Парниковые газы: утилизация с использованием биотехнологических установок

Москва
ИНФРА-М
2023

ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ 

УТИЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.35(075.4)
ББК 38.761.204.4
 
К86

Ксенофонтов Б.С.

К86 
 
Парниковые газы: утилизация с использованием биотехноло-

гических установок : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2023. — 225 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1915812.

ISBN 978-5-16-018177-6 (print)
ISBN 978-5-16-111179-6 (online)

В монографии показаны возможности использования биотехнологий 

и сооружений очистки сточных вод для улавливания и утилизации угле-
кислого газа и метана. Проанализированы варианты применения физико-
химических, в том числе флотационных, технологий очистки сточных вод 
для улавливания и утилизации углекислого газа и метана, а также процес-
сы выращивания микроводорослей, для которых углекислый газ является 
субстратом. Приводятся примеры использования утилизации углекислого 
газа при выращивании микроводорослей и метана в различных направле-
ниях его применения, в том числе для получения биомассы метанокисляю -
щих бактерий, а также примеры аппаратурного оформления процессов 
улавливания и утилизации углекислого газа и метана, например с исполь-
зованием специального оборудования.

Предназначена для научных сотрудников, преподавателей вузов, аспи-

рантов, магистрантов, бакалавров, студентов старших курсов и всех, кто 
интересуется проблемами охраны окружающей среды.

УДК 628.35(075.4)

ББК 38.761.204.4

Р е ц е н з е н т :

Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Рос-

сийского университета дружбы народов

ISBN 978-5-16-018177-6 (print)
ISBN 978-5-16-111179-6 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2023

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

В последние десятилетия проблема загрязнения окру-
жающей среды выбросами парниковых газов все активнее об-
суждается в современном научном обществе. В связи c этим 
в РФ проводятся исследования в области как мониторинга 
парниковых газов, так и их улавливания и утилизации. Следует 
отметить, что с ростом численности населения происходит уве-
личение потребления воды и, как следствие, повышение коли-
чества образующихся сточных вод, которые только частично 
очищаются. Указанные проблемы улавливания и утилизации 
углекислого газа и очистки сточных вод, по мнению автора, 
можно решить одновременно путем использования специ-
альных биотехнологий очистки сточных вод с применением 
как группы физико-химических, так и биологических спо-
собов. Данный подход автора впервые предлагается в мировой 
практике утилизации углекислого газа и метана, являющихся 
основными парниковыми газами. В широком варианте такого 
подхода необходимо использование специальных биотехноло-
гических установок, а в более узком — локальных сооружений 
очистки сточных вод предприятий с относительно небольшой 
модернизацией.
Для решения этих проблем актуальным является прове-
дение исследований и последующая разработка способов, на-
правленных на создание комплексных физико-химических 
и биологических технологий обезвреживания сточных вод 
с применением микроводорослей, например Chlorella vulgaris 
(С. vulgaris), и, соответственно, с использованием углекислого 
газа в качестве источника углерода. На первой стадии необ-
ходимо уловить углекислый газ с использованием физико-хи-
мических способов, в том числе флотации, с его последующей 
утилизацией, например путем культивирования микроводоро-
слей. Утилизация метана возможна как культивированием ме-

Ксенофонтов Б.С.

танокисляющих бактерий, так и применением его в качестве 
источника получения электричества и тепловой энергии.
Развиваемый оригинальный подход утилизации углекислого 
газа с использованием сочетания флотации и культивирования 
микроводорослей, а также комплексного использования 
метана впервые рассматривается в мировой и отечественной 
литературе [1–115], и автор надеется на его дальнейшее развитие.

Глава 1
ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ 
ВОД ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ 
УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И АППАРАТУРНОЕ 
ОФОРМЛЕНИЕ

1.1. ПРОЦЕССЫ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ 
УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Известно, что решение проблем глобального потепления 
отчасти связано с увеличением в атмосфере парниковых газов, 
в том числе углекислого газа и метана. Известны различные 
способы и устройства очистки газовых выбросов от газообразных 
загрязнений, в том числе от углекислого газа. Одним 
из вариантов является способ очистки газовых выбросов 
по принципу сорбции — десорбции углекислого газа в воде [1].
В простейшем варианте такой способ включает абсорбер, 
работающий при повышенном давлении, и десорбер, в котором 
вследствие снижения давления из воды выделяется 
углекислый газ. Для рекуперации энергии может иногда использоваться 
турбина, позволяющая использовать часть 
энергии за счет снижения давления жидкости и последующего 
расширения абсорбированного газа.
К основным преимуществам такой водной очистки 
по принципу абсорбции — десорбции относятся: простота способа 
и конструкции установки; отсутствие теплообменников 
и кипятильников; отсутствие расхода тепла; дешевизна растворителя; 
отсутствие паров дорогого или токсичного растворителя, 
переходящего в газовую фазу.
Основными недостатками процесса водной очистки 
по принципу сорбции — десорбции являются: невысокая сте-

Ксенофонтов Б.С.

пень очистки; большие потери газа при высоком давлении 
вследствие значительного повышения его растворимости; 
низкая поглотительная емкость воды по углекислому газу.
Известен способ [2], суть которого состоит в том, что 
очистку газов от углекислого газа проводят путем сорбции 
углекислого газа поглотителем с последующей десорбцией 
под пониженным давлением и при нагревании, причем в ка-
честве поглотителя применяется сульфон.
Существенным недостатком известного способа является 
невысокая степень очистки газовых выбросов от углекислого 
газа, а также дороговизна поглотителя. Задачей в этом случае 
является разработка нового способа, обеспечивающего увели-
чение эффективности очистки газовых выбросов от углекис-
лого газа и снижение затрат на поглотитель.
Поставленная задача и указанный технический результат 
достигаются тем, что предложен способ очистки газов 
от углекислого газа [3] путем сорбции поглотителем с после-
дующей десорбцией под пониженным давлением при нагре-
вании, причем отличительной особенностью является то, что 
на стадии промывки в качестве поглотителя используется 
водный щелочной раствор с рН 7–9, а на стадии десорбции 
кислый водный раствор с рН 1–5, причем изменение рН с ще-
лочного до кислого значения происходит в течение 1–5 минут 
при воздействии на водный раствор магнитного поля с напря-
женностью в пределах от 500 до 5000 эрстед и градиентом маг-
нитного поля от 10 до 200 эрстед/м.
Предлагаемый автором способ очистки газовых выбросов 
от углекислого газа [3] осуществляется путем сорбции по-
глотителем с повышенным давлением с последующей десорб-
цией под пониженным давлением и при нагревании, причем 
на стадии сорбции давление процесса составляет в пределах 
0,3–2,9 МПа, а в качестве поглотителя используется водный 
щелочной раствор с рН 7–9, а на стадии десорбции — кислый 
водный раствор с рН 1–5, причем изменение рН с щелочного 
до кислого значения происходит в течение 1–3 минут при 

Парниковые газы: утилизация с использованием биотехнологических установок

воздействии магнитного поля напряженностью в пределах 
от 300 до 5000 эрстед с градиентом поля от 10 до 200 эрстед/м. 
При этом на стадии сорбции используется режим с повы-
шенным давлением 0,3–2,9 МПа и пониженными температу-
рами до 1–100°С, а на стадии десорбции пределы давления со-
ставляют 0,01–0,1 МПа, а температуры 20–900°С.
Реализация предлагаемого способа осуществляется путем 
пропускания газовых выбросов при повышенном давлении 
0,3–2,9 МПа через слой водного щелочного раствора, име-
ющего рН 7–9 и температуру 1–100°С, а затем в течение
1–3 минут рН понижают до значений 1–5 в зоне действия 
магнитного поля с напряженностью поля 300–5000 эрстед 
с градиентом поля в пределах от 10 до 200 эрстед/м. Исполь-
зование магнитного поля с указанными параметрами, как 
показали наши исследования, позволяет при изменении рН 
практически за доли минуты привести состояние водного рас-
твора до равновесного, который может далее эффективно ис-
пользоваться на стадиях сорбции-десорбции.
При этом сорбцию проводят в режиме с повышенным 
давлением 0,3–2,9 МПа и пониженными температурами 
до 1–100°С, а десорбцию углекислого газа из кислого вод-
ного раствора с рН 1–5 проводят при пониженном давлении 
в пределах 0,01–0,1 МПа и повышенной температуре 20–90°С. 
Выбранные параметры режимов абсорбции и десорбции были 
обоснованы при проведении экспериментальных исследо-
ваний. При значениях параметров, выходящих за пределы 
заявленных интервалов, степень очистки заметно падала, 
и в связи с этим необходимо было повторно проводить техно-
логическую операцию очистки газовых выбросов, а, следова-
тельно, повышать эксплуатационные затраты.
Растворенный в воде углекислый газ можно использовать 
для производства различных продуктов, в том числе гази-
ровки, сухого льда и др. На риc. 1.1 схематично показано, что 
в процессе производства основная продукция (П1) с основной 
стадии 2 поступает на финишную стадию комплектования 3 

Ксенофонтов Б.С.

и далее направляется заказчику, образующиеся отходы после 
предварительной обработки на стадии 1 направляются на ис-
пользование в качестве сырья на стадию 5, где получается про-
дукция П2. При этом образующиеся отходы (О) подвергаются 
обработке на стадии 4 и направляются на утилизацию.

Риc. 1.1. Схема производства с попутным получением продукции 
из углекислого газа

Другой вариант улавливания и использования углекислого 
газа может быть реализован с использованием технологий 
очистки воды. Ранее нами был разработан и реализован в на-
чале 90-х гг. прошлого столетия способ напорной флотации 
с двумя рабочими жидкостями, одна из которых представляла 
собой насыщенный раствор углекислого газа [4].
Интенсифицировать процесс напорной флотацией можно 
с помощью реагентной обработки. Используются коагулянты, 
флокулянты, ПАВ. Это позволяет увеличивать размеры агре-
гатов, повышать их гидрофобность. К недостаткам реагентной 
обработки нужно отнести увеличение количества пены, ко-
торое влечет за собой сложности обезвоживания и утили-
зации осадков.

Парниковые газы: утилизация с использованием биотехнологических установок

Эту проблему частично можно решить конструкционными 
способами, например установкой после блока тонкослой-
ного отстаивания или фильтра. Можно провести вторичное 
насыщение флотируемой среды газовыми пузырьками боль-
шего размера. Часто насыщение проводят барботированием. 
Но при таком способе кроме коалесценции пузырьков проис-
ходит разрушение флотоагрегатов в связи с созданием высо-
кого скоростного градиента большим пузырьком.
Наибольшей эффективности в коалесценции при напорной 
флотации удалось добиться при условиях, когда малый 
и большой пузырьки образуются непосредственно в жидкой 
фазе. Эти условия возможны, например, при использовании 
двух и нескольких рабочих жидкостей с газами разной раство-
римости.
Эта идея впервые была высказана Б.С. Ксенофонтовым 
в 1989 г. и подробно исследована в ряде его работ, особенно 
в монографии [5], а в широком аспекте возможного приме-
нения защищена патентом [6].
Согласно данным Б.С. Ксенофонтова при введении одной 
рабочей жидкости, насыщенной воздухом, образуется пузырек 
размером 0,01–0,05 мм в среднем. Скорость подъема таких 
флотоагрегатов 0,13–0,26 мм/с. При добавлении второй ра-
бочей жидкости, насыщенной углекислым газом, образуется 
комплекс: агрегат — пузырек воздуха (труднорастворимый 
газ) — пузырек углекислого газа (легкорастворимый газ). 
И пузырек углекислого газа коалесцирует через пузырек воз-
духа.
При таком способе флотации переход флотируемых частиц 
загрязнений в пену происходит в 2–2,5 раза быстрее. Таким 
образом, габариты флотационных аппаратов уменьшаются 
в 1,8 раза. Также происходит уплотнение пенного слоя, что 
подробным образом рассмотрено в работе. Процесс напорной 
флотации можно интенсифицировать путем введения второй 
рабочей жидкости [4]. Введение второго рабочего раствора — 
раствора легкорастворимого газа — приводит к повторению 

Ксенофонтов Б.С.

процесса образования второй фазы — газообразной. Для об-
разования пузырька легкорастворимого газа также необхо-
димо затратить энергию, причем большую, чем при выде-
лении пузырька воздуха, из-за хорошей растворимости газа, 
поэтому для выделения второго газа также требуются центры 
зарождения. Поскольку мгновенно из раствора выделился 
труднорастворимый газ — воздух, его пузырьки и являются 
центрами зарождения новой газообразной фазы — легкора-
створимого газа. Выделение из раствора легкорастворимого 
газа идет медленнее, чем воздуха, и, следовательно, занимает 
большее время, но при этом увеличение газовых пузырьков 
происходит плавно и прочность их не нарушается. В итоге 
образуется флотокомплекс, представляющий собой частицу 
загрязнения, в объеме и на поверхности которой расположены 
газовые пузырьки с размерами примерно 2–3 мм.
Флотационное извлечение хлопьев активного ила можно 
описать, используя многостадийную модель Ксенофонтова. 
Процесс флотационного извлечения имеет три состояния: 
A, B, C.
Состояние А — находящиеся в объеме жидкости хлопья 
активного ила и пузырьки не связаны и не контактируют. 
На первой стадии происходит контакт хлопка с пузырьком 
газа. В процессе слипания образуется флотокомплекс 
«хлопок — пузырек» (состояние В), который всплывает 
за счет архимедовых сил. Всплывшие в верхнюю часть жид-
кости флотокомплексы образуют пенный слой (состояние С). 
При этом возможны переходы не только из состояния А в со-
стояние В и далее в состояние С, но и обратные переходы, соот-
ветственно из состояния С в состояние В и далее в состояние 
А. При таком подходе к изучению флотационного извлечения 
и разделению всего процесса на три состояния, в общем, весь 
процесс можно описать следующей системой уравнений: