ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Соединения глеводородов с кислородом

Рассмотрим последовательные стадии окисления углеводородов метанового ряда. Выберем в качестве примера пропан — простейшее соединение, в котором не все атомы углерода находятся в конце цепочки, как у метана и этана.

Первая стадия окисления состоит в замещении водородного атома функци­ональной группой ОН (гидроксилом). В результате образуется спирт. Если атом углерода, к которому присоединилась гидроксильная группа ОН находится на конце цепочки, получается 1-спирт (1-пропанол в данном случае); если этот атом углерода находится в середине цепочки, имеем 2-спирт (2-пропанол).

У углеводородов сразу несколько атомов водорода могут быть заменены гид­роксильной группой. Так, если в молекуле пропана гидроксильными группами ОН замещены три атома водорода, получаем пропантриол, более известный как глицерин — один из наиболее важных спиртов в биохимии.

Следующая стадия окисления заключается в потере двух атомов водорода: один отрывается из гидроксильной группы ОН, а другой — от атома углерода, к которому была присоединена группа ОН. Если этот углеродный атом находился на конце углеводородной цепочки, образуется функциональная группа 0=С-Н, что является характерным признаком альдегидов. Если же указанный атом уг­лерода находится в середине цепочки, образуется кетон.

Третья стадия окисления состоит в замещении атома водорода в группе 0=С-Н на ОН, в результате чего образуется карбоксильная группа 0=С-0-Н, которая

есть характерный элемент карбоновой кислоты. Следует отметить, что кислоты образуются только из альдегидов, а не из кетонов.

Конечная стадия окисления — как кислот, так и кетонов — это образование углекислого газа и воды. Описанная последовательность стадий окисления по­казана на рис. Н.1.

н н н

I I I

Н- С - С - С - н

I I I

н н н

Углеводород

Б Б Б

і і і

Б - С - С - С - Б

і і і

БОБ

і

Б

2-спирт

Б Б

Б - С - С - С - Н і н і БОБ

Кетон

Углекислый

газ

Рис. 11.1. Последовательность стадий окисления углеводородов метанового ряда

11.2.1.2. Сложные эфиры

Вспомним, что основными компонентами биомассы, которые можно ис­пользовать в энергетических целях, являются масла и углеводы. Рассмотрим эти вещества более подробно.

Масла, которые являются эфирами, получаются путем соединения кислот (преимущественно карбоновых) и спиртов с образованием воды. Большинство эфиров являются парафинами, за исключением эфиров глицерина, которые представляют собой масла или жиры.

Самый простой эфир получается путем соединения метанола и муравьиной кислоты (рис. 11.2).

Общая формула сложных эфиров: RacCOORal, где Rac — кислотная грппа. Ral — спиртовая группа.

Сложные эфиры содержатся во многих фруктах, цветах и ощущаются в аро­мате вина. Так, например, груши, бананы пахнут соответствующим образом
только потому, что в них присутствуют этил бутират, пентил ацетат и метил салицилат.

Пальмовое масло, которое потенциально может использоваться как топливо, есть результат соединения глицерина и пальмовой кислоты, которая получается

из С16Н34.

11.2.1.3. Углрвпды

Углеводы являются самым распространенным компонентом, содержащимся в биомассе. Они представляют собой сахара или сконденсированные полимеры простейших сахаров.

Конденсированный полимер получается путем соединения мономеров с выде­лением воды, которая образовалась из отделившегося от одного мономера атома водорода и отделившейся от другого мономера гидроксильной группы. Процесс соединения мономеров происходит по тому же принципу, что и образование сложных эфиров (см. рис. 11.2). Обратный процесс — реакция деполимеризации, в которой участвует молекула воды, — называется гидролизом.

Простые сахара, известные как моносахариды, являются соединением угле­рода, водорода и кислорода. Они содержат от трех до восьми атомов углерода. Сахар с пятью атомами углерода называется пентозой, с шестью атомами угле­рода — гексозой и. т. д.

Моно - и дисахариды могут участвовать в реакции ферментации (брожения), т. е. они могут быть биологически преобразованы в этанол. Если растение со­держит в себе свободные сахара, как, например, сахарный тростник, то его сок может быть ферментирован напрямую, без дополнительных реакций. В общем случае углеводы перед ферментацией должны быть превращены в простейшие сахара (гидролизованы).

Гидролиз углеводов может происходить под действием кислот или энзимов (фер­ментов). При использовании недорогих кислот, например серной, выход продуктов гидролиза получается невысоким. Дорогие ферменты добавляются для повышения выхода продуктов. Реакции гидролиза являются довольно энергоемкими.

Использование микроорганизмов позволяет проводить ферментацию в один этап без предварительного процесса гидролиза.

Гексоза имеет эмпирическую формулу (СН20)6. Существует 16 разновидно­стей гексозы, которые удовлетворяют этой формуле. Для того чтобы отличить одну форму от другой, нужно знать их внутреннюю структуру. Гексоза может существовать в виде линейной цепочки или обладать циклической структурой: последняя более распространена и является единственной, которая может су­ществовать в водных растворах. Для упрощения в последующем будем исполь­зовать линейные формулы.

Простейший вариант компоновки атомов, образующих гексозу:

н н н н н н

I I I I I I

-с-с-с-с-с-с-

I I I I I I

0 о о о о о

1 I I I I I

н н н н н н

Приведенная выше структура удовлетворяет эмпирической формуле, но на концах имеет две свободные валентные связи. Для устранения этих вакансий пе­ренесем один атом водорода с левого конца на свободное место в правом конце При этом освободившуюся валентную связь кислорода объединим со свободной валентной связью левого конца. Теперь структура становится завершенной. По­лученная структура называется глюкозой:

н н н н н н

I I I I I I

с-с-с-с-с-с-н

II I I I I I

о о о о о о

I I I I I

н н н н н

Заметим, что глюкоза содержит в своем составе альдегидную группу 0=С Г Другая известная разновидность гексозы, фруктоза, является кетоном, посколь. двойная связь кислорода с углеродом находится внутри соединения:

Б Н Б Б Н

I I I I I

Б - С - С - С-С-С-С - Н

I II I I I I

0 О О О О О

1 і і і I

Б Б Н Б Н

Сахароза представляет собой димер двух предыдущих сахаров. Она o6paj. ется путем соединения молекулы глюкозы и фруктозы, при этом выделяет. ■ молекула воды.

Известно несколько способов использования биомассы в каче­стве топлива:

1. Сжигание биомассы. Древесина, отходы сельскохозяйственного производ­ства (шелуха пшеницы и риса, стволы кукурузы) и другие биологические отходы могут сжигаться в обыкновенной топке. Теплота сгорания макси­мально высушенной биомассы находится в интервале 15-19 МДж/кг.

2. Получение из древесины древесного угля, имеющего лучшие энергетиче­ские характеристики по сравнению с исходным продуктом.

3. Газификация древесины с получением горючих газов.

4. Получение из древесины метанола.

5. Использование пальмового масла в качестве топлива для дизельных дви­гателей.

6. Использование сока некоторых растений, очень богатых углеводами, так же как и пальмового масла, напрямую в дизельных двигателях.

7. Ферментация сахаров и крахмала с получением биоэтанола.

8. Получение из биомассы богатого метаном биогаза.

Энергетическое использование биомассы имеет одно неоспоримое преимуще­ство по сравнению с использованием ископаемого топлива: при сжигании биомассы не увеличивается общее количество С02 в атмосфере. Этот факт объясняется тем, что при сжигании биомассы выделяется ровно такое же количество диокида углерода, какое растения поглотили из атмосферы и пре­образовали в кислород и органические соединения. Поэтому общий баланс диоксида углерода в атмосфере не нарушается. Установлено, что увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет характеристики пропуск­ной способности атмосферы, что вызывает парниковый эффект, который приводит к увеличению средней температуры на поверхности земли. Повы­шение температуры может привести к таянию полярных льдов, что вызовет затопление многих прибрежных зон и даже изменение океанских течений, таких как Гольфстрим.

В настоящее время в связи со все нарастающим использованием иско­паемого топлива концентрация углекислого газа в атмосфере растет в уг­рожающей прогрессии. Так, ежедневное потребление бензина только в США на сегодняшний день достигло 7,3 млн баррелей, что соответству­ет 1,2- 109л, или 0,7 • 109кг в день. Такое потребление бензина приводит к выбросу 610 ООО т диоксида углерода в день, или 220 млн т в год. Это со­ответствует грузоподъемности 5000 крупнейших морских танкеров. Ежегод­ное потребление автотранспортом бензина эквивалентно энергии, получаю­щейся при сжигании 35 млн крупных деревьев. И все это относится только к использованию бензина. Если рассматривать использование в энергетике всеу продуктов нефтяной промышленности, то эти цифры вырастут в 3-4 раза. При этом мы не учитывали выбросы, связанные с использованием природного газа и угля (заметим, что в США 56 % энергии вырабатывается на угольных элект­ростанциях). Таким образом, использование органических топлив приводит к сильнейшему загрязнению атмосферы выбросами диоксида углерода.

По мнению некоторых ученых, когда жизнь на Земле только зарождалась, её атмосфера состояла преимущественно из азота и диоксида углерода. Ранние формы жизни были полностью анаэробными (более точно — аноксигеннымп). В частности, к таким формам относятся первые анаэробные бактерии, которым для обеспечения жизнедеятельности кислород в принципе не нужен. С течением времени эти бактерии «научились» разлагать воду, в которой они жили, на водоро"1 и кислород, используя солнечное излучение. Свободный водород затем использо­вался как источник энергии для химических процессов синтеза углеводов, белков. ДНК и РНК. Единственной проблемой в этом процессе являлось то, что в резуль­тате диссоциации воды помимо ионов водорода образовывался весьма активный газ — кислород, в котором как бактерии, так и их далекие потомки — современные растения — наименее заинтересованы. Кислород, таким образом, поступал в атмос­феру в качестве загрязнителя, в то время как углекислый газ удалялся из нее, накап­ливаясь в растениях и в дальнейшем превращаясь в ископаемое топливо, которое мы используем в настоящее время. Со временем большая часть С02 была удалена из атмосферы и захоронена в горных породах. Биота адаптировалась к изменившимся условиям, не только «научившись» жить в условиях кислородной атмосферы, но и выиграв от этого: в кислородной среде возникли животные.

В настоящее время мы настойчиво сжигаем ископаемое топливо в решитель­ной попытке восстановить первобытную аноксигенную атмосферу. При этом мы используем углеводородные запасы, накопленные в течение миллионов лет, во много раз быстрее, чем они естественным образом восполняются.

Как уже было сказано выше, когда мы сжигаем биомассу, выделяется только такое количество углекислого газа, которое было аккумулировано в ней за время роста этих растений. Таким образом, это никак не влияет на обший углекислот­ный баланс атмосферы, создававшийся в течение более чем 600 млн лет. Еше одно преимущество топлива из биомассы — низкое содержание в нем серы, что смягчает проблему кислотных осадков.