე, ხოლო თითოეული მილი, რომელიც გამოყოფს წვის პროდუქტებს ატმოსფეროში, უნდა იყოს აღჭურვილი მსგავსი ვერცხლის კატალიზატორით, მაგრამ მაინც უნდა გაკეთდეს ერთი შენიშვნა. ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი კანონი, რომლის მიხედვითაც გარშემო მყოფი სამყარო არსებობს, შენარჩუნების კანონია: მასა და ენერგია არსაიდან არ წარმოიქმნება და არსაით არ ქრება. ეს ეხება ქიმიური ელემენტების ატომებსაც,  წვის დროს წარმოქმნილ სითბოს და ელექტროენერგიასაც. ამიტომ, რამდენი ენერგია მიიღება ნახშირბადის მონოოქსიდის ნახშირორჟანგად დაწვით, მინიმუმ იგივე ენერგია უნდა დაიხარჯოს (გამარტივებული სახით) ნახშირორჟანგის მოლეკულის ნახშირბადის მონოოქსიდის მოლეკულად გადასაქცევად. და აშკარაა, რომ ამგვარი ზოგადად „მწვანე“ ტექნოლოგიისთვის სათბურის გაზის უტილიზაციისთვის საჭიროა ენერგიის საკუთარი წყარო, რომელიც, როგორც მინიმუმ, არ გაუშვებდა ატმოსფეროში იმდენ CO2-ს, რამდენიც საჭიროა სასარგებლო პროდუქტად გადასაქცევად.

       საიდან უნდა მივიღოთ ენერგია ერთი გაზის მეორეში გარდაქმნისთვის? მაგალითად, ქარის ან მზის ელექტროდანადგარებიდან, რომლებიც აწარმოებენ ენერგიას, მაგრამ ატმოსფეროში არ გამოყოფენ საწვავის წვის პროდუქტებს - შედეგად, ეს შეამცირებს ნახშირორჟანგის საერთო რაოდენობას.

        საინტერესოა, რომ  ანალოგიურ საქმიანობას ეწეოდნენ ძველი მცენარეები და ბაქტერიები, შთანთქავდნენ ნახშირორჟანგს, რომელიც მაშინ ატმოსფეროში ჭარბად იყო, და გარდაქმნიდნენ მას ორგანულ ნივთიერებებად, რომლებიც მოგვიანებით ნამარხ საწვავად იქცნენ. შესაძლებელია, რომ მომავალში კაცობრიობას მსგავსი რამის გაკეთება მოუწიოს, მაგრამ უკვე მხოლოდ ქიმიური ტექნოლოგიების გამოყენებით.