• Процесс поглощения углекислого газа и выделения кислорода характерен для


    Поглощение углекислого газа и выделение кислорода растениями

    Экологическая обстановка в мире давно уже перестала радовать земные экосистемы. Множество заводов, без которых человечеству просто не обойтись, выбрасывают ежегодно в атмосферу около 10 миллиардов тон углекислого газа. Многие относятся к этому скептически, утверждая, что количество диоксида углерода не меняется в экосистеме Земли.

    На деле, проблема не столько в превышении количества CO2, сколько в нарушении обмена веществ в экосистеме Земли. До начала промышленной деятельности человека углекислый газ, при взаимодействии с водой выпадал в осадок в виде карбонатов, потом переходил в почву, откуда служил для многих растений и водорослей удобрениями. Но это процесс, растянутый на десятки и сотни лет. Человечество же использует запасы миллионов лет в сокращенные сроки, перерабатывая твердые формы углерода в виде нефти и угля. При сжигании этих ископаемых в механизмах и на заводах происходит выброс диоксида углерода в воздух.

    Единственный выход это воспользоваться другим механизмом и размножить флору. Фотосинтез — это естественный механизм, предусмотренный природой для переработки CO2. Сегодня эта система нужна, как никогда ранее. Производство диоксида углерода растет и соизмеримо выбросам должно расти количество лесов, джунглей, парков и искусственных насаждений. Растение поглощает углекислый газ и выделяет кислород.

    Содержание страницы

    Дневное дыхание растений

    Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе дыхания растений: 

    C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.

    Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.

    Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.

    Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.

    Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.

    В среднем 1 гектар лесов ежегодно выделяет 4 тонны кислорода и потребляет 5 тонн углекислого газа. Человек в день выдыхает до 1 килограмма диоксида углерода, в год — 365 кг. Следовательно, 1 гектар леса поглощает углекислоту, которую выдыхают 13 человек.

    С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО2 можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.

    Ночное дыхание растений

    Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O2, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.

    Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.

    C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 4ATФ +12H2

    АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.

    Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.

    Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О2 в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.

    В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.

    Водоросли и CO2

    Под водорослями понимают все растения, находящиеся под водой и не имеющие корня. Интенсивнее всего, из водорослей, поглощает углекислоту одноклеточные водоросли — фитопланктон. В основном все водоросли дышат растворенным в воде кислородом, за исключением нескольких видов, осуществляющих бескислородный фотосинтез. Те в качестве акцептора электронов при дыхании используют элементную серу.

    Получение энергии в группе цианобактерий

    Фитопланктон обитает в верхних слоях воды, поскольку ему требуется большое количество солнечной энергии для фотосинтеза. При наличии в воде растворенного углекислого газа фитопланктон осуществляет фотосинтезирующий процесс, побочным продуктом которого является кислород. Большим отличием этих водорослей от наземных растений является количество производимого кислорода. За один цикл фотосинтеза фитопланктон производит кислорода в 3-4 раза больше собственного веса. Неудивительно, что при таких показателях 70 процентов атмосферного кислорода произведено в воде.

    Фотосинтез

    О фотосинтезе уже шла речь в этой статье. Стоит рассмотреть его более подробно. Как уже говорилось ранее, фотосинтез происходит в хлоропластах. За две фазы происходит процесс образования новой молекулы глюкозы, которая после используется в химических процессах растения.

    Во время световой фазы используется энергия солнца. Под ее действием вода отдает электрон и распадается на положительно заряженные частицы водорода (Н) и радикалы гидроксида (ОН). После этого оставшиеся частицы ОН образуют воду и кислород, который сразу же удаляется в атмосферу. В хлоропласте остались электроны и положительно заряженные частицы водорода. Эти частицы накапливаются на различных сторонах мембраны тилакоида (одной из частей хлоропластов), из-за разницы концентраций протоны из большей концентрации стремятся проникнуть через мембрану к протонам с меньшей концентрацией. Когда разность потенциалов между ними достигнет 200 миллиВольт, произойдет разряд и молекула АТФ зарядится, а никотинамидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно НАДФ) восстановится до НАДФ*Н. Эти два компонента и будут необходимы в темновой фазе фотосинтеза.

    Схематический процесс фотосинтеза

    В теневой фазе АТФ является аккумулятором, а НАДФ курьером, который доставляет в другую часть хлоропласта протон Н. К тому же растению нужен будет СО2, который послужит основой для будущей молекулы глюкозы. В итоге химических реакций из молекул СО2 и водорода, с помощью энергии из АТФ получается глюкоза С6Н12О6, которая и является первым питательным веществом во всех пищевых цепочках Земли.

    Читайте также: Натрий и углекислый газ, формулы взаимодействия.

    Заключение

    Хлоропласты — устройство для сбора солнечной энергии возрастом 3 миллиарда лет. Эта микроскопическая солнечная батарея дает жизнь лесам, полям, планктону морей, а также животным включая нас с вами.

    Хлоропласты

    Биосфера, работающая на солнечной энергии, собирает и обрабатывает в 6 раз больше энергии, чем вся человеческая цивилизация. Сейчас мы понимаем, как фотосинтез работает на химическом уровне. Мы способны повторить этот процесс лабораторных условиях, но у нас это получается хуже, чем у растений. Неудивительно, ведь природа занималась этим миллиарды лет, а мы только что начали. Но если бы мы смогли раскрыть тайны фотосинтеза, все источники энергии, от которых мы зависим сегодня — уголь, нефть, природный газ ушли в прошлое. Фотосинтез — идеальная экологическая энергия, она не загрязняет воздух, не даёт выбросов углерода. Искусственный фотосинтез в достаточно больших масштабах позволил бы снизить парниковый эффект, ведущий к опасному изменению климата …

    что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

    Что такое фотосинтез

    Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

    Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

    Строение хлоропластов

    Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

    Рис.1. Строение хлоропласта высших растений.

    Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений

    Питание – это процесс Получения организмом веществ и энергии выделения кислорода выделения кислорода и поглощения углекислого газа

    А1)  Питание – это процесс
    Получения организмом веществ и энергии
    выделения кислорода
    выделения кислорода и поглощения углекислого газа
    образования углекислого газа
    А2) Пищеварение – это процесс
    Получения пищи
    механической и химической переработки пищи
    выделения кислорода и поглощения углекислого газа
    получения кислорода
    А3)  При дыхании организм выделяет
    кислород
    углекислый газ
    азот
    4)озон
    А4)  Лист получает углекислый газ через
    чечевички
    жилки листа
    устьица
    клетки камбия
    А5)  Движение органических веществ у растений осуществляется по
    сосудам
    капиллярам
    ситовидным трубкам
    венам
    А6)  Кровь движется от сердца по
    венам
    полостям
    артериям
    капиллярам
    А7)  Выделение у позвоночных животных осуществляется через
    зелёные железы
    устьица
    кожу
    кожу, легкие и почки
    А 8)  У дождевого червя выделение осуществляется через
    сократительные вакуоли
    устьица
    нефридии
    почки
    А 9)  К теплокровным животным относятся
    рыбы
    земноводные
    рептилии
    млекопитающие
    А 10)  Наружный скелет не имеют
    малюски
    рыбы
    насекомые
    ракообразные
    А 11)  Внутренний скелет имеет
    рак
    кролик
    амёба
    жук
    А12)  С помощью ресничек передвигается
    амёба
    эвглена зелёная
    хлорелла
    инфузория
    А 13)  Нервная система впервые появляется у
    позвоночных
    плоских червей
    кишечнополостных
    кольчатых червей

    Фармакология диоксида углерода | Психологическая психология

    Эта глава связана с целями Раздела F10 (ii) Основного учебного плана CICM 2017, который предполагает, что экзаменующиеся стажеры смогут « объяснить физиологические эффекты ... гиперкапнии и гипокапнии». На экзамене это возникало по крайней мере один раз, в вопросе 21 из второй работы 2012 года, где кандидатам на экзамене было предложено «описать физиологические последствия прогрессирующего повышения уровня углекислого газа в крови.« По сути, это описывает зависимость доза-реакция CO 2 , и, следовательно, в этой главе CO 2 рассматривается как лекарство. Обсуждение вращается вокруг его физико-химических свойств, соответствующих особенностей его транспорта в организме. тела, и, что наиболее важно, физиологические эффекты гиперкапнии и гипокапнии. Для ответа CICM колледж также ожидал «механистическое описание нейроклеточных событий», , что, по-видимому, означало некоторое обсуждение респираторных реакций на CO 2 , то, что обсуждается более подробно в главе о взаимосвязи артериального углекислого газа и альвеолярной вентиляции.

    Итого:

    Физиологические последствия гиперкапнии:

    • Подавленные рефлексы дыхательных путей с тяжелой гиперкапнией
    • Изменения респираторного влечения:
      • Повышенное респираторное движение с легкой гиперкапнией
      • Угнетение дыхательного влечения с тяжелой гиперкапнией
      • Эти изменения контролируются центральными хеморецепторами
      • Хеморецепторы чувствительны к изменению pH CSF
      • Их выход максимален при PaCO2 60-65 мм рт. Ст.
      • При чрезвычайно высоком уровне PaCO2 нейродепрессивный эффект гиперкапнии фактически подавляет дыхательную активность
    • Изменения функции дыхания:
      • Бронходилатация
      • Сдвиг вправо кривой диссоциации кислород-гемоглобин
    • Сердечно-сосудистая стимуляция:
      • Симпатическая гиперактивность, таким образом:
      • Гипертония
      • Тахикардия
      • Избыток катехоламинов в сыворотке
      • Увеличение сердечного выброса
      • Удлиненный интервал QT
    • Вазоактивные эффекты:
      • Системное расширение артериальных сосудов
      • Сужение сосудов легочной артерии
    • Эффекты ЦНС
      • Постепенно усиливающаяся седация
      • Повышенное внутричерепное давление
    • Кислотно-основные эффекты
      • Ацидоз
      • Повышенный уровень бикарбоната сыворотки
    • Воздействие на другие системы органов
      • Повышенное сопротивление сосудов почек
      • Пониженная СКФ
      • Снижение диуреза
      • Повышенное давление в воротной вене и сопротивление сосудов


    Что касается опубликованных материалов, то, вероятно, лучшей рецензируемой статьей является глава Сервилло и др. (2001), но, к сожалению, она оплачена Springer.

    Химические свойства и молекулярная структура

    Во-первых, давайте познакомимся с газом.

    CO 2 представляет собой одиночный атом углерода, присоединенный к двум атомам кислорода двойными ковалентными связями, что делает его довольно неполярной молекулой. Он сублимируется при температуре около -78 ° C и обладает рядом других интересных свойств, не последним из которых является его поведение в качестве сверхкритической жидкости. К счастью или к сожалению, такого рода вещи никогда не встречаются в отделениях интенсивной терапии.

    • Точка плавления: -55.6 ° С
    • Температура кипения: -78,5 ° C (при этой температуре он сублимируется при атмосферном давлении)
    • Плотность: 1,977

    В водном растворе CO 2 действует как кислота Льюиса, спонтанно (и медленно) гидратируя и производя угольную кислоту (H 2 CO 3 ). При нормальном физиологическом pH точка равновесия этой реакции сильно отдает предпочтение CO 2 по сравнению с H 2 CO 3 , и, следовательно, в жидкостях организма большая часть молекул CO 2 будет обнаружена в виде растворенного газа.Более подробная информация о растворимости и гидратации CO 2 представлена ​​в главе, посвященной переносу CO 2 и буферизации острых респираторных кислотно-щелочных расстройств.

    Как и большинство газов, растворимость зависит от температуры. При понижении температуры большее количество CO 2 может растворяться в воде, и это может быть продемонстрировано в газированных напитках (которые «выделяют газ» при нагревании). CO 2 более растворим в воде, чем кислород; По сути, так (просто посмотрите эти графики зависимости температуры от растворимости, пиратские из engineeringtoolbox.com).

    При 37 ° C в каждом литре чистой воды можно найти примерно 1 г растворенного CO 2 и около 0,033 г O2.

    Химические родственники

    Другие газообразные диоксиды, вероятно, относятся к этой категории, но не имеет особого смысла рассматривать их как химические родственники CO 2 . Их химические свойства совершенно разные. NO 2 также представляет собой молекулу, которая имеет два атома кислорода с двойной связью, но ее связи расположены под углом, и у нее есть неспаренный электрон, который делает ее свободным радикалом.Как и диоксид серы (SO 2 ), это токсичный газ с резким запахом. Будет справедливо сказать, что химически CO 2 не имеет аналогов.

    Введение и абсорбция

    Другой побочный эффект лечения CO 2 как лекарственного средства, раздел «введение и абсорбция» несколько искусственен. Обычно не возникает клинической необходимости вводить этот газ. Наши пациенты производят его в достаточном количестве.

    В любом случае абсорбция CO2 происходит быстро через стенку альвеол.Его превосходная растворимость в воде и липидах позволяет ему легко диффундировать на такое короткое расстояние, и его обмен в легких легче, чем кислород. Этот обмен обычно односторонний, так как атмосферный газ (в основном представляющий свежий альвеолярный газ) обычно содержит очень мало CO 2 (0,027-0,036%), а градиент концентрации способствует перемещению CO 2 из альвеолярного капиллярная кровь и в альвеолы. Абсорбция CO 2 через брюшину или стенку кишечника происходит намного медленнее, как будет обсуждаться ниже; однако их также можно рассматривать как методы администрирования.

    Метаболизм и клиренс

    Хотя он не метаболизируется в общепринятом смысле, CO 2 претерпевает химические изменения в кровотоке. В частности, его перенос в крови напоминает метаболизм в том смысле, что естественная реакция гидратации (которая превращает CO 2 в H 2 CO 3 ) активно катализируется карбоангидразой в красных кровяных тельцах с H . + и HCO 3 - конечные продукты.Этот «метаболический процесс» более подробно обсуждается в главах, посвященных физиологии транспорта CO 2 и буферизации острых респираторных кислотно-щелочных нарушений.

    Дыхательный клиренс CO 2

    Клиренс CO 2 почти на 100% зависит от альвеолярной вентиляции. Он добавляется к альвеолярной газовой смеси капиллярами и обменивается с атмосферой при дыхании. Сумма обмена может показаться относительно небольшой; Учебник Нанна цитирует смешанный венозный CO 2 , равный 46 мм рт. Ст., И артериальный CO 2 , равный 40 мм рт.Однако следует помнить, что основная часть CO 2 транспортируется в крови в виде бикарбоната и карбаматов. В капиллярной крови карбоангидраза в эритроцитах катализирует обратную реакцию, превращая угольную кислоту обратно в CO 2 и воду, восстанавливая летучесть сохраненного CO 2 . Фактическое количество очищенного CO 2 тесно связано с расходом энергии всем телом и окислением метаболических субстратов и, следовательно, с потреблением кислорода.Фактически, взаимосвязь между потреблением кислорода и выведением CO 2 широко известна как респираторный коэффициент и более подробно обсуждается в главе, посвященной косвенной калориметрии.

    Кожный зазор CO 2

    В дополнение к великолепно развитому процессу дыхания, мы, приземляясь, млекопитающие также могут выводить небольшие количества CO 2 через нашу кожу, хотя это может показаться диковинным земноводным. Как и у земноводных, количество «вспотевшего» CO 2 зависит от количества воды в коже, и влажная потная кожа, по-видимому, способствует его удалению этим путем.Или, скорее, введение атропина группе здоровых добровольцев, запертых в плетизмографах всего тела, по-видимому, снижает скорость выведения CO 2 через кожу за счет уменьшения потоотделения. Считалось, что это прямая диффузия (учитывая полное отсутствие какого-либо специального механизма), основанное на том факте, что CO 2 , по-видимому, диффундирует во все жидкости организма в равной степени и, следовательно, также присутствует в поте.

    Независимо от влажности потной шкуры, ее эффективность в качестве газообменного органа очень низка: самые потные добровольцы в вышеупомянутом исследовании (они были мужчинами) выделяли максимум 1.43 мл / мин CO 2 на каждый вонючий волосатый квадратный метр их тела. В этом случае он составлял около 0,5% от общего количества клиренсов для этих субъектов. В исследованиях с участием только увлажненных мышечных конечностей, таких как верхняя конечность человека (и отмечая эффект от упражнений в связи с этим), удалось увеличить эту скорость до 9,1 мл / мин / м 2 , хотя и локально и только на короткие периоды.

    Без дальнейшего отступления, можно резюмировать, сказав, что CO 2 удаляется со скоростью, пропорциональной альвеолярной вентиляции.

    Преднамеренное и непреднамеренное введение экзогенного CO 2 Введение

    Если бы кто-то обсуждал CO2 как лекарство, он бы включил раздел о показаниях и противопоказаниях. Однако при отсутствии фактических указаний, вероятно, было бы правильнее обсудить использование экзогенного CO 2 как преднамеренное и непреднамеренное.

    Случайный экзогенный CO 2 Воздействие

    Благоприятный капиллярно-атмосферный градиент концентрации CO 2 - это просто побочный продукт жизни на планете, способной поддерживать жизнь.Можно представить себе сценарии, в которых можно оказаться в замкнутой среде с локально повышенной атмосферной концентрацией CO 2 . Скажем, один находится на дне плохо вентилируемой шахты (учитывая, что CO 2 тяжелее воздуха и легко опускается на дно). Или вы обнаружите, что используете огнетушитель на основе CO 2 в гараже, где небольшой контролируемый масляный пожар стал менее слабым и менее контролируемым. Или одна из лабораторий потеряла электроэнергию в теплый летний шторм, и морозильная камера для сухого льда взорвалась.Можно вообразить множество сценариев, в которых вы неизбежно поплывете углекислым газом. В таком случае законы распространения обратятся против вас. Избыток CO 2 во вдыхаемой газовой смеси будет легко диффундировать в кровь, вызывая острое отравление диоксидом углерода.

    Пневмоперитонеум как источник экзогенного CO 2

    Чаще, чем странные несчастные случаи в лаборатории, источником избыточного CO 2 является хирургическая процедура.Благодаря своей превосходной растворимости и быстрой абсорбции CO 2 является идеальным газом для использования в качестве инсуффляционной среды для лапароскопических процедур. Не отвлекаясь от дополнительных эффектов переохлаждения и обезвоживания брыжейки (возникающих в результате вдувания холодного сухого газа), можно резюмировать, что надувание внутренних органов, как воздушный шар, является крайне ненормальным опытом, а гиперкапноэ - лишь одним из многих физиологических расстройств, которые развиваются по мере того, как следствие, но пусть это будет в центре внимания в настоящий момент.

    В этой ситуации брюшная полость становится газообменной поверхностью. Излишне говорить, что он плохо приспособлен для этой цели, и газообмен занимает значительно больше времени (мембраны толще, а кровоток хуже). Обычно после инсуффляции артериальный pCO 2 достигает своего рода плато через 15-30 минут, но после этого уровень постепенно повышается и кажется, что чем дольше процедура, тем больше CO 2 попадает в артериальную кровь.

    Точно так же инсуффляция кишечника несколькими литрами CO 2 во время эндоскопии может привести к абсорбции CO 2 через стенку кишечника.

    Однако ятрогенное гиперкапноэ при лапароскопии является не столько показанием для введения CO 2 , сколько нежелательным последствием желания лучше видеть органы с помощью камеры. Есть несколько существующих показаний для добавления CO 2 в газовую смесь пациента.

    Исторические показания к введению экзогенного респираторного CO 2

    В далеком прошлом вдыхание CO 2 использовалось для лечения различных заболеваний.В статье 1957 года из American Journal of Psychiatry отмечается его «» благоприятное воздействие при различных неврозах и психосоматических состояниях, особенно при состояниях тревоги, фобических реакциях, некоторых плохо определенных состояниях напряжения и состояниях, таких как спастический колит и мигрень. головные боли ». С завидной привязанностью к научным фактам, автор (доктор Мориарти) предположил, что механизм действия состоит из «разрыва патологических реверберационных цепей в нервной системе» .

    Современное использование медицинских CO 2

    Хотя в наши дни ни один квалифицированный медицинский работник не предпринимает дальнейших искренних попыток терапевтически полусфиксить своих пациентов, лекарственный CO 2 нашел другие применения. Например, его кожное применение было предложено как средство улучшения микроциркуляции в хронических ранах. В докритические времена фумарольные источники, богатые CO 2 , были хорошо известными решениями для лечения спазма периферических артерий, вызванного отравлением спорыньей, и это было возрождено в современном лечении хромоты, неизлечимой хирургическим путем.Более того, он нашел широкое псевдонаучное использование как часть бессмысленной "терапии" вроде спировитализации.

    Эффекты гиперкапноэ и их механизмы

    Хотя это и сложно, здесь будет предпринята попытка искусственно отделить эффекты гиперкапнии от эффектов сопровождающего ее ацидоза. Это, наверное, невозможно. Например, анестезирующий эффект CO 2 , вероятно, полностью зависит от внутриклеточного ацидоза, который развивается при гиперкапнии, и поэтому их нельзя разделить.

    Повышенное респираторное движение с легким гиперкапноэ

    Умеренная гиперкапния усиливает «дыхательную активность» как гомеостатический механизм, который защищает кислотность жидкостей вашего тела.

    В интересах сохранения здравомыслия читателя, обширное отступление, касающееся респираторного влечения, здесь не будет (потому что это происходит в другом месте). Вместо этого я отсылаю любопытных к шедевру Ганса Лешке 1981 г. «Центральная химиочувствительность и теория реакций ».Таким образом, Лешке обсуждает серию элегантных экспериментов (некоторые из которых были выполнены им самим и его коллегами за много десятилетий до этого) с участием анестезированных кошек, которым осуществляли доступ к субарахноидальным пространствам и орошали их растворами с различным pH и pCO 2 . Авторы пришли к выводу, что « внеклеточный pH в головном мозге является основным химическим сигналом, определяющим вентиляцию. »

    Вообще говоря, реакция респираторного влечения на респираторный ацидоз больше, чем реакция на метаболический ацидоз при том же pH.Это связано с тем, что центр медуллярного контроля дыхания находится внутри гематоэнцефалического барьера. CO 2 может легко проникать через этот барьер, а ионы водорода - нет.

    Для людей, не страдающих гиперкапнией, максимальный эффект стимуляции дыхания CO 2 достигается примерно при 100-200 мм рт. Сообщается о довольно широком диапазоне. Например, Нанн называет максимальное значение 100-200 мм рт. Ст. Руководящие принципы ANZICS по тестированию апноэ (в контексте диагностики смерти мозга) предполагают, что pCO 2 более 60 мм рт. Ст. Является «адекватным стимулом», альтернативно представленным как повышение на 20 мм рт. Ст. От исходного уровня или снижение pH до примерно 7.30.

    Этот уровень 55-60 мм рт. Ст. Также кажется уровнем CO 2 , при котором большинство нормальных людей прекращают свою произвольную задержку дыхания. Связанная статья представляет собой исследование добровольцев, задерживающих дыхание; максимальное усилие, по-видимому, составило 135 секунд, в конце которых доброволец, вероятно, был совершенно синим, с сообщенным SpO 2 85%.

    Снижение респираторного движения с тяжелой гиперкапнией

    Помимо «максимального» стимула вентиляции при 100-200 мм рт.ст., гиперкапния имеет тенденцию угнетать и в конечном итоге отменять активность центров контроля дыхания.По крайней мере, так говорят все влиятельные учебники. Откуда они это знают? Опыт, эксперимент, откровение грибного транса?

    Сомнительно. Никаких упоминаний об этом у Нанна нет, хотя у Нанна обычно можно рассчитывать на некоторые жесткие физиологические данные.

    В любом случае. Это угнетение дыхания при крайней гиперкапнии, вероятно, является функцией анестезирующих эффектов, которые описаны ниже. В конце концов, 200 мм рт.ст. или более pCO 2 представляют FiCO 2 , приближающийся к 30%, что, по-видимому, является порогом потери сознания для крупных млекопитающих.Подобно общему нейродепрессивному эффекту, это угнетение дыхания, вероятно, может быть связано с внутриклеточным ацидозом нейронов, который развивается при тяжелой гиперкапнии.

    Бронходилатация

    Да, CO 2 кажется бронходилататором. У ряда пациентов (у некоторых из которых была ХОБЛ и астма) состояние нормоксической гиперкапнии привело к значительным измеримым изменениям сопротивления дыхательных путей. Вероятно, это эффект, опосредованный общим состоянием расслабления гладких мышц, которое обсуждается в другом месте.van den Elshout и др. (1991) предполагают, что прямого воздействия на гладкую мускулатуру бронхов как таковую не может быть (поскольку исследования бесплотных бронхов показали, что гладкая мускулатура бронхов расширяется, сужается или остается неизменной в ответ на CO 2 ). Более вероятно, что этот эффект опосредуется центральными медуллярными хеморецепторами, которые посылают сигнал в бронхи, заставляя их расширяться. Это имело бы смысл - т.е. больший калибр дыхательных путей означает меньшее сопротивление воздушному потоку и, следовательно, лучший зазор CO 2 , что кажется адаптивной реакцией.

    Сдвиг вправо кривой диссоциации кислород-гемоглобин

    В другом месте оживленное обсуждение факторов, влияющих на кривую диссоциации кислород-гемоглобин, упоминает об этом эффекте. CO 2 улучшает стабильность дезоксигемоглобина, тем самым увеличивая его сродство к CO 2 и увеличивая способность крови переносить CO 2 (позволяя хранить некоторое количество CO 2 в молекуле гемоглобина в виде карбаматов). Влияние pH на механизм ассоциации кислород-гемоглобин намного больше, чем влияние CO 2 , но обычно ацидоз и гиперкапния возникают вместе, и эту проблему можно спокойно игнорировать.Короче говоря, если кто-нибудь спросит, гиперкапния вызывает сдвиг кривой вправо.

    Симпатическая стимуляция и избыток катехоламинов

    Учебник Нанна ссылается на известную статью Р.А. Миллара 1960-х годов «Адреналин и норадреналин в плазме при диффузном дыхании». В статье сообщается о серии экспериментов, проведенных на собаках, которым вводили анестезию тиопентоном и суксаметонием. Собак вентилировали "диффузией", то есть полагаясь на массоперенос O 2 , увлекаемый через проходимые дыхательные пути.По мере того как апноэ продолжалось, их артериальный CO 2 поднимался все выше. Исследователи собрали образцы и измерили концентрации PaCO 2 , норадреналина и адреналина.

    Вот как выглядят прекрасные данные Миллара, если ввести их в измельчитель MS Office:

    Таким образом, нелепая ацидотическая среда крайней гиперкапнии имеет тенденцию вызывать мощный катехоламиновый шторм.

    Эффект от этого в некоторой степени компенсируется тем фактом, что при ацидозе такой степени катехоламиновые рецепторы вряд ли будут связывать что-либо большее.Эта особенность становится более заметной по мере того, как ацидоз ухудшается, и рецепторы катехоламинов становятся менее чувствительными. Действительно, Миллар включил измерения артериального давления в свои эксперименты на собаках, которые демонстрируют эту особенность.

    Как ясно видно, начальные стадии гиперкапноэ (в «обычном» диапазоне, от нормального до примерно 100 мм рт. Ст.) Характеризуются падением диастолического и умеренным повышением систолического давления. Затем, когда PaCO 2 повышается, артериальное давление повышается до плато в какой-то момент около 200 мм рт. Ст. PaCO 2 .После этого плато ацидоз (и, вероятно, влияние адреналина на β-2 рецепторы) приводит к падению артериального давления.

    Избыток катехоламинов, кажется, поступает из надпочечников, возможно, без какого-либо влияния со стороны симпатической нервной системы. Как ни странно, у крыс с денервированным мозговым веществом надпочечников наблюдалась нормальная реакция катехоламинов на гиперкапнию (но не на гипоксию, которая, по-видимому, опосредована симпатическими рефлекторными дугами между каротидными телами и надпочечниками).Короче говоря, мозговое вещество надпочечников будет продолжать вырабатывать катехоламины в ответ на повышенный уровень CO 2 независимо от того, что еще происходит в вегетативной нервной системе.

    Почему это происходит? В чем смысл активации симпатической нервной системы на поздних стадиях гиперкапнии, близких к анестезиологическим? Это почти кажется контрпродуктивным; несомненно, эволюция будет благоприятствовать таким организмам, которые реагируют на асфиксию снижением своей метаболической активности, производя на меньше CO 2 на грамм массы тела.

    Возможно, этот выброс катехоламинов на самом деле является избыточным вегетативным рефлексом, который в той или иной форме сохранялся со времен среднего палеозоя. Рыбы, по-видимому, имеют стереотипную реакцию на стресс, вызванную гипоксией и гиперкапнией, что приводит к мощному выбросу прореспираторных катехоламинов, что приводит к таким жизненно важным маневрам, как мобилизация красных кровяных телец из селезенки. У людей этот избыток симпатической активности может представлять собой попытку противодействовать или компенсировать церебральную вазодилатацию, которая возникает в ответ на высокий уровень CO 2 .Это была бы отличная гипотеза, если бы она была подтверждена какими-либо доказательствами, но на самом деле симпатическая нервная система может иметь небольшой контроль над сосудами головного мозга. Короче говоря, за полчаса ленивого поиска в Google не удалось найти удовлетворительного объяснения цели , стоящей за этим явлением, и я был бы рад услышать любые предложения по расширению этой области.

    Снижение сократимости сердца ... но с увеличением сердечного выброса

    Да, предполагается, что гиперкапния оказывает прямое угнетающее действие на миоциты.Фактически, ацидоз также должен иметь этот эффект, и вместе эти два фактора должны вызывать впечатляющую степень сердечной недостаточности. Однако есть и упомянутый выше избыток сочувствия. Кроме того, при ацидозе наблюдается колебание чувствительности рецепторов к катехоламинам. Короче говоря, чистое влияние гиперкапнии на сердечно-сосудистую систему довольно непредсказуемо.

    Сужение сосудов легких

    Респираторный ацидоз, несомненно, вызывает сужение сосудов легких, а гипокапния, по-видимому, отменяет положительные эффекты гипоксической вазоконстрикции легких.Однако есть убедительные доказательства того, что эти эффекты связаны больше с pH, чем с p CO 2 . Поэтому этот аспект более подробно обсуждается в другом месте

    Анестезия

    Да, CO 2 обладает анестезирующими свойствами, что позволяет нам рассматривать его как анестезирующий газ в целях обсуждения. Учитывая этическую трясину намеренного воздействия на людей высоких концентраций явно ядовитого вещества, большая часть наших данных относительно анестезирующего действия CO 2 получена из исследований на животных.Например, крысы. На крысах экстраполяция изменений, вызванных CO 2 в значениях ПДК ингаляционных анестетиков, показала, что ПДК CO 2 составлял приблизительно 50% при давлении 1 атмосферное, давая FiCO 2 около 380 мм рт.

    PaCO 2 380 мм рт. Ст. Давайте подумаем об этом на секунду.

    Эти 380 мм рт.ст. газа не сидят в кровотоке и являются вежливо инертными. Это влияет на ваш pH .Фактически, если мы используем Бостонское правило «1 к 10» вместе с уравнением Хендерсона-Хассельбаха, мы получим бикарбонат сыворотки около 58 мм рт. Ст. И pH около 6,805, что не может быть благоприятным с точки зрения продолжающейся сердечно-сосудистой выживаемости.

    Таким образом, вы наверняка умерли бы исключительно от ацидоза, если бы вы были крысой, а ваше PaCO 2 было 380 мм рт.

    В самом деле - в вышеупомянутом исследовании на крысах упоминается, что такие концентрации всегда были фатальными.

    Итак, сколько PaCO 2 вам нужно, чтобы потерять сознание, но не умереть?

    Снова обратимся к исследованиям на животных.Давайте на этот раз возьмем более крупного млекопитающего. Древняя рукопись 1950-х годов, в которой подробно описываются эффекты гиперкапнии на беспородных собак, дает нам некоторые данные о выживаемости при крайней гиперкапнии. Из собак выжили те, кто подвергался воздействию примерно 35% FiCO 2 (266 мм рт. Ст.); из тех, кто получил 45% FiCO 2 , половина умерла в течение 90 минут.

    Эти данные о животных согласуются с сообщениями о случаях заболевания людей. Еще более древняя рукопись, в которой сообщается об исследованиях еще более крупных млекопитающих ( человека, ), сообщает, что для обратимого сглаживания формы волны ЭЭГ требуется концентрация около 30%.Точно так же в статье BMJ сообщается о случае «экстремальной» гиперкапнии с PaCO 2 около 232 мм рт. Ст. И pH около 7,00 - на этом уровне GCS составлял 3, а патент требовал интубации. Действительно, 30% от 760 на самом деле составляет 228 мм рт. Ст., Что очень близко к PaCO 2 из отчета о болезни.

    Итак, теперь, когда мы исследуем опасные глубины наркоза CO 2 , возникает вопрос: насколько глубоко вы можете зайти, а затем вернуться назад ? Верхние пределы выживаемой гиперкапнии сообщаются в часто цитируемой статье, в которой подробно описывается выживаемость пациента после массивной аспирации зерна (это была пшеница).Сотрудники Anesthesiology настолько гордятся этим описанием случая, что предлагают его бесплатно. Рассматриваемый пациент был 16-летним мальчиком 65 кг, который упал (и был немедленно погружен) в вагон, наполненный зерном. Им потребовалось около пяти минут, чтобы вытащить его. Этот бедный парень пережил шокирующий PaCO 2 в 501 мм рт. Ст., Самый высокий из когда-либо зафиксированных у выжившего пациента. Ему удалось пережить это испытание, несмотря на то, что у него практически не было нижних дыхательных путей (действительно, авторы жалуются, что после обширного удаления массы зерна верхних дыхательных путей с помощью ларингоскопа ЭТТ мальчика не могла выйти за пределы его гортани », вероятно, из-за поврежденного зерна в трахее ").

    Верхние пределы PaCO 2 , которые все еще соответствуют нормальному познанию, были непреднамеренно исследованы одним пациентом с ХОБЛ, который удивил ближайших врачей, оставшись «бодрствующим и бодрым» с PaCO 2 160 мм рт. Этот случай демонстрирует, что при хронической гиперкапнии потенциально возникает некоторая обусловленность, которая может защитить вас от наркоза CO 2 .

    Это кондиционирование вполне может быть связано с концентрацией бикарбоната в спинномозговой жидкости.Основной механизм наркоза CO 2 , по-видимому, тесно связан с развитием нейронального внутриклеточного ацидоза. Фактически, учебник Нанна сообщает (на основе этого исследования на собаках), что степень наркоза более тесно коррелирует с церебральным pH, чем с артериальным pCO 2 .

    В дополнение к вышеупомянутым «прямым» анестезирующим эффектам «экстремальная» гиперкапния также может вызывать потерю сознания, нарушая ауторегуляцию головного мозга, позволяя слишком большому притоку крови в мозг и тем самым увеличивая внутричерепное давление.

    Влияние CO 2 на церебральный кровоток и явления «внутричерепного обкрадывания»

    Гиперкапноэ имеет тенденцию в значительной степени увеличивать церебральный кровоток. Замечательная обзорная статья из Anesthesiology (1998) позволяет энтузиасту погрузиться в роскошные детали. Процесс сложный, и, кроме того, механизмы различаются у новорожденных и взрослых.

    Похоже, что CO 2 влияет на диаметр сосудов головного мозга с помощью следующих механизмов:

    • Изменение периартериолярного pH приводит к изменению активности синтазы оксида азота;
    • Синтаза оксида азота катализирует внутриклеточную продукцию цГМФ;
    • cGMP действует как второй посредник, влияющий на изменение доступности внутриклеточного ионизированного кальция.

    Нанн приводит цифры, показывающие, как именно pCO 2 влияет на церебральный кровоток. Очевидно, наблюдается увеличение кровотока на 1-2 мл на каждые 1 мм рт. Ст. Изменения pCO 2 (это кровоток в миллилитрах на 100 г ткани мозга в минуту). Эта цифра, по-видимому, заимствована из статьи 1970 года, в соавторстве с которой знамениты Плам и Познер (авторы знаменитого учебника «ступор и кома»).

    Раздражает то, что этот механизм, кажется, теряется в поврежденной мозговой ткани.Затем эта ткань становится вазоплегической, ее сосуды вялыми и парализованными, неспособными саморегулировать кровоток. Результатом является так называемый феномен «роскошной перфузии».

    Это дает основание задаться вопросом, почему мы так заботимся о CO 2 при черепно-мозговой травме.

    Если реакция сосудов головного мозга на CO 2 потеряна, то, конечно, не имеет значения, что такое pCO 2 ? Уровни pCO 2 у пациента могут сильно колебаться, но их церебральная перфузия останется прежней, верно?

    Как оказалось, это не так.

    При отсутствии реакции на CO 2 перфузия этой поврежденной ткани становится зависимой от реакции окружающей ткани. Если окружающие ткани подвержены гиперкапнии, сосуды с неповрежденной ауторегуляцией будут расширять сосуды, отводя кровоток от поврежденного участка (создавая локальную ишемию). И наоборот, при гипервентиляции низкие уровни CO 2 вызывают сужение все еще чувствительных сосудов, отводя избыток крови в поврежденную паренхиму, вызывая повышенное местное давление, ухудшение отека и другие нейрохирургические эффекты.

    И поэтому мы беспокоимся о CO 2 у пациентов с черепно-мозговой травмой.

    Снижение тонуса гладких мышц системных сосудов

    Поскольку он расширяет сосуды головного мозга, CO 2 расслабляет все другие сосудистые русла гладких мышц. Ричардсон и др. (1961) элегантно продемонстрировали, что этот эффект обычно хорошо подавляется общей возбуждающей симпатической активностью. При вдыхании FiCO 2 около 7% их добровольцы имели неизменный кровоток в конечностях; однако, когда симпатические сосудосуживающие сигналы к их предплечью были избирательно блокированы феноксибензамином, наблюдалось 28% изменение кровотока в предплечье, все из-за снижения периферического сосудистого сопротивления.

    Однако в системе кровообращения, не нарушенной симпатической блокадой, этот сосудорасширяющий эффект обычно не проявляется. Чистый гемодинамический эффект гиперкапнии - это по-прежнему гипертензия, а не вазоплегия. Kiely et al (1996) продемонстрировали это на когорте нормальных взрослых людей, у которых значения CO 2 в конце выдоха увеличились примерно до 52 мм рт.ст. за счет повторного вдыхания выдыхаемого воздуха. SVRI не сильно изменился (l, 102 ± 38 против 1162 ± 78 дин-с-см -5 ), но САД увеличилось в среднем на 10 мм рт.ст., в основном из-за увеличения сердечного выброса с 5.От 5 до 7,5 л / мин.

    Удлиненный интервал QT и повышенная склонность к аритмиям

    CO 2 - слабый удлинитель интервалов QT. Это было также продемонстрировано Кили и др. (1996). Изменение продолжительности QT у их пациентов (у которых гиперкапния была довольно легкой) в среднем составляло от 411 до 428 мс, что является хорошим примером результата исследования, который достигает статистической, но не клинической значимости. Неясно, какие эффекты на интервале QT могут развиться из-за действительно героической гиперкапнии, но поистине абсурдные значения CO 2 часто сообщаются в литературе без упоминания в связи с крайним удлинением QT или полиморфной остановкой VT.С учетом сказанного, Sarubbi et al (1997) продемонстрировали, что на дисперсию QTc значительно влияет гиперкапния. Это показатель неоднородности реполяризации сердца, что рассматривается как маркер электрической нестабильности желудочков.

    Электролитные и кислотно-основные эффекты гиперкапнии

    Гиперкапния имеет предсказуемые кислотно-щелочные эффекты, которые вызывают предсказуемые компенсаторные изменения в обработке растворенных веществ в почках. Итого:

    • Ацидоз развивается:
      • CO 2 при растворении в кровотоке вызывает ацидоз
      • Это связано с тем, что CO 2 соединяется с водой с образованием угольной кислоты
      • Снижает pH сыворотки
    • Бикарбонат сыворотки увеличивает:
      • Поскольку угольная кислота диссоциирует на H + и HCO 3 -
    • Выведение аммиака и хлоридов почками увеличивается
    • Почечная реабсорбция бикарбоната увеличивается
    • Чистый эффект - перенормировка сывороточного pH

    Другие эффекты гиперкапнии со стороны почек

    В отличие от остальной части системного артериального кровообращения (которая расширяет сосуды с гиперкапнией) тяжелый респираторный ацидоз оказывает на почечные артерии сужение сосудов.Берсентес и др. (1967) продемонстрировали это на модели собаки. По сути, сопротивление сосудов почек удваивалось при увеличении CO2 с 40 до 100 мм рт. Это было связано с некоторым снижением СКФ и диуреза.

    Гиперкапния со стороны печени

    В печени высокий уровень CO 2 в кровотоке воротной вены вызывает повышенное сопротивление воротной вены и снижение кровотока в воротной вене. Гельман и Эрнст (1977) смогли продемонстрировать это на животной модели.Исследователи вливали кровь с высоким содержанием CO 2 и низким pH в перевязанную воротную вену и отметили, что на каждые 0,1 снижения pH сопротивление воротной вены увеличивалось примерно на 20%. Авторы интерпретировали эту реакцию как логический шаг, предпринятый органом, который не хочет перфузировать токсичную кровь, переполняющуюся углекислым газом.

    .

    Исследователи открыли способ отделить молекулы кислорода от углекислого газа

    Шаровидная модель двуокиси углерода. Кредит: Википедия.

    (Phys.org) - Небольшая группа исследователей из Калифорнийского университета нашла способ разбить молекулы углекислого газа и получить атомы углерода и молекулы кислорода вместо окиси углерода и атома кислорода. В своей статье, опубликованной в журнале Science , команда описывает, как они это сделали, и последствия своих открытий.Артур Сьюитс и Дэвид Паркер предлагают перспективную статью в том же номере журнала, в которой более подробно описывается путь минимальной энергии (MEP), где реагенты не всегда проходят по самому легкому пути во время химических реакций, и как это относится к работе, выполняемой этой группой. .

    За прошедшие годы ученые разработали теорию развития жизни на планете Земля, известную как «Великое событие окисления», когда растения развивались и начали поглощать углекислый газ и откачивать кислород.В этой новой работе исследователи полагают, что они нашли способ достичь того же результата, используя небиологический подход. Они использовали самую короткую длину волны ультрафиолетового света, также известного как вакуумный ультрафиолетовый свет (ВУФ), для разрушения молекул углекислого газа.

    ВУФ был предоставлен в виде лазера, который направляет луч на молекулы углекислого газа, чтобы разбить их на части. Другой лазер использовался для ионизации кусочков разорванной молекулы, чтобы их можно было измерить с помощью масс-спектрометра.В результате всего 5 процентов молекул углекислого газа расщепились на молекулы кислорода и атомы углерода (остальное пошло на атомы окиси углерода и кислорода), но этого было более чем достаточно, чтобы показать, что процесс можно использовать для получения молекулярного кислорода из углерода. диоксид - и это может иметь далеко идущие последствия.

    Новая работа Калифорнийского университета в Дэвисе показывает, что углекислый газ может быть расщеплен вакуумным ультрафиолетовым лазером с образованием кислорода за один этап. Открытие может изменить то, как мы думаем об эволюции атмосферы.Предоставлено: Чжоу Лу, ​​Калифорнийский университет в Дэвисе.

    Процесс работает, объясняет команда из-за реакций MEP, и поэтому кажется разумным сделать вывод, что некоторое количество кислорода в атмосфере ранней Земли поступало примерно таким же образом - со всем кислородом в атмосфере сегодня ВУФ не проникает очень сильно. Но когда в атмосфере было гораздо больше углекислого газа, отсюда следует, что некоторые из этих молекул могли расщепиться на атомы углерода и молекулы кислорода. Это также означает, что тот же процесс может происходить на других планетах, а это означает, что ученым, ищущим жизнь на других планетах, придется искать гораздо больше, чем просто кислород в своей атмосфере.

    Еще одно возможное влияние открытий команды связано с исследованием космоса - если бы можно было построить аппарат, который мог бы постоянно выбивать молекулы кислорода из углекислого газа, выдыхаемого астронавтами, им бы не пришлось носить с собой кислородные баллоны или использовать растения для этого. преобразование, что делает весь процесс намного более эффективным.


    Исследование НАСА дает ориентиры для будущего поиска инопланетной жизни
    Дополнительная информация: Доказательства прямого образования молекулярного кислорода при фотодиссоциации CO2, Science 3 октября 2014 г .: Vol.346 нет. 6205 с. 61-64. DOI: 10.1126 / science.1257156

    РЕФЕРАТ
    Долгое время считалось, что фотодиссоциация диоксида углерода (CO2) происходит исключительно с образованием первичных продуктов - оксида углерода (CO) и атома кислорода (O). Однако недавние теоретические расчеты показали, что выходной канал для производства C + O2 также должен быть энергетически доступным. Здесь мы приводим прямые экспериментальные доказательства наличия канала C + O2 в фотодиссоциации CO2 вблизи энергетического порога канала C (3P) + O2 (X3Σg–) с выходом 5 ± 2% с использованием вакуумной ультрафиолетовой лазерной спектроскопии накачки и зонда. Обнаружение изображения карты скоростей продукта C (3PJ) между 101.5 и 107,2 нм. Наши результаты могут иметь значение для небиологического производства кислорода в атмосфере с высоким содержанием CO2.

    Пресс-релиз

    © 2014 Phys.org

    Ссылка : Исследователи открыли способ отделить молекулы кислорода от углекислого газа (3 октября 2014 г.) получено 20 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2014-10-кислород-молекулы-углекислый газ.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    .

    Кэмпбелл Биология 10-е издание Глава 10 Карточки

    Теодор В. Энгельманн осветил нить водорослей светом, который проходит через призму, подвергая различные сегменты водорослей воздействию разные длины волн света. Он добавил аэробные бактерии, а затем отметили, в каких областях скопились бактерии. Он отметил, что самые большие группы были обнаружены в областях, освещенных красным и синим светом.

    Что сделал Энгельманн о скоплении бактерий в красные и синие области?

    A) Бактерии, скопившиеся в этих областях из-за увеличения температура красного и синего света.

    B) Бактерии собирались в этих областях, потому что в этих областях выделяется больше всего кислорода.

    C) Бактерии привлекают красный и синий свет, и поэтому они длины волн более реактивны, чем другие длины волн.

    D) Бактерии, скопившиеся в этих областях из-за увеличения температура, вызванная увеличением фотосинтеза.

    .

    Приготовление и свойства кислорода | Аллотропы кислорода

      • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
      • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
        • BNAT
        • Классы
          • Класс 1–3
          • Класс 4-5
          • Класс 6-10
          • Класс 110003 CBSE
            • Книги NCERT
              • Книги NCERT для класса 5
              • Книги NCERT, класс 6
              • Книги NCERT для класса 7
              • Книги NCERT для класса 8
              • Книги NCERT для класса 9
              • Книги NCERT для класса 10
              • NCERT Книги для класса 11
              • NCERT Книги для класса 12
            • NCERT Exemplar
              • NCERT Exemplar Class 8
              • NCERT Exemplar Class 9
              • NCERT Exemplar Class 10
              • NCERT Exemplar Class 11
              • 9plar
              • RS Aggarwal
                • RS Aggarwal Решения класса 12
                • RS Aggarwal Class 11 Solutions
                • RS Aggarwal Решения класса 10
                • Решения RS Aggarwal класса 9
                • Решения RS Aggarwal класса 8
                • Решения RS Aggarwal класса 7
                • Решения RS Aggarwal класса 6
              • RD Sharma
                • RD Sharma Class 6 Решения
                • RD Sharma Class 7 Решения
                • Решения RD Sharma Class 8
                • Решения RD Sharma Class 9
                • Решения RD Sharma Class 10
                • Решения RD Sharma Class 11
                • Решения RD Sharma Class 12
              • PHYSICS
                • Механика
                • Оптика
                • Термодинамика
                • Электромагнетизм
              • ХИМИЯ
                • Органическая химия
                • Неорганическая химия
                • Периодическая таблица
              • MATHS
                • Статистика
                • 9000 Pro Числа
                • Числа
                • Числа
                • Число чисел Тр Игонометрические функции
                • Взаимосвязи и функции
                • Последовательности и серии
                • Таблицы умножения
                • Детерминанты и матрицы
                • Прибыль и убыток
                • Полиномиальные уравнения
                • Разделение фракций
              • Microology
          • FORMULAS
            • Математические формулы
            • Алгебраные формулы
            • Тригонометрические формулы
            • Геометрические формулы
          • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
            • Математические калькуляторы
            • 0003000
            • 000
            • 000 Калькуляторы по химии
            • 000
            • 000
            • 000 Образцы документов для класса 6
            • Образцы документов CBSE для класса 7
            • Образцы документов CBSE для класса 8
            • Образцы документов CBSE для класса 9
            • Образцы документов CBSE для класса 10
            • Образцы документов CBSE для класса 1 1
            • Образцы документов CBSE для класса 12
          • Вопросники предыдущего года CBSE
            • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
            • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
          • HC Verma Solutions
            • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
            • HC Verma Solutions Класс 12 Физика
          • Решения Лакмира Сингха
            • Решения Лакмира Сингха класса 9
            • Решения Лахмира Сингха класса 10
            • Решения Лакмира Сингха класса 8
          • 9000 Класс
          9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE
        • Примечания CBSE класса 7
        • Примечания
        • Примечания CBSE класса 8
        • Примечания CBSE класса 9
        • Примечания CBSE класса 10
        • Примечания CBSE класса 11
        • Примечания 12 CBSE
      • Примечания к редакции 9000 CBSE 9000 Примечания к редакции класса 9
      • CBSE Примечания к редакции класса 10
      • CBSE Примечания к редакции класса 11
      • Примечания к редакции класса 12 CBSE
    • Дополнительные вопросы CBSE
      • Дополнительные вопросы по математике класса 8 CBSE
      • Дополнительные вопросы по науке 8 класса CBSE
      • Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE
      • Дополнительные вопросы по науке
      • CBSE Вопросы
      • CBSE Class 10 Дополнительные вопросы по математике
      • CBSE Class 10 Science Extra questions
    • CBSE Class
      • Class 3
      • Class 4
      • Class 5
      • Class 6
      • Class 7
      • Class 8 Класс 9
      • Класс 10
      • Класс 11
      • Класс 12
    • Учебные решения
  • Решения NCERT
    • Решения NCERT для класса 11
      • Решения NCERT для класса 11 по физике
      • Решения NCERT для класса 11 Химия
      • Решения NCERT для биологии класса 11
      • Решение NCERT s Для класса 11 по математике
      • NCERT Solutions Class 11 Accountancy
      • NCERT Solutions Class 11 Business Studies
      • NCERT Solutions Class 11 Economics
      • NCERT Solutions Class 11 Statistics
      • NCERT Solutions Class 11 Commerce
    • NCERT Solutions for Class 12
      • Решения NCERT для физики класса 12
      • Решения NCERT для химии класса 12
      • Решения NCERT для биологии класса 12
      • Решения NCERT для математики класса 12
      • Решения NCERT, класс 12, бухгалтерия
      • Решения NCERT, класс 12, бизнес-исследования
      • NCERT Solutions Class 12 Economics
      • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 1
      • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 2
      • NCERT Solutions Class 12 Micro-Economics
      • NCERT Solutions Class 12 Commerce
      • NCERT Solutions Class 12 Macro-Economics
    • NCERT Solut Ионы Для класса 4
      • Решения NCERT для математики класса 4
      • Решения NCERT для класса 4 EVS
    • Решения NCERT для класса 5
      • Решения NCERT для математики класса 5
      • Решения NCERT для класса 5 EVS
    • Решения NCERT для класса 6
      • Решения NCERT для математики класса 6
      • Решения NCERT для науки класса 6
      • Решения NCERT для класса 6 по социальным наукам
      • Решения NCERT для класса 6 Английский язык
    • Решения NCERT для класса 7
      • Решения NCERT для математики класса 7
      • Решения NCERT для науки класса 7
      • Решения NCERT для социальных наук класса 7
      • Решения NCERT для класса 7 Английский язык
    • Решения NCERT для класса 8
      • Решения NCERT для математики класса 8
      • Решения NCERT для науки 8 класса
      • Решения NCERT для социальных наук 8 класса ce
      • Решения NCERT для класса 8 Английский
    • Решения NCERT для класса 9
      • Решения NCERT для класса 9 по социальным наукам
    • Решения NCERT для математики класса 9
      • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 1
      • Решения NCERT для математики класса 9, глава 2
      • Решения NCERT
      • для математики класса 9, глава 3
      • Решения NCERT для математики класса 9, глава 4
      • Решения NCERT для математики класса 9, глава 5
      • Решения NCERT
      • для математики класса 9, глава 6
      • Решения NCERT для математики класса 9, глава 7
      • Решения NCERT
      • для математики класса 9, глава 8
      • Решения NCERT
      • для математики класса 9, глава 9
.

Улавливание ферментативного углекислого газа

В последнее десятилетие улавливание антропного углекислого газа и его хранение или преобразование стали одной из основных задач, которые необходимо решить, чтобы контролировать повышение температуры атмосферы на нашей планете. Одна возможность основывается на использовании ферментов карбоангидразы, которые, как давно известно, ускоряют гидратацию нейтральных водных молекул CO 2 до ионных бикарбонатов. В этой статье кратко излагается принцип, лежащий в основе использования этих ферментов.Приведены их основные характеристики, включая их структуру и кинетику катализа. Следующий специальный раздел посвящен основным типам разрабатываемых реакторов улавливания CO 2 , которые, возможно, будут использовать эти ферменты в промышленных масштабах. Наконец, возможное применение углекислых ангидраз для непосредственного хранения уловленного CO 2 в качестве инертных твердых карбонатов заслуживает обзора, представленного в заключительном разделе.

1. Введение

Одна из основных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается наш мир, касается улавливания антропного углекислого газа, выброшенного в атмосферу в результате деятельности человека.Этот газ считается одним из основных атмосферных компонентов, ответственных за парниковый эффект и повышение температуры земной атмосферы [1, 2] с множеством нежелательных последствий, включая развитие инфекционных заболеваний [3]. Согласно отчету Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) об эволюции климата Земли, датированному 2007 годом, выброс этого газа в атмосферу увеличился на 80% с 1970 по 2004 год, и на его долю пришлось 76,7% « Газы, вызывающие парниковый эффект »в 2004 г. [4].Международное соглашение под названием «Киотский протокол», учрежденное Рамочной конвенцией Организации Объединенных Наций об изменении климата, было первоначально подписано в 1997 году 37 странами с целью сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) [5]. Это соглашение вступило в силу в 2005 году, и число стран, ратифицировавших конвенцию, увеличилось до 191 в 2011 году. Целью было сокращение выбросов CO 2 на величину, зависящую от страны, по сравнению с установленной базой (8% в Европе). , 7% в США) за пятилетний период 2008–2012 гг.

Для этой цели разрабатываются или изучаются несколько методов [6, 7], и за прогрессом следит Международное энергетическое агентство (МЭА) Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) [8]. Общий обзор был также опубликован в главе книги Мурадова [9]. Среди них одна группа технологий предлагает использовать ферменты типа карбоангидразы. Специфичность этих ферментов состоит в том, чтобы катализировать обратимое превращение нейтральных водных молекул CO 2 , обозначенных в данной статье CO 2 (водный), в ионные частицы H + и.Очень немногие обзоры конкретно касались этих ферментных проектов. Насколько нам известно, это недавняя публикация Shekh et al. [10] и библиографию недавнего доктора философии. Диссертация Фавра [11]. Тем не менее, количество опубликованных новых исследовательских статей также значительно увеличилось за тот же промежуток времени, и цель настоящей статьи - представить современный синтез в этой области.

2. Место ферментных технологий среди основных CO 2 Улавливание и хранение (CCS) Методы

Три основных шага рассматриваются для решения проблемы антропного CO 2 : улавливание этого газа из атмосферу, его транспортировку к местам хранения и его хранение в различных формах.Эти 3 этапа часто объединяются под сокращением «CCS», что означает «Улавливание и хранение CO 2 ». Ферменты связаны с первым этапом, то есть улавливанием CO 2 , а также, в некоторой степени, с третьим этапом преобразования захваченного CO 2 в карбонаты для безопасного хранения или, возможно, в более ценные продукты.

Основные методы, разработанные для улавливания CO 2 из промышленных паров, можно разделить на методы «дожигания», «кислородного сжигания» или «предварительного сжигания» [12].Методы ферментативного улавливания можно отнести к первой группе методов, в которой CO 2 удаляется из промышленных паров, образующихся при сжигании углеводородов. В этой группе фактически конкурируют различные методы улавливания и хранения CO 2 , и они были рассмотрены в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) за 2005 год [13]. Они включают очистку амином, мембранное разделение, влажную и сухую карбонизацию минералов, хранение под давлением и адсорбцию на твердых веществах или в жидкостях.

Обычно промышленные пары содержат от 10% до 20% CO 2 , смешанные с азотом в качестве основного компонента, плюс несколько меньший процент паров O 2 и H 2 O и множества других загрязнителей, в частности соединения серы. Наиболее изученные процессы основаны на реакции обратимой карбонизации с аминами. Например, при использовании водного раствора моноэтиламина (MEA) образуется некоторое количество карбамата аммония, частично гидролизованного до карбоната [14].Для извлечения CO 2 из карбамата затем необходимо повысить температуру, чтобы сместить равновесие карбонизации в сторону выделения CO 2 . В ферментных методах амины заменяют водным раствором фермента семейства карбоангидразы. Как упоминалось ранее, последние белки могут катализировать обратимое превращение нейтральных частиц CO 2 (водн.) В ионные при условии, что могут быть выполнены адекватные условия, как подробно описано в настоящей статье.

Для сравнения, в методах «кислородного сжигания» сжигание углеводорода достигается в чистом O 2 или в смеси O 2 , H 2 паров O и CO 2 . Следовательно, пары в основном состоят из паров H 2 O и CO 2 , из которых CO 2 можно просто отделить, если H 2 O конденсируется в жидкое состояние путем охлаждения [13]. Наконец, в методах «предварительного сжигания» используемое топливо сначала преобразуется в смесь CO 2 и H 2 , часто называемую «синтез-газом» [15].

В большинстве случаев рекуперированный CO 2 затем может быть сжат до жидкого CO 2 при умеренном давлении (например, 2 МПа при −20 ° C) для перевозки на кораблях или поездах. Его также можно транспортировать по трубопроводу, обычно при доведении до сверхкритического флюидного состояния (температура> 31 ° C, давление> 7,4 МПа) [15].

Основные методы хранения, которые проходят испытания, заключаются в закачке захваченного CO 2 на большую геологическую глубину, по крайней мере, 800 м, где он, надеюсь, может оставаться как можно дольше [13, 15, 16].Основные геологические объекты, рассматриваемые для такого хранения, включают истощенные нефтяные месторождения, неэксплуатируемые угольные пласты, где CO 2 может вступать в реакцию с углем с образованием некоторого количества метана, и глубокие подземные соляные соли, которые фактически равномерно распределены и присутствуют в большом количестве на Земле, чтобы они могли предлагают объем хранения порядка 10 раз по сравнению с другими геологическими объектами [13, 15–17]. Также рассматривается возможность закачки CO 2 в океан на глубину более 1000 м, где могут образовываться плотные твердые гидраты CO 2 [13].Ряд фундаментальных исследований также касался адсорбции CO 2 твердыми веществами, в основном основными твердыми веществами. Ферменты карбоангидразы относятся к способу хранения CO 2 в виде твердых карбонатов. Такое хранение часто считается менее важным, поскольку для его экономической применимости потребуются обильные и дешевые источники основных катионов (Ca 2+ , Mg 2+ , Na + и т. Д.). Тем не менее, в ряде основных научных публикаций рассматривается использование карбоангидразы для этой цели, и они рассматриваются в последнем разделе этой статьи.

CO 2 можно также использовать в качестве субстрата для синтеза ценных химикатов, как описано Сакакурой и др. [18]. В частности, в сочетании с дегидрогеназой ферменты CA могут быть использованы для преобразования захваченного CO 2 в метанол с помощью полностью ферментативного процесса [19]. Кроме того, развиваются и другие биологические методы, такие как использование морских водорослей для фотокаталитического преобразования CO 2 в биотопливо [20–24]. Однако эти темы выходят за рамки данной статьи.

3. Физическая химия CO 2 Улавливание в водной среде

Общий механизм улавливания CO 2 в водной среде и его отделения от других газов можно разложить на 5 следующих этапах [25] (1) Растворение молекул газа CO 2 в воде на стороне захвата CO 2 , на границе газ / водная среда, в соответствии с равновесием Генри [26–28]. В результате нейтральные водные молекулы CO 2 (водн.) Вводятся в водную пленку в прямом контакте с газом.(2) Обратимое преобразование путем депротонирования нейтральных частиц CO 2 (водн.), Обычно называемое гидратацией, с образованием анионных бикарбонатных частиц в соответствии с химическим равновесием, которое зависит от pH. (3) Транспорт как нейтральных, так и анионных водных CO 2 частиц, от стороны захвата CO 2 к стороне выброса CO 2 , за счет молекулярной диффузии внутри водной среды и / или за счет принудительной циркуляции жидкости. CO 2 (водн.) Единиц, в соответствии с тем же химическим равновесием, что и на этапе 2.(5) Испарение CO 2 (водн.) В газе для высвобождения CO 2 газообразных компонентов на стороне выброса CO 2 в соответствии с тем же равновесием Генри, что и на этапе 1.

Что касается этапов 1 и 5, химическое равновесие Генри может быть записано как

Константа равновесия (1) известна как константа Генри, и она обычно записывается как в (2), известная как закон Генри:

В соответствии с этим законом молярная доля N (CO 2 (водн.)) Разновидностей CO 2 (водн.) В водной пленке, находящейся в равновесии с газовой фазой, с которой она находится в прямом контакте, равна пропорционально парциальному давлению P (CO 2 (г)) в этом газе.Это уравнение равновесия касается как стороны захвата, так и стороны выпуска. После преобразования молярной доли N (CO 2 (водн.)) В молярную концентрацию [CO 2 (водн.)] В воде, (2) может быть преобразовано в

Точная природа этого нейтрального CO 2 (водно) видов является спорным. Принято считать, что они по существу содержат молекулы CO 2 , более или менее слабо сольватированные молекулами H 2 O, с которыми они могут быть связаны флуктуирующими водородными связями [26, 29, 30].Одной из этих нейтральных молекулярных разновидностей является молекула угольной кислоты H 2 CO 3 , которая может быть фактически синтезирована в практически чистом состоянии в особых условиях при точном стехиометрическом молекулярном соотношении N (CO 2 ) / N ( H 2 O) 1 [31]. Однако эти молекулы H 2 CO 3 метастабильны и становятся очень нестабильными в присутствии небольшого избытка воды. Следовательно, они остаются в растворах с очень низким мольным соотношением (<3/1000) в насыщенной воде CO 2 при 25 ° C по сравнению с просто сольватированными частицами CO 2 (водн.) [28, 31–34].

Равновесие Генри является прямым следствием простых молекулярных столкновений на границе раздела между газовой и жидкой фазами, которые не связаны с химическими реакциями. Следовательно, что касается первых слоев жидких молекул воды, находящихся в прямом контакте с газом, неявно считается, что это равновесие устанавливается и поддерживается очень быстро, независимо от дальнейшей диффузии или превращений нейтральных частиц CO 2 (водн.) [30 ]. Следовательно, для заданного парциального давления P (CO 2 (водн.)) Концентрация [CO 2 (вод.

С другой стороны, равновесие с более толстым слоем воды, которое необходимо, например, для экспериментального определения постоянной Генри, происходит намного медленнее. Причина в том, что это требует диффузии как нейтральных, так и анионных частиц CO 2 из водных слоев в прямом контакте с газом по направлению ко всему объему жидкости. К счастью, когда константа Генри CO 2 определяется в чистой воде (без добавления электролита), нейтральные частицы CO 2 (водн.) В значительной степени преобладают над анионными, как обобщается далее.Следовательно, (3) практически касается только нейтральных частиц. Наконец, чтобы способствовать растворению частиц CO 2 (водн.) На стороне захвата, а также высвобождению газа CO 2 на стороне выпуска, поверхность обмена между газовой фазой и водной средой также должна быть максимально высоким. Этот момент очень важен для разработки эффективных «скрубберов» CO 2 .

Растворимость CO 2 в чистой воде при парциальном давлении P (CO 2 (водн.)) В диапазоне от 0.От 1 МПа (1 атм) до 100 МПа был рассмотрен в 2003 г. Даймонд и Акинфиев [26]. Для более низких парциальных давлений P (CO 2 (г)), которые больше соответствуют улавливанию CO 2 из промышленных паров, в 1991 г. Carroll et al. [27] и Crovetto [28]. Например, по словам Кроветто: где постоянная Генри выражается в барах (1 бар = 10 5 Па), а температура - в Кельвинах. Например, для дистиллированной воды, насыщенной CO 2 , при парциальном давлении P (CO 2 (г)) = 0.1 МПа (= 1 бар 1 атм), это уравнение указывает концентрации [CO 2 (водн.)] 33,7 ммоль л −1 при 25 ° C и 76,5 ммоль л −1 при 0 ° C. Таким образом, температура является важным параметром, поскольку концентрация CO 2 (водн.) В воде значительно увеличивается при понижении температуры.

Что касается шагов 2 и 4, первое равновесие депротонирования или так называемая гидратация CO 2 (водн.) Разновидностей с образованием бикарбонат-анионов может быть записана [35]:

.

Обзор растворимости и экспериментальных методов

Растущая озабоченность изменением климата и глобальным потеплением, в свою очередь, привела к появлению активной области исследований, посвященных поиску решений. Особое внимание уделяется снижению выбросов углекислого газа из крупномасштабных источников, то есть энергетики на ископаемом топливе. В этой статье основное внимание уделяется ионным жидкостям, используемым в качестве новой среды для улавливания CO 2 . В частности, данные о растворимости и экспериментальные методы используются в лабораторных условиях.Процитированные данные по абсорбции CO 2 для ионных жидкостей на основе имидазолия, пирролидиния, пиридиния, четвертичного аммония и тетраалкилфосфония, выраженные в мольных долях (X) CO 2 в ионной жидкости. . Используются следующие экспериментальные методы: гравиметрический анализ, метод перепада давления и метод видовой ячейки.

1. Введение

В последние годы все большее внимание уделяется глобальному изменению климата. Более того, экспоненциальный рост выбросов диоксида углерода в атмосферу от сжигания ископаемого топлива, составляющего 86% парниковых газов [1], не отражает модель устойчивой энергетики.Присоединение к Киотскому протоколу привело к необходимости сокращения антропогенных выбросов CO 2 . Таким образом, улавливание и хранение углерода (CCS) оказывается одной из наиболее важных инициатив по смягчению этого эффекта глобального потепления.

CCS - это концепция, основанная на сокращении выбросов CO 2 в атмосферу в результате промышленных процессов, таких как производство аммиака, переработка природного газа или производство цемента, и многие другие. Однако этот обзор будет сосредоточен на выбросах CO 2 от электростанций, работающих на ископаемом топливе, которые, как считается, являются основным фактором, способствующим этому эффекту [2].Было приблизительно установлено, что, если CCS будет полностью реализован, его потенциал к 2050 году может быть общим улавливанием и хранением 236 миллиардов тонн CO 2 [3]. Подход к CCS, который является наиболее многообещающим, - это связывание захваченного диоксида углерода в подходящих глубоких осадочных формациях, например, в нефтяных и истощенных газовых коллекторах, угольных пластах и ​​солончаках [4–7]. Задача состоит в том, чтобы разработать технологию, которая позволит нам решить эту задачу экологически безопасным, экономичным и эффективным способом в ближайшие годы [8–10].Однако необходимость оценки воздействия на окружающую среду велика. Потенциальные риски геологического хранения для людей и экосистем многочисленны и требуют тщательного мониторинга. Утечка секвестрированного CO 2 будет главной проблемой. Это могло произойти вдоль линий разломов, неэффективных ограничивающих слоев, заброшенных скважин и т. Д. Загрязнение грунтовых вод и залежей полезных ископаемых также является проблемой и может иметь летальные последствия для растений и животных. Недавний обзор Manchao et al.[11] предлагает подробную оценку рисков процесса закачки и хранения CO 2 в геологических формациях, уделяя основное внимание заброшенным угольным шахтам и угольным пластам.

Альтернативой геологическому хранению CO 2 может быть прямое преобразование CO 2 в ценный продукт после первоначального улавливания; это иногда называют улавливанием и использованием углерода (CCU). CO 2 используется во многих отраслях промышленности, таких как пищевая промышленность (газирование напитков), электронная промышленность (очистка поверхностей и производство полупроводников) и химическая промышленность (полимеры, пластмассы и удобрения).CCU еще предстоит стать основной технологией, поэтому многие аспекты и методы процессов публикуются и пересматриваются [12, 13].

2. Современное состояние CO 2 Технологии улавливания

Улавливание CO 2 достигается за счет использования специальных материалов, которые в той или иной форме взаимодействуют с газом. Используемые материалы зависят от процессов, в которых кондиционируется дымовой газ (рис. 1) [14].


Есть три процесса, каждый из которых по-разному настраивает CO 2 для захвата.

Дожигание. Отделение CO 2 из дымовых газов после сгорания топлива. В качестве окислителя в этом процессе обычно используется воздух; поэтому дымовой газ в значительной степени разбавляется азотом.

Предварительное сжигание . Углеводородное топливо (в данном случае газифицированный уголь) преобразуется в оксид углерода (CO) и водород (H 2 ). Это образует синтез-газ. При использовании преобразования водяного сдвига CO превращается в CO 2 .Наконец, CO 2 отделяется от H 2 .

Oxyfuel CO 2 Горение. Он использует чистый кислород в качестве окислителя вместо воздуха, создавая дымовой газ, в основном состоящий из высококонцентрированного CO 2 и пара.

Хотя улавливание и разделение CO 2 является хорошо известной технологией, эта технология применяется только в небольшом масштабе, так что в настоящее время она не является коммерчески доступной для использования на больших электростанциях.Самое сложное препятствие, которое необходимо преодолеть в CCS и CCU, - это найти эффективный метод, который учитывает экологические и экономические факторы. Некоторые из изучаемых в настоящее время методов улавливания CO 2 из трех процессов кондиционирования следующие (рис. 1).

Поглощение происходит в объеме материала за счет химического или физического взаимодействия. Химические абсорбенты реагируют с CO 2 , образуя ковалентные связи между молекулами. Растворитель можно обычно регенерировать путем нагревания, при этом выделяется захваченный CO 2 .Этот механизм также можно сделать высокоселективным путем введения определенных химических комплексов. Типичными соединениями, используемыми в этом процессе, являются амины или растворы на основе аммиака. Физические абсорбенты подчиняются закону Генри, согласно которому растворимость газа прямо пропорциональна парциальному давлению указанного газа в равновесии при постоянной температуре. Обычно это происходит при высоких парциальных давлениях CO 2 и низких температурах. Взаимодействие между CO 2 и растворителем осуществляется нехимическими поверхностными силами, то есть взаимодействием Ван-дер-Ваальса.Регенерация растворителя достигается за счет увеличения температуры и снижения давления в системе [15]. Selexol и Rectisol являются примерами физических абсорбентов, которые использовались при очистке природного газа от серы и синтез-газа.

Адсорбция , в отличие от абсорбции, происходит на поверхности материала. Это взаимодействие также может происходить химически (ковалентная связь) или физически (Ван-дер-Ваальс). Типичные адсорберы - это твердые материалы с большой площадью поверхности, такие как цеолиты, активированный уголь, оксиды металлов, силикагель и ионообменные смолы.Их можно использовать для улавливания CO 2 путем разделения, так что дымовой газ вступает в контакт со слоем этих адсорберов, позволяя улавливать CO 2 из других газов, которые проходят через них. Когда слой полностью насыщен CO 2 , дымовой газ направляется в чистый слой, а насыщенный слой регенерируется [16]. В механизме адсорбции можно использовать три метода: адсорбция с переменным давлением (PSA) вводит дымовой газ под высоким давлением до тех пор, пока концентрация CO 2 не достигнет равновесия, затем давление понижается для регенерации адсорбента, адсорбция с колебанием температуры (TSA) увеличивает температуру для регенерации адсорбента, а адсорбция с электрическим колебанием (ESA) - это когда через сорбент пропускают электрический ток низкого напряжения для регенерации.Адсорбция еще не считается практичной для крупномасштабных применений, поскольку селективность CO 2 в существующих сорбентах низкая. Однако в последнее время исследуются новые сорбенты, такие как металлоорганические каркасы и функционализированные волокнистые матрицы, которые показывают некоторые перспективы на будущее этой конкретной техники.

Технология разделения мембран основана на взаимодействии определенных газов с материалом мембраны посредством физического или химического взаимодействия. Изменяя материал, можно контролировать скорость прохождения газов.Для разделения газов существует широкий спектр мембран, включая полимерные мембраны, цеолиты и пористые неорганические мембраны, некоторые из которых используются в промышленных масштабах и могут быть внедрены в процесс улавливания CO 2 . Однако достижение высоких степеней разделения CO 2 за одну стадию до сих пор оказалось трудным; поэтому необходимость полагаться на несколько этапов привела к увеличению энергопотребления и стоимости. Альтернативный подход заключается в использовании пористых мембран в качестве платформ для абсорбции и удаления.Здесь жидкость (обычно водные растворы амина) обеспечивает селективность по отношению к газам. Когда дымовой газ проходит через мембрану, жидкость выделяет и улавливает CO 2 [17].

Криогенная сепарация - это метод, основанный на охлаждении и конденсации. Это дает возможность прямого производства жидкого CO 2 , улучшая возможности транспортировки. Хотя основным недостатком криогенной технологии в этом отношении является большое количество энергии, требуемой для охлаждения процесса, это особенно заметно в потоках газа с низкой концентрацией [18].Этот метод больше подходит для газов с высокой концентрацией и под высоким давлением, таких как кислородное сжигание и предварительное сжигание.

В рамках этих методов лежат материалы, с помощью которых направления исследований направлены на разработку более эффективных механизмов улавливания CO 2 . В настоящее время дожигание является наиболее исследуемой областью сокращения выбросов CO 2 электростанциями. В основном это связано с тем, что в отличие от двух других процессов, его можно модернизировать для существующих систем сгорания без значительных изменений.Дымовой газ, выделяемый в результате дожигания ископаемого топлива на электростанциях, имеет общее давление 1-2 бара с концентрацией CO 2 примерно 15%. Поскольку этот процесс создает низкую концентрацию CO 2 и парциальные давления, для улавливания CO 2 необходимо использовать сильные растворители, что приводит к большому расходу энергии для регенерации растворителя для дальнейшего использования. Это создает техническую проблему поиска эффективного, рентабельного и энергозатратного механизма захвата с использованием новых материалов.

2.1. Водные амины, используемые при дожигании

Традиционные технологии, используемые в этом процессе дожигания, представляют собой химические поглотители на основе растворителей. Обычными химическими растворителями, используемыми для разделения, являются водные амины, которые являются производными аммиака, в которых один или несколько атомов водорода заменены алкильными группами. Некоторые распространенные амины, используемые в этом процессе: (Таблица 1) моноэтаноламин (MEA) [19], метилдиэтаноламин (MDEA) [20] и диэтаноламин (DEA) [21]. Водные амины называются «обычными поглотителями», потому что это хорошо известные растворители, используемые в нефтяной и газовой промышленности, начиная с 1930-х годов; Например, Грегори и Шарманн исследовали применение скрубберов на основе амина CO 2 на установке гидрогенизации Standard Oil Company в Луизиане в 1937 году.Сегодня технология водной абсорбции аминов все еще используется для очистки природного газа от серы (удаление кислых газов, например, сероводорода и диоксида углерода), а также применяется на некоторых небольших электростанциях, работающих на ископаемом топливе [22, 23], например , Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN), электростанция Alstom и т. Д.

+ +

Амин сокращенного Структура

моноэтаноламин МЭС

Метилдиэтаноламин МДЭА

Диэтаноламин DEA

Пиперазин PIPA
Как показано на рисунке 2, CO 2 удаляется путем циркуляции потока дымовых газов в камеру, содержащую водный раствор амина.В случае первичных аминов, таких как MEA, CO 2 улавливается в процессе химической абсорбции, в котором CO 2 реагирует с амином в форме карбамата [24]. Со вторичными и третичными аминами, которые не имеют атома водорода, присоединенного к атому азота, они реагируют с CO 2 в форме бикарбоната посредством гидролиза. Это обратимая реакция, и при высоких температурах уловленный CO 2 выделяется, а раствор амина рециркулируют.Пиперазин (PIPA) обычно используется для улучшения кинетики реакции вторичных и третичных аминов в виде добавки; это связано с тем, что теплота реакции с образованием бикарбоната низкая, что вызывает необходимость в большем количестве тепла для регенерации и, следовательно, более высоких затрат [25].


Амины настолько эффективны для улавливания CO 2 благодаря некоторым их свойствам, таким как высокая реакционная способность по отношению к CO 2 , высокая поглощающая способность (с точки зрения массы CO 2 ), относительно высокая термическая стабильность и селективность CO 2 [26].Однако существуют неотъемлемые недостатки, связанные с аминами, которые необходимо устранить, чтобы сделать действительный и эффективный способ улавливания CO 2 . К этим недостаткам относятся высокое давление пара, коррозионная природа и большие затраты энергии на регенерацию. Высокое давление пара позволяет выделять аминовые газы в воздух при нагревании. Эти газы нестабильны по своей природе, что дает им возможность производить опасные токсины, такие как нитрозамины, нитрамины и амиды.Нитрозамины вызывают наибольшую озабоченность, поскольку они канцерогены и токсичны для человека даже в низких концентрациях [27]. Амины также вызывают коррозию, особенно МЭА. Они принимают участие в реакциях, в которых образуются отходы, и в конечном итоге могут вызвать коррозию оборудования, Kittel et al. [28] исследовали влияние пилотных установок MEA и обнаружили, что участки, сделанные из углеродистой стали, имели скорость коррозии 1 мм в год -1 ; поэтому, помимо воздействия на окружающую среду, еще одной проблемой являются расходы в крупных промышленных масштабах. Процесс рециркуляции / регенерации приводит к высокому расходу энергии, чтобы разорвать химические связи, образованные между CO 2 и амином [29].Этот процесс также вызывает разложение амина, что ограничивает его скорость захвата CO 2 , вызывая частую замену.

Было проведено много исследований по разработке новых растворителей с предвидением, что они превзойдут амины. Факторами, которые позволили бы новым растворителям работать лучше, чем амины, являются более низкая стоимость, более низкая летучесть, лучшая термическая стабильность, меньшее разложение, низкая коррозионная природа и низкая энергия, необходимая для регенерации и адаптируемости к существующей системе.Хотя амины обладают высокой растворимостью и селективностью CO 2 , при выборе критериев для наиболее подходящего механизма улавливания CO 2 учитываются экологические и экономические последствия. Хотя ожидается продолжение исследований по улучшению характеристик этих зрелых технологий, исследования новых материалов и технологий могут привести к значительным прорывам, необходимым для минимизации экологических и энергетических потерь при улавливании.

2.2. Ионная жидкая среда для CO 2 Capture

Одним из таких передовых направлений исследований и разработок, которые в настоящее время открывают большой потенциал в области альтернативных технологий, являются ионные жидкости (ИЖ).ИЖ обычно определяют как материалы, которые состоят из крупных органических катионов и органических / неорганических анионов, температура плавления которых ниже 100 ° C [30]. На сегодняшний день синтезирован широкий спектр ИЖ с помощью различных комбинаций анионов и катионов. Было заявлено, что теоретическое количество потенциальных ИЖ составляет порядка 10 18 [31]. Пример некоторых общих катионов и анионов, используемых в синтезе ИЖ, можно увидеть в Таблице 2 .

ИЖ обладают несколькими уникальными и разнообразными характеристиками, такими как высокая термическая и химическая стабильность, низкое давление пара, большое электрохимическое окно, настраиваемый / дизайнерский характер и отличные свойства растворителя для ряда полярных и неполярных соединений.Именно благодаря этим характеристикам исследования по разработке и внедрению ИЖ за последнее десятилетие охватили многие отрасли промышленности [32], такие как электролиты [33], солнечные элементы [34], смазочные материалы [35], электрополировка и гальваника [36] и обработка биомассы [37], и это лишь некоторые из них. Это стало возможным благодаря большому количеству ИЖ, которые можно синтезировать в лаборатории [38–40] и приобрести на коммерческой основе. Такие компании, как BASF, Merck, Sigma-Aldrich, Solvionic, Sachem и IoLitec, предоставляют базовые IL, а также могут помочь в проектировании и разработке IL для конкретных задач.Таким образом, эти соединения создали новые интересные среды для новых технологических приложений, уже имеющихся в продаже.

2.3. Ионные жидкости в области применения CO 2 Capture

Вышеупомянутые характеристики особенно полезны при применении ИЖ в качестве растворителей для улавливания CO 2 по сравнению с современной технологией водного амина: захваченный CO 2 [41] из-за их физического механизма абсорбции, (ii) дополнительная эффективность достигается за счет низкого давления пара, что позволяет регенерировать и повторно использовать их без заметных потерь в поток газа [42, 43] , (iii) ИЖ обладают высокой термической и химической стабильностью; обычно они разлагаются при температурах> 300 ° C [44], избегая их реакции с примесями и вызывая коррозию оборудования; (iv) настраиваемый и конструктивный характер ИЖ предлагает множество вариантов, касающихся физико-химических свойств (вязкости и плотности [45–47] , теплоемкость [48], температуры термического разложения [49], поверхностное натяжение [50], токсичность и проблемы со здоровьем [51, 52] и коррозия [53, 54]) в том смысле, что анионы и катионы можно манипулировать так, чтобы создать IL для конкретной задачи.

Этот дизайнерский аспект также может быть применен к аниону или катиону в том смысле, что могут быть присоединены различные химические функциональные группы и структуры, что позволяет контролировать такие свойства, как абсорбция и вязкость. Их обычно называют ионными жидкостями для конкретных задач (TSIL). Как правило, ИЖ удовлетворяют многим основным требованиям, изложенным в принципах зеленой химии, изложенных Анастасом и Уорнером [55], поскольку они предлагают новый подход к промышленным / химическим процессам, посредством которого предпринимаются шаги по устранению опасных отходов в системе до того, как - образуется продукт, что позволяет пренебречь использованием летучих органических растворителей.

Большая часть разработок, касающихся ИЖ для улавливания CO 2 , в настоящее время ведется в лабораторных масштабах, в то время как другие технологические приложения уже используются, как упоминалось ранее. И наоборот, их промышленное применение и внедрение постоянно исследуются в областях дожигания [56]. Для интеграции в промышленном масштабе необходимо получить обширные знания об их физических и химических свойствах. Поэтому потребность в экспериментальных методах и данных имеет решающее значение для того, чтобы ионная жидкость могла стать экологически чистым, жизнеспособным и экономичным методом улавливания углерода будущего.

Растворимость CO 2 в ИЖ по сравнению с другими газами, такими как метан и азот, позволяет ИЖ отделять СО 2 от источника, будь то дымовой газ электростанции или природный газ. Даже при низких концентрациях CO 2 в смешанном газе IL может быть сконструирован так, чтобы включать функциональную группу, такую ​​как амин, тем самым делая его специфичным для конкретной задачи. Способность к растворимости CO 2 в ИЖ возникает из-за асимметричной комбинации аниона и катиона, которая возникает из-за короткодействующих сил отталкивания между их ионными оболочками.Следовательно, чем более несовместимы ионные компоненты, тем выше их растворимость.

2.4. Обычные ионные жидкости

За последнее десятилетие и в настоящее время исследования были основаны на измерении влияния переменных, таких как давление, температура и выбор анионов / катионов. Результаты показали высокую растворимость диоксида углерода в том, что стало известно как обычные ионные жидкости. Они определяются как ИЖ, не имеющие присоединенной функциональной группы, и многие сообщают, что они отражают типичное поведение физических растворителей [57-59].Это становится очевидным, когда CO 2 (1-2 бара) низкого давления вводится в контакт с IL, что приводит к низким концентрациям CO 2 в жидкой фазе. По мере увеличения давления, обычно до 100 бар, концентрация поглощенного CO 2 увеличивается. Таким образом отображаются общие характеристики физического поглотителя. Как правило, растворимость CO 2 в ИЖ увеличивается с увеличением давления и уменьшается с увеличением температуры. Механизм физического поглощения является результатом взаимодействия между молекулами CO 2 и ИЖ, в котором CO 2 занимает «свободное пространство» внутри структуры ИЖ за счет большого квадрупольного момента и сил Ван-дер-Ваальса.

2.4.1. Влияние анионов и катионов

Чтобы создать оптимальный процесс улавливания CO 2 в ИЖ, необходимо изучить оценку основных строительных блоков, то есть комбинаций катионов / анионов. Синтез ИЖ, которые включают CO 2 -фильные группы на анионе, такие как карбонилы или фтор, доказал, что увеличивает захват CO 2 [60]. Исследования последнего десятилетия показали, что происхождение высокой растворимости сильно зависит от выбора аниона [61].Aki et al. [62] исследовали влияние аниона с семью ИЖ. Все они содержали катион 1-бутил-3-метилимидазолия [Bmim]. Результаты показаны в Таблице 3.

DC DC

9Fluor159 Tetraflup 9902 9Fluor154 высокий N

Анион Номенклатура Классификация Растворимость CO 2 в IL

9015A в IL
- Нефторированные анионы Низкий
Нитрат NO 3 -

Гексафторфосфат PF 6 -
Трифторметансульфонат TfO -
TfO N N N-метилбис (трифтор) (трифторметилсульфонил) мет скрыть метид -

Аки и его сотрудники также систематически исследовали влияние катиона на растворимость CO 2 ; они обнаружили, что в целом увеличение алкильной цепи на катионе приводит к небольшому увеличению растворимости, которое становится более очевидным при более высоких давлениях.Эффект увеличения алкильной цепи приводит к увеличению объема, доступного для взаимодействия CO 2 . Muldoon et al. [60] пришли к выводу, что добавление частично фторированных алкильных цепей к катиону имидазолия действительно увеличивает растворимость CO 2 . Они сравнили [hmim] [Tf 2 N] непосредственно с [C 6 H 4 F 9 mim] [Tf 2 N] и обнаружили, что эта повышенная растворимость была связана с фторированием последних четырех атомов углерода. алкильной цепи. Исследования растворимости IL CO 2 в целом были сосредоточены на структурах на основе имидазолия.Однако некоторые группы сосредоточились на использовании разных катионов. Недавно Carvalho et al. [63] сообщили о растворимости CO 2 в двух ИЖ на основе фосфония, [THTDP] [Tf 2 N] и [THTDP] [Cl]. Они обнаружили исключительно высокие измерения растворимости, превышающие таковые для существующих ИЖ на основе имидазолия; они приходят к выводу, что их исследование показывает наивысшую зарегистрированную растворимость, наблюдаемую без химических взаимодействий в процессе абсорбции. Хотя имидазолий является наиболее стабильным и коммерчески доступным катионом выбора, очевидно, что существуют дальнейшие улучшения и возможности, которые могут быть разработаны на основе других оснований.

Чтобы обеспечить более глубокое понимание взаимодействий между CO 2 и составляющими анионами и катионами RTIL, были проведены исследования с использованием спектроскопических подходов и молекулярного моделирования. Из которых расширилось наше понимание механизмов поглощения и взаимосвязей структура-свойство, Kazarian et al. [64] использовали ATR-FTIR-спектроскопию для анализа специфических взаимодействий CO 2 и IL [Bmim] [BF 4 ] и [Bmim] [PF 6 ]. Они увидели доказательства химического взаимодействия между анионом [PF 6 ] - и CO 2 .Они пришли к выводу, что наблюдали слабые кислотно-основные взаимодействия Льюиса, где анион действует как основание Льюиса. ИЖ по своей природе обладают собственными кислотно-основными свойствами. Эти свойства могут быть усилены добавлением кислотных функций, таких как угольная или галогенидная кислоты; аналогичным образом могут быть добавлены основные функции, такие как амино- и фторгруппы. Было показано, что это создает специфические кислотно-основные химические взаимодействия Льюиса между CO 2 и IL.

Как видно из таблиц 4 и 5, фторирование аниона и в некоторых случаях катиона может улучшить растворимость CO 2 в RTIL.Однако связанные с этим недостатки - увеличение стоимости, плохая разлагаемость и негативное воздействие на окружающую среду [65]. Поэтому пути получения ИЖ с повышенной растворимостью CO 2 без фторирования также исследуются.

9014 Гексафторфосфат N-октил-3-метилимидазолия

Ионная жидкость Акроним (K) (бар) χ CO 2 C 8 mimPF 6 313 92.67 0,7550 Blanchard et al. 2001 [86]

Нитрат 1-N-бутил-3-нетилимидазолия BmimNO 3
.

Смотрите также

© 2020 nya-shka.ru Дорогие читатели уважайте наш труд, не воруйте контент. Ведь мы стараемся для вас!