Система удаления углекислого газа

Система удаления углекислого газа (также известная как система очистки воздуха от CO₂, система скруббирования углекислого газа) — это совокупность технических устройств и процессов, предназначенных для извлечения диоксида углерода (CO₂) из газовых смесей, преимущественно из воздуха или технологических газов. Применяется в замкнутых системах жизнеобеспечения (космические аппараты, подводные лодки, убежища), в промышленности для очистки выбросов и в технологиях улавливания и хранения углерода (CCS).

История

Первые системы удаления углекислого газа были разработаны в середине XX века для обеспечения дыхания в герметичных объектах. В 1950-х годах в США и СССР начали использовать химические поглотители на основе гидроксида лития (LiOH) в космических кораблях и подводных лодках. В 1960-х годах, с развитием пилотируемой космонавтики, были созданы регенеративные системы, позволяющие восстанавливать поглотитель. В 1970-х годах в промышленности появились аминовые скрубберы для очистки дымовых газов электростанций. С 2000-х годов, в связи с проблемой глобального потепления, активно развиваются технологии прямого улавливания CO₂ из атмосферы (DAC).

Классификация

Системы удаления углекислого газа классифицируются по принципу действия, области применения и способу регенерации.

По принципу действия

• Химическая абсорбция — поглощение CO₂ химическими реагентами с образованием соединений (например, карбонатов или бикарбонатов).
• Физическая адсорбция — улавливание CO₂ на поверхности твёрдых сорбентов (цеолиты, активированный уголь, металлоорганические каркасы).
• Мембранное разделение — селективное пропускание CO₂ через полимерные или керамические мембраны.
• Криогенное разделение — охлаждение газовой смеси до температуры конденсации CO₂ (−78,5 °C) с последующей дистилляцией.

По способу регенерации

• Нерегенеративные — одноразовые поглотители (например, патроны с гидроксидом лития), которые после насыщения заменяются.
• Регенеративные — сорбенты, которые восстанавливаются при нагреве, снижении давления или продувке (например, аминовые растворы, цеолиты).

По области применения

• Системы жизнеобеспечения — для космических станций, подводных лодок, бункеров.
• Промышленные скрубберы — для очистки дымовых газов ТЭС, цементных заводов, нефтехимических производств.
• Системы прямого улавливания из воздуха (DAC) — для снижения концентрации CO₂ в атмосфере.

Устройство и принцип работы

Химические поглотители (на примере гидроксида лития)

Гидроксид лития (LiOH) реагирует с CO₂ с образованием карбоната лития и воды: 2 LiOH + CO₂ → Li₂CO₃ + H₂O Система состоит из сменного патрона с гранулами LiOH, вентилятора для прокачки воздуха и фильтра для улавливания пыли. Недостаток — нерегенеративность, ограниченный ресурс (1 кг LiOH поглощает около 0,9 кг CO₂).

Аминовые скрубберы

В промышленности используются водные растворы моноэтаноламина (MEA) или других аминов. Газ пропускается через абсорбер с раствором, где CO₂ связывается химически. Затем насыщенный раствор поступает в десорбер, где нагревается до 100–120 °C, выделяя чистый CO₂, который может быть сжат и захоронен. Регенерированный раствор возвращается в цикл. Эффективность улавливания достигает 90–95%.

Адсорбционные системы с цеолитами

Цеолиты (алюмосиликаты с пористой структурой) селективно адсорбируют CO₂ при комнатной температуре. Регенерация осуществляется путём нагрева до 150–200 °C или снижения давления (метод температурно-вакуумной десорбции). Используются в космических аппаратах (например, система CDRA на МКС) и в установках DAC.

Применение

Космическая техника

На Международной космической станции (МКС) используются системы удаления CO₂ на основе цеолитов (система CDRA — Carbon Dioxide Removal Assembly) и регенеративных аминовых сорбентов (система 4BCO2). Они поддерживают концентрацию CO₂ в воздухе на уровне не более 0,4% (4000 ppm). В российском сегменте МКС применяется система «Воздух» с цеолитовыми адсорберами.

Подводные лодки

На дизель-электрических и атомных подводных лодках используются системы с химическими поглотителями (LiOH) или регенеративными установками на основе аминов. В российских подводных лодках применяются системы «Электрон» и «Квант», обеспечивающие очистку воздуха в замкнутом объёме.

Промышленность

На тепловых электростанциях, цементных и металлургических заводах устанавливаются аминовые скрубберы для улавливания CO₂ из дымовых газов. Уловленный CO₂ может использоваться в пищевой промышленности (газирование напитков), в производстве сухого льда или закачиваться в геологические формации для постоянного хранения (технология CCS).

Прямое улавливание из атмосферы (DAC)

Технологии DAC, разрабатываемые компаниями Climeworks (Швейцария), Carbon Engineering (Канада) и Global Thermostat (США), используют крупные вентиляторные установки с твёрдыми сорбентами или аминовыми растворами. В 2023 году крупнейшая установка DAC в мире (Orca, Исландия) улавливала около 4000 тонн CO₂ в год с последующим закачиванием в базальтовые породы для минерализации.

Критика и ограничения

Основные недостатки систем удаления углекислого газа:

• Высокая энергоёмкость — регенерация сорбентов требует значительных затрат тепла или электроэнергии (для аминовых скрубберов — до 3–4 ГДж на тонну CO₂).
• Ограниченный ресурс — химические поглотители (LiOH) не регенерируются, что требует частой замены.
• Экологические риски — утечки аминовых растворов могут вызывать загрязнение окружающей среды, а захоронение CO₂ требует мониторинга геологических структур.
• Экономическая неэффективность — стоимость улавливания CO₂ из атмосферы составляет от 100 до 600 долларов за тонну, что делает технологию малорентабельной без государственных субсидий.

Перспективы развития

В 2020-х годах ведутся разработки более эффективных сорбентов (металлоорганические каркасы, модифицированные цеолиты), а также гибридных систем, сочетающих мембранное разделение с химической абсорбцией. В России в рамках национального проекта «Экология» рассматривается внедрение CCS на крупных промышленных предприятиях, однако до 2024 года промышленные установки DAC не были развёрнуты. В космической отрасли разрабатываются системы с использованием ионных жидкостей и электрохимических методов для снижения энергопотребления.

Источники

• NASA. «Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA)». International Space Station Technical Manual, 2019.
• IPCC. «Carbon Dioxide Capture and Storage». Special Report, 2005.
• Роскосмос. «Системы обеспечения жизнедеятельности космических аппаратов». Сборник статей, 2021.
• Climeworks AG. «Direct Air Capture: Technology Overview». Annual Report, 2023.
• ГОСТ Р 57163-2016. «Системы очистки воздуха от диоксида углерода. Общие технические требования».