Вугілля як джерело енергії

1. I. Енергія і транспорт I.1. Джерела енергії Вугілля як джерело енергії У США вугілля замінило деревину як основного джерела енергії до початку 1890-х рр. Перша електростанція на вугільному паливі була побудована 1882 р. У ній водяна пара подавалася у генератор, який виробляв електрику. У 1884 р. Чарльз Парсона розробив ефективні-шу високошвидкісну парову турбіну. На початку 1920-х рр. на елект-ростанціях почали використовувати вугільний пил, що підвищило ефективність горіння і знизило витрати повітря. Розроблена 1940 р. піч циклонного типу дозволила застосувати менш якісне вугілля, во-на також давала менше золи. Нещодавно хіміки-технологи розроби-ли процес спалювання незбагаченого дрібного антрациту, який ут-ворюється у вигляді відходу при добуванні вугілля. Це дозволило виробляти енергію з меншим впливом на навколишнє середовище. Чарльз Парсон Парова турбіна Парсона (1907) Розвідка нафтових родовищ і добування нафти У 1901 р. було відкрито багате нафтове родовище Спіндлтон у Техасі. У ті самі роки почало розвиватися автомобілебудування. У результаті нафта стала грати все важливішу роль як джерело енергії, і до 1951 року вона зайняла перше місце, витіснивши вугілля, що домінувало до того. Безперервно вдосконалюва-лися хімічна технологія переробки сирої нафти і вилучення з неї окремих фракцій. Спочатку нафту просто дистилювали за зни-женим тиском. Нарешті були розроблені методи термічного кре-кінгу з використанням каталізаторів. Особливо важливою була роль хімії в розробці методів добування нафти. Були створені алмазні бурові головки, бурові розчини, методи вилучення на-фти зі сланців із застосуванням хімічних реагентів і водяної пари. Для повторного вилучення нафти зі свердловин у них за-качували під великим тиском газ (карбон діоксид) або водяні розчини. Ядерна енергія Перший ядерний реактор було сконструйовано у військових цілях 1942 року. Застосування ядерної енергії в мирних цілях, у тому числі для виробництва електроенергії, почалося 1951 р., коли президент США Д.Ейзенхауер оголосив програму «Атоми для миру». Від того часу хімія грала в цій програмі ключову роль. За допомогою хімічних методів виробляються радіо-активні матеріали, що є паливом у ядерних реакторах: вигото-вляються регулювальні стрижні для реакторів, що обмежують потік нейтронів з матеріалу, що ділиться; здійснюється вида-лення і переробка радіоактивних відходів; вживаються заходи щодо захисту навколишнього середовища; зводиться до міні-муму шкідлива дія радіоактивного випромінювання на організм людини. Альтернативні джерела енергії Екологічно чисті методи виробництва енергії – вітряні уста-новки, гідроелектростанції, геотермальні станції дають менше одного відсотка електроенергії, що виробляється всіма елект-ростанціями світу. Але альтернативні джерела грають все важливішу роль з погляду їх економічності і доступності. І тут хімія бере найактивнішу участь у розробці сучасних технологій і матеріалів: сонячних панелей, що виробляють тепло і елек-трику; легких пропелерів для вітрогенераторів з вуглеволокна; поліпшених сортів бетону і міцних металевих турбін для гідро-електростанцій; корозійностійких матеріалів для геотермальних станцій.

2. I. Енергія і транспорт I.2. Збереження електроенергії і портативні джерела живлення Одноразові елементи У кінці XVIII століття Алесандро Вольта винайшов джерело постій-ного електричного струму. Наступне вдосконалення гальванічних елементів було неможливе без участі хіміків. У 1890 р. було вдоско-налено елемент Лекланше з рідким електролітом і створена вугіль-но-цинкова суха батарея. Такі батарейки випускалися промисловіс-тю у величезних кількостіх для кишенькових ліхтариків, ще й досі вони знаходять застосування. У 1949 р. була розроблена лужна активна маса, яка дозволила збільшити термін служби гальванічних елементів. Такі лужні «батарейки» швидко знайшли застосування як джерела живлення для різних портативних електронних приладів, у тому числі транзисторних радіоприймачів і фотоапаратів. Згодом були розроблені ще досконаліші оксидоарґентумові, меркурооксидні і літієві гальванічні елементи. Вугільно-цинкова суха батарея Перезаряджувані батареї Акумулятори У 1859 р. було виготовлено перший промисловий свин-цево-кислотний перезаряджуваний акумулятор. У ньому електрика вироблялася за допомогою контрольованої хімічної реакції. Цей акумулятор був вдосконалений 1881 р. і потім його характериктики безперервно поліп-шувалися. Зараз у легкових і вантажних автомобілях ви-користовуються майже виключно свинцеві акумулятори з сірчаною кислотою. Розроблені 1899 р. нікель-кадмієві акумулятори виявилися надто дорогими, щоб конкурува-ти зі свинцевими. Сучасні розробки сконцентровані на літієвих акумуляторах. Спроби застосування таких аку-муляторів у 1980-х рр. не увінчалися успіхом, але зараз вони використовуються скрізь, особливо в мобільних телефонах і ноутбуках.

3. I. Енергія і транспорт I.3. Матеріали для будівництва доріг і мостів Бетон У 1950-х рр. у США була розгорнута велика федеральна програма будівництва доріг і мостів. Для її здійснення цілком необхідно було мати міцний бетон, розрахований на тривалу експлуатацію. Порт-ланд-цемент уперше з’явився 1824 р. У суміші з водою він повіль-но затвердіває внаслідок перебігу складної хімічної реакції, в ході якої цементна паста заповнює порожнини між різними твердими частинками, що зміцнюють суміш. У 1877 р. француз Жозеф Моньє запатентував залізобетон. Міцність бетону і тривалість його служ-би залежать від ретельного витримування технології у процесі ви-робництва цементу. Введення різних хімічних сполук у бетонну су-міш дозволяє зменшити усадку при затвердіванні бетону і підвищи-ти його корозійну стійкість. Асфальт Широке застосування при будівництві доріг знаходить асфальт. Він не-дорогий і має гарні експлуатаційні властивості. Поклади природного асфальту були виявлені ще 1595 року, але тільки 1902 року його почали змішувати з кам’яновугільною смолою і застосовувати цю суміш для дорожніх покриттів. Невдовзі природний асфальт у дорожньому будів-ництві був замінений бітумом – твердим або напіврідким залишком при переробці нафти. Нещодавно до бітуму почали додавати синтетичні полімери; це дозволило поліпшити якість покриття і збільшити термін його служби. Останнє догягнення у цій галузі – так званий «суперпейв» (англійською Superpave – скорочення Superior Performing Asphalt Pavements, тобто асфальтове покриття з найкращими характеристика-ми). Такий «суперасфальт» витримує великі навантаження і несприят-ливі погодні умови. Метали і сплави Основний конструкційний матеріал при спорудженні мостів – сталь. Цьому сприяє порівняно невелика вага сталевих виробів, їхня міцність, тривалий термін експлуа-тації, простота будівництва і технічного обслуговування, низька ціна збирання, стійкість у випадку природних ката-строф, наприклад, землетрусів. У 1990-х роках почали застосовувати нові сорти високоякісної сталі з підвище-ною міцністю і стійкістю до корозії. Для захисту від корозії сталевих конструкцій мостів використовується також їх металізація. За цією технологією на чисту сталеву повер-хню напиляють тонкий шар алюмінію або цинку, які утво-рюють захисне покриття, що працює впродовж 30 років. Технології для технічного обслуговування і ремонту Уся дорожня інфраструктура повинна підтримуватися у гарному стані довгий час за будь-якої погоди. Інновації в галузі матеріалів і обслугову-вання дозволяють збільшити інтервали між ремонтом дорожнього покрит-тя. Для цього використовуються спеціальні герметики для бетону, асфа-льту і сталевих конструкцій. Інші речовини, у тому числі полімерні, слугу-ють як зв’язувальні добавки, що поліпшують експлуатаційні характеристи-ки асфальтового покриття доріг. Наприклад, до асфальту додається копо-лімер стирену і бутадієну, в якому чергуються блоки полістирену і полібу-тадієну. Така добавка зменшує розтріскування асфальту і утворення в ньому колін від колес проїжджаючих автомобілів.

4. I. Енергія і транспорт I.4. Паливо – продукт нафтопереробки Одержання бензину з сирої нафти Одне з важливих завдань нафтохімічної промисловості – збільшен-ня кількості бензину, одержаного з сирої нафти. Колись інженери-нафтовики просто нагрівали важкі нафтові фракції. При цьому ве-ликі молекули вуглеводнів, що містяться в них, розщеплялися на менші за розміром, які й повинні бути в бензині. Це процес, уведе-ний в експлуатацію 1913 р., називається термічним крекінгом. Але за високих температур утворюються також небажані продукти. З 1928 р. почали використовувати вакуумну дистиляцію, що йде за нижчих температур. У 1936 р. Юджин Гудрі розробив процес, в якому для крекінгу замість високих температур застосовують інерт-ний каталізатор (каталітичний крекінг). Уведений 1937 р. у промис-лових масштабах, цей процес швидко викликав справжню револю-цію у виробництві бензину. Нафто-переробний завод Присадки до палива Перші автомобільні двигуни «стукали», тобто працювали з детонацією, що було пов’язано з низькою якістю бензину. З 1921 р. до бензину по-чали додавати тетраетилплюмбум. Двигуни одразу стали працювати краще і тихіше. До 1926 року була введена в практику оцінка якості палива за октановим числом, що характеризує можливості стискання бензиново-повітряної суміші в циліндрі. Однак отруйність етильованого бензину призвела до його заборони в 70-х рр. Зараз до бензину дода-ють невеликі кількості різних реагентів – спиртів і етерів для підвищен-ня октанового числа, антиокиснювальні присадки для підвищення ефективності двигуна, детергенти для зниження тертя та зносу і збіль-шення терміну експлуатації двигуна. У ряді географічних регіонів за-стосовуються спеціальні сезонні добавки, такі як метанол, що запобігає замерзання палива в магістралях при сильному морозі. Каталітичні конвертери У 1975 р. на автомобілях почали встановлювати двосту-пеневі каталітичні конвертери, що снижують вміст у ви-хлопі карбон монооксиду (чадного газу) і вуглеводнів, що не згоріли. Невдовзі конвертери стали триступеневими, вони видаляють з вихлопу також нітроген оксиди. У ката-літичних конвертерах відбуваються послідовні хімічні ре-акції на поверхні металевого каталізатора, зазвичай, пла-тини. При цьому нітроген оксиди перетворюються на га-зоподібні азот і кисень, карбон монооксид – на карбон ді-оксид (вуглекислий газ), а залишки вуглеводнів, що не згоріли, окиснюються до води і вуглекислого газу. Триступеневий каталітичний конвертер

5. I. Енергія і транспорт I.5. Автомобілі Зручні, комфортні і безпечні матеріали з поліпшеними властивостями Автомобіль ХХІ століття дуже мало схожий на своїх перших попередників і за своєю конструкцією, і за комфортом, що він надає водію і пасажирам, і за своєю безпекою. Дуже яскраві газорозрядні лампи в сучасних фарах дають максимальну освітленість дороги в нічний час. Застосування сучасних ма-теріалів і покриттів значно знизило шкоду від корозії. В охо-лодному двигуні реагенти циркулюють у замкнених контурах. У 1914 р. в автомобілях з’явилися небиткі безосколкові сте-кла. Зараз стекла автомобілів покривають спеціальними по-лімерами, що дозволяють зменшити вагу стекол, знизити зовнішні шуми, захистити очі від сліпучого світла вночі і уль-трафіолетових променів удень. З 1960-х рр. обов’язковими стали ремені безпеки, армовані полімерними волокнами, а з 1996 р. – подушки безпеки. Пластмасові деталі Досягнення хімії дозволили замінити багато з металевих виро-бів в автомобілі на пластмасові і тим самим знизити його вагу; з тією самою метою постійно розробляються нові матеріали з високими експлуатаційними показниками. Після Другої світо-вої війнивиробники автомобілів при виготовленні жорстких елементів конструкції почали застосовувати синтетичні полі-мери – продукти нафтохімічної промисловості внаслідок їх міцності, твердості, стійкості до атмосферного впливу. Після енергетичної кризи 1970-х рр. почалися пошуки легших мате-ріалів, які б могли замінити метал, знизити вагу автомобіля і таким чином зменшити витрати палива. Змінився і дизайн ав-томобіля: з’явилися кузова складної форми, виготовлені мето-дом лиття під тиском, бампери з термопластиків, що не вицві-тають на світлі і стійкі до ультрафіолету поліпропіленові воло-кна, а також спеціальні барвники, покриття і клейкі матеріали. Поліпропіленові волокна Технологія виробництва шин На початку ХІХ ст. з’явилися вироби з природного каучука. Але вони були непрактичними: на спеці розм’якшувалися, а в холодну погоду ставали ламкими. У 1839 р. американсь-кий винахідник Чарльз Гуд’їр розробив процес вулканізації природного каучука. В ході цього процесу сірка зв’язує один з одним ненасичені молекули каучуку. Цей процес у своїй основі використовується досі, при цьому у вихідну суміш уводять спеціальні прискорювачі вулканізації і стабілізатори ґуми. До 1945 р. було налагоджено промислове виробниц-тво синтетичного каучуку. Оскільки шин було треба все біль-ше і більше, безперервно велися роботи з їх вдосконален-ня. Так, перші литі шини були замінені ґумовою камерою. До складу шини для підвищення міцності вводять кордну тканину з натуральних або синтетичних волокон. Для зменшення зносу ґуми до неї додають спеціальні напов-нювачі. Нарешті, в останні роки з’явилися безкамерні шини.

6. I. Енергія і транспорт I.6. Авіація і повітроплавання Теплові повітряні кулі – монгольф’єри У 1783 р. людина вперше піднялася у повітря на повітря-ній кулі, що була наповнена гарячим повітрям, нагрітим відкритим полум’ям. Від того часу повітряні кулі змінили-ся до невпізнання. Спочатку гаряче повітря замінили на водень, і кулею стало легше керувати. Зараз польоти на теплових аеростатах стали популярним видом спорту; тільки в США ним захоплюються понад п’ять тисяч чоло-вік. Хіміки для таких куль створили недорогу довговічну і теплостійку найлонову тканину. Повітря в такій кулі нагрі-вається пальником, газ в який подається з балона зі зрід-женим пропаном. Гелій для повітроплавання Хоча дирижаблі мають жорстку конструкцію, наповнення їх горю-чим воднем завжди створює погрозу безпеці, як показав «Гінден-бург», що згорів 1937 р. У 1905 р. два хіміки виявили природний гелій, що вилучався з газової свердловини в Канзасі. Вміст цього рідкісного елементу в газовій суміші несподівано виявився дуже високим. Упродовж Першої світової війни методами хімічної тех-нології із суміші було виділено велику кількість гелію, який транс-портували в місця його зберігання. Під час Другої світової війни наповнені гелієм дирижаблі успішно супроводжували війська і морські транспорти поблизу підводних човнів. У 1950-х рр. гелій стали застосовувати при монтажі ракет для створення інертної атмосфери в зоні зварювання, а також як газ-витиснювач для переміщення палива в ракетний двигун. Катастрофа «Гінденбурга» Ракетне паливо Починаючи з перших запусків ракет у 1920-х рр., проникнення людини в космос – чудовий приклад досягнень інженерної думки. Далі сталися запуски супутників зв’язку в 1950-х і польоти косміч-них кораблів багаторазового використання – «космічних човни-ків». Для успішного польоту в космос необхідні ракети з потужною реактивною тягою, здатною подолати земну гравітацію. Перша ракета, запущена 1926 р., працювала на рідкому паливі – бензині, а окисником був рідкий кисень. Далі були випробувані різні типи рідкого і твердого палива і різні окисники. Для «Шаттла» паливом є рідкий водень, а двигуни, що виводять його на орбіту, працюють на твердому паливі – алюмінії, змішаному з окисником – перхло-ратом амонію. Конструкційні матеріали для авіації і ракет Перші літальні апарати були з дерева і тканини. Тепер для їх вигото-влення використовують надзвичайно складні конструкційні матеріа-ли. Вони створюються завдяки хімічній технології. Хіміки-технологи розробили для авіації міцні і легкі сплави на основі алюмінію і титану, що стійкі до корозії і можуть працювати за високих температур. Особ-ливі вимоги до конструкційних матеріалів виникають при виготовлен-ні ракет, що літають за екстремальних умов. Один з прикладів такого матеріалу – спеціальні керамічні плитки, що ними в 1980-і рр. були облицьовані найвідповідальніші місця обшивки «Шаттла». Ці плитки захищають космічний корабель від високих температур при його вхо-дженні в щільні шари атмосфери. Спочатку для виготовлення таких плиток був використаний екзотичний цирконієвий композит, але потім облицювальні плитки почали робити з кварцового волокна, вихідним матеріалом для якого є звичайний пісок.