Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Лашевська

§ 35. Роль органічної хімії в розв’язуванні енергетико-сировинної проблеми

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • усвідомити роль органічної хімії в розв’язуванні сировинної та енергетичної проблем;
  • робити висновки щодо важливості знань про органічні сполуки.

З курсу географії основної школи ви вже знаєте про існування глобальних проблем людства (назвіть їх), причини їхнього виникнення та шляхи розв’язання. Розгляньмо докладніше роль органічної хімії в подоланні наслідків деяких з них.

Енергетико-сировинна проблема зумовлена суперечністю між зростанням потреби людства в ресурсах (паливних і сировинних) та зменшенням їхніх запасів (передусім вичерпних непоновлюваних ресурсів). Проаналізуймо, які здобутки в галузі органічної хімії використовують для розв’язання цієї проблеми. Ідеться насамперед про більш повне та, найголовніше, комплексне використання органічної сировини - деревини, природного й супутнього нафтового газів, нафти, кам’яного та бурого вугілля, торфу, горючих сланців тощо.

Комплексну переробку сировини розгляньмо на прикладі лігніну - великотоннажного відходу виробництва целюлози. Технічний лігнін - твердий матеріал, до складу якого крім лігніну входять полісахариди, які складно гідролізувати, смоли, волога тощо. Його переробку можна проводити в трьох напрямах: використовувати лігнін після механічного і теплового оброблення в натуральному вигляді; термічно переробляти (спалювати); хімічно модифікувати.

Після сушіння та подрібнення лігнінове борошно застосовують як наповнювач пластмас і гум замість сажі, деревного борошна. Спалювати лігнін недоцільно, бо його складники мають певні споживчі властивості, зокрема яскраво виражену поглинальну здатність, яка може бути посилена хімічним модифікуванням. Продукти хімічної переробки лігніну використовують як адсорбенти (активоване вугілля), добавки до бурових розчинів, регулятори властивостей цементних розчинів, кількісного вилучення катіонів рідкісних1 металічних елементів з розчинів тощо. Гідрогенізацією лігніну з біомаси добувають біопаливо, про яке буде далі.

1 Малопоширені та/або розсіяні в земній корі металічні елементи, вилучити які із сировини й добути в чистому вигляді технологічно складно.

Цікаво і пізнавально

Лігнін - природний полімер з молекулами у вигляді розгалужених ланцюжків, що містять ароматичні цикли. Він надає міцність стовбурам і гілкам дерев, у яких його масова частка становить 20-40 %. У 1998 році в Німеччині фірмою «Текнаро» розроблено процес добування арбоформу - матеріалу, названого «рідкою деревиною». Зовні застиглий арбоформ схожий на пластик, але має властивості полірованої деревини. Перевагою «рідкої деревини» є можливість її багаторазової переробки переплавлянням.

Лігнін «працює» і в процесі виготовлення паливних гранул - пелет. Сировину (тирсу, кору тощо) подрібнюють до стану борошна. Воно надходить у сушарку, з неї - у прес-гранулятор, де його стискують у гранули. Унаслідок стискування підвищується температура матеріалу, лігнін, що міститься в деревині, розм’якшується та склеює її частинки у щільні циліндри.

Супутній нафтовий газ. Це паливо чи сировина? Зазвичай його використовують на місцях як паливо. Обсяг супутнього нафтового газу часто перевищує місцеві потреби, тож надлишок згоряє у факелах - пристроях для спалювання природних горючих газів, утилізація яких технічно неможлива або економічно невигідна (рис. 35.1).

Рис. 35.1. Спалювання супутнього нафтового газу - шкода довкіллю та нераціональне використання природного ресурсу

Це призводить до втрати цінної хімічної сировини та значних викидів твердих речовин-забруднювачів, вуглекислого газу і недопаленого метану (пригадайте, чому вуглекислий газ і метан називають парниковими газами). Окрім того, до атмосфери потрапляють оксиди Сульфуру і Нітрогену (який хімічний характер цих оксидів? Яке екологічне лихо зумовлене їхніми викидами?). Унаслідок спалювання супутнього нафтового газу в повітрі також зростає концентрація амоніаку, сірководню, чадного газу, відбувається хімічне та теплове забруднення довкілля.

Оптимальний варіант використання супутнього нафтового газу залежить від розміру родовища. Для малих родовищ найбільш привабливим є вироблення електроенергії в малих масштабах для власних промислових потреб і потреб інших місцевих споживачів. Найбільш ефективний спосіб утилізації супутнього нафтового газу середніх родовищ - його хімічне перероблення. Для великих родовищ найдоцільнішим є генерування електроенергії на потужній електростанції з подальшим оптовим продажем до енергосистеми.

Вугілля — перспективна сировина для виробництва моторних палив і продуктів органічного синтезу. Його світові запаси істотно більші порівняно з нафтою та газом. Використання кам’яного вугілля також може задовольнити глобальний попит на таку необхідну в сучасному високотехнологізованому світі енергію. Метою більшості процесів хімічної переробки вугілля є його перетворення на низькомолекулярні органічні продукти внаслідок термічної обробки та під дією різних реагентів. Зрідження вугілля має на меті подолання відмінностей у хімічному складі вугілля й нафти, тобто збільшенні частки Гідрогену. Гідрогенізацією вугілля можна добути синтетичну нафту. Використання каталізаторів збільшує вихід продукту. Однак існує низка технологічних складнощів, які стають на заваді масовому запровадженню цього перспективного способу переробки вугілля. Підземна газифікація вугілля - фізико-хімічний процес перетворення його на горючий газуватий енергоносій (CO, СН4, Н2 тощо) безпосередньо в земних надрах.

Цікаво і пізнавально

Ідея підземної газифікації належить Д. І. Менделєєву. Перша у світі промислова станція підземної газифікації вугілля стала до ладу 1937 року в Горлівці (Донбас). Наукові дослідження з підземної газифікації в Україні здійснюють в Інституті геології та геохімії горючих копалин НАН України, Інституті фізико-органічної хімії та вуглехімії імені Л. М. Литвиненка НАН України.

Газифікацію вугілля використовують не лише в промислових масштабах, а й у побуті. Вугільні генератори енергії - прості й ефективні її джерела (рис. 35.2).

Рис. 35.2. Садовий тракторець і байк з вугільними генераторами

Біопаливо — альтернативне пальне з відновлюваних джерел. Виснаження світових запасів природного газу й нафти, прагнення країн до енергетичної незалежності зумовлює підвищений інтерес до альтернативних джерел енергії, зокрема біопалива. Біодизельне паливо виготовляють з технічних олій - соняшникової, кукурудзяної, соєвої, ріпакової. Під час виробництва відбувається переестерифікація олії метанолом або етанолом:

• Назвіть продукти реакції, на якій ґрунтується добування біодизелю.

Біогаз (суміш метану й вуглекислого газу) - продукт метанового бродіння біомаси, біоетанол - продукт її спиртового бродіння. Біоводень добувають або бродінням біомаси, або високотемпературним розкладанням її без доступу кисню.

Які саме біоенергетичні ресурси в Україні можна використовувати для виробництва біопалива? Це передусім відходи лісового господарства, побутові відходи, а також спеціально вирощений ріпак, точніше - ріпакова олія. Для виробництва біогазу придатні гній, пташиний послід, зернова й мелясна барда1, пивна дробина2, буряковий жом, фекалії. Також використовують відходи рибного й забійного цехів, траву, побутові відходи, відходи молокозаводів, виробництв крохмалю і патоки.

1Залишок після відгонки спирту із бражки.

2 Гуща, що є відходом пивоваріння.

Розширення використання вторинної сировини, яке в багатьох розвинених країнах стало важливим складником раціонального природокористування, також сприяє розв’язанню енергетико-сировинної проблеми. Про рециклізування пластикових відходів ви дізналися з параграфа 29, про перероблення їх на рідке паливо йшлося в параграфі 32. Тож ви, безперечно, усвідомили, що будь-які відходи - це речовини, які можуть і мають стати сировиною для добування різних продуктів. Тому відходи - це не що інше, як вторинні матеріальні ресурси.

Цікаво і пізнавально

В інженерному коледжі індійського міста Нагпур професорка Алка Задгаонкар (рис. 35.3), фахівчиня в галузі органічної хімії, у 2004 році винайшла спосіб виробництва бензину з відходів пластмаси. Він полягає в тому, що обрізки пластика, поламані іграшки та предмети побуту, викинуті пляшки, пакети та сумки нагрівають у герметичному реакторі до 350 °С з вугіллям, узятим у невеликій кількості, і каталізатором. Через три години утворюється рідина, що складається із суміші бензину, гасу й дизельного палива, а також горючий газ. З пластику масою 1 кг вугілля масою 100 г утворюється бензин об’ємом близько 1 л.

Рис. 35.3. Алка Задгаонкар демонструє розроблену технологію

Використання альтернативних газів - один зі шляхів розв’язання енергетичної проблеми. Синтез-газ (суміш CO і Н2) добувають з бурого вугілля, відходів переробки кам’яного вугілля, торфу тощо. В Україні вже розроблено нові технології виробництва синтез-газу з будь-якої біомаси.

Фахівці німецької компанії Sunfire GmbH створили дослідну установку Power-to-Liquid, яка з використанням альтернативних джерел енергії перетворює воду і вуглекислий газ на рідкі вуглеводні, синтетичний бензин, гас і дизельне паливо (рис. 35. 4).

Рис. 35.4. Схематичне зображення установки для виробництва рідких вуглеводнів з неорганічних речовин із застосуванням альтернативних джерел енергії

Зауважимо, що у виробництві сонячних батарей та іншого обладнання для енергетики також використовують продукти органічної хімії. Так, вітчизняне підприємство «Чисті Енергетичні Технології» у співпраці з групою науково-дослідних інститутів України розробило унікальний матеріал, який можна використовувати для акумулювання енергії. Показники енергоємності матеріалу одні з найвищих у світі, при тому що він абсолютно нетоксичний, на відміну від літій-іонних акумуляторів3. У накопичувачах буде використано матеріал, виготовлений з перероблених рослинних відходів сільського господарства. Їх карбонізують, потім активують: утворюється активоване вугілля високої пористості, високої ємності, що здатне накопичувати електроенергію. Інший приклад: вітрогенератори виготовляють, зокрема, зі склопластику, тому їхні лопаті дуже міцні, стабільні й надзвичайно легкі, корпуси зроблено з поліаміду з добавкою скловолокна.

3 http://elektrovesti.net/57809_alternativa-litiy-ionnym-akkumulyatoram-ot-ukra-inskikh-uchenykh-deshevo-ekologichno-effektivno

Більше про роль органічної хімії в житті людей буде в наступному параграфі.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Енергетико-сировинна проблема зумовлена суперечністю між зростанням потреби людства в ресурсах і зменшенням їхніх запасів.

• Шляхи розв’язання енергетико-сировинної проблеми - комплексне використання сировини, використання альтернативного палива, розширення використання вторинної сировини.

Перевірте себе

1. Яка причина виникнення енергетико-сировинної проблеми? 2. Які шляхи розв’язання енергетико-сировинної проблеми? 3. У чому полягає комплексне використання сировини? 4. Для чого використовують газифікацію і гідрогенізацію кам’яного вугілля? 5. Що таке біодизель? Біогаз? Біоетанол? Біоводень? 6. Як розширення використання вторинної сировини сприяє розв’язанню енергетико-сировинної проблеми? 7. Що таке синтез-газ і для чого його використовують?

Застосуйте свої знання й уміння

8. Проаналізуйте наведений далі текст і вставте пропущені слова: «Під час переробки винограду утворюється значна кількість (від 15 до 20 %) ..., раціональне використання яких дає змогу отримати додатково цінні продукти. З виноградної вичавки перегонкою видаляють ... . З твердого залишку видаляють солі ... кислоти. Потім сухою перегонкою з нього добувають світильний ... . Деревину виноградної лози можна використати для виготовлення високоякісного ... . Із цитоплазми клітин винних дріжджів виділяють енантовий естер - суміш етилгексаноату й етилоктаноату (складіть їхні структурні формули). Цей дуже дорогий продукт застосовують для поліпшення якості міцних спиртних напоїв і в парфумерії (поясніть чому).» 9. Перша промислова установка для добування етанолу з молочної сироватки створена на підприємстві фірми «Саrbегу Creamer Products» 1978 року в Ірландії. Для промислового виробництва молочної кислоти використовують бактерії L. bulgaricus і L. acidophilus. Пригадайте, які продукти утворюються внаслідок бродіння глюкози (спиртового та молочнокислого) і складіть рівняння реакції спиртового та молочнокислого бродіння лактози - ізомеру сахарози. 10. Поясніть, чому олію, яку використали для смаження, та кавову гущу недоцільно зливати в каналізацію. Запропонуйте способи повторного використання їх і розробіть відповідні бізнес-плани. 11. Німецький інженер-винахідник Рудольф Дізель 1900 року на Всесвітній виставці в Парижі продемонстрував модель автомобіля, що працює на арахісовій олії. За рік до трагічної загибелі, у 1912 році, він передбачав, що олія стане таким самим важливим видом палива, як і нафтопродукти. Проте тривалий час винахід залишався незатребуваний, лише наприкінці 1990-х років розгорнулись інтенсивні дослідження та інвестування у виробництво біопалива з біомаси. Поясніть цей факт.

Творча майстерня

12. Створіть ментальну карту за матеріалами параграфа 35.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=lAq5yleGC9I
  • https://www.youtube.com/watch?v=bo7kPOO5d1U
  • https://www.youtube.com/watch?v=dTibxNTPDoE
  • https://www.youtube.com/watch?v=_QpXJSQhAZg