Брак вуглекислого газу: чому хімічна проблема може означати збільшення кількості порожніх полиць

Автор: Марк Лорч, професор наукових комунікацій та хімії Університету Галла.

Коли мова йде про довкілля, то вуглекислий газ, ймовірно, є найбільшим ворогом суспільства. Тим іронічнішим видається той факт, що Велика Британія нині страждає від нестачі цього газу, яка, як попереджають експерти, охопить різні галузі промисловості, в першу чергу виробництво продуктів харчування та напоїв.

У певних контекстах CO₂ є надзвичайно корисним газом. Додавання його в напої робить їх шипучими. Перетворіть його під високим тиском на бульбашки в солодощах, і ви отримаєте шипучі цукерки. Стисніть його в циліндрі, й у вас буде вогнегасник. Заморозьте його, і ви отримаєте сухий лід, який використовується для охолодження медичних матеріалів (включаючи вакцини проти COVID) під час транспортування.

Мікроорганізмам, через які псуються продукти харчування, потрібен кисень для виживання, тому упаковка листя салату з CO₂, а не з киснем, зберігає їх свіжими. Тим часом, у м’ясній промисловості високі концентрації газу використовуються для заміни кисню в повітрі, яким дихають тварини, що спричиняє у них втрату свідомості перед забоєм.

З огляду на нашу потребу в CO₂ в одній галузі та його надлишок в іншій, виникає очевидне питання: чому б нам просто не видалити вуглекислий газ з повітря? Досить проста відповідь полягає в тому, що, незважаючи на його шкідливий вплив, в повітрі відносно мало вуглекислого газу. Хоча в нашому повітрі його на 50% більше, ніж до промислової революції, CO₂ все одно становить лише 0,04% від вмісту повітря.

Це робить CO₂ надзвичайно важким для “пошуку” та подальшого видалення з повітря. Ведеться велика робота з вилучення цього газу з повітря для зменшення викидів CO₂, але поки що це не є життєздатним джерелом газу для промисловості.

Натомість основним джерелом CO₂ для промислового використання є виробництво азотних добрив, в результаті якого CO₂ утворюється в якості побічного продукту. А оскільки виробництво добрив у Великій Британії призупинено через стрімке зростання цін на природний газ, який широко використовується на заводах з виробництва добрив, побічним ефектом є нестача CO₂. Тому, щоб пояснити нинішню нестачу CO₂, нам, насправді, потрібно подивитися, як виробляються азотні добрива.

Отримання азоту

Азот відіграє важливу роль в біохімії кожної живої істоти. Це також найпоширеніший газ у нашій атмосфері. Але газоподібний азот здебільшого інертний, тому рослини і тварини не можуть поглинати його з повітря. Отже, основним стримуючим фактором у сільському господарстві завжди була доступність азоту.

1910 року німецькі хіміки Фріц Габер і Карл Бош змінили все це, об’єднавши азот і водень в аміак. Він, у свою чергу, може використовуватись як добриво для сільськогосподарських культур, зрештою потрапляючи до нас по харчовому ланцюжку.

Сьогодні близько 80% азоту в нашому організмі надходить із процесу Габера-Боша, що робить цю єдину хімічну реакцію, ймовірно, найважливішим фактором демографічного вибуху за останні 100 років.

Близько 78% нашої атмосфери складається з азоту, тому знайти цей інгредієнт для процесу Габера-Боша не складно. Але інший компонент, газоподібний водень, не такий легкодоступний. Навколо є багато водню, найбільш очевидно наявного як H в H₂O і CH₄ (метан), але розрив зв’язків між воднем і киснем у воді або вуглецем в метані вимагає величезної кількості енергії.

Зараз провідним способом його отримання є процес, відомий як паровий риформінг метану. Процес розпочинається з природного газу (який у Великій Британії стає дедалі дорожчим), а потім він нагрівається приблизно до 1000℃ за умови наявності води. Кінцевими продуктами є газоподібний водень (H₂) і CO₂.

Вони розділені відповідно до їх призначення. На жаль, кількість CO₂, утвореного підприємствами з виробництва добрив, набагато перевищує кількість, необхідну для інших галузей промисловості. Тому більшість заводів, що виробляють добрива, не обтяжують себе його вилученням.

Горючі корисні копалини, що використовують при виробництві добрив, і утворений при цьому CO₂ в якості побічного продукту роблять його особливо шкідливимдля довкілля. Отже, більша частина програми декарбонізації полягає в тому, щоб виробляти чистий водень для використання його в добривах і паливі. Одним з найлегших способів досягнення цього є електроліз води з використанням чистих джерел електроенергії.

Тим часом, з розвитком технологій вилучення вуглецю з атмосфери ми можемо стати свідками того, як вуглекислий газ добувається безпосередньо з повітря для використання в промислових процесах. Але це перспектива далекого майбутнього, і тому найближчим часом це не допоможе.

Але є альтернативи CO₂, які можуть допомогти в крайньому разі. Найбільш явним є газоподібний азот, який можна використовувати так само, як і CO₂, для збереження їжі або оглушення тварин. Ба більше, оскільки в азоті нічого не горить, його можна використовувати для гасіння пожеж – точно так само, як вогнегасники з вуглекислим газом.

Уряд Великої Британії проводить переговори щодо вирішення кризи з американським власником двох найбільших заводів з виробництва азотних добрив у країні, які нині не є діючими. Можливо, його переконають повернути їх до життя. Але брак вуглекислого газу, тим не менш, виявив складні ланцюги постачання хімічних речовин, на які ми покладаємося при виробництві наших газованих напоїв та упакованих салатів.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під заголовком «CO₂ shortage: why a chemical problem could mean more empty shelves» в журналі «The Conversation» 30 вересня 2021 р.

Переклала Карина Хоменко.