TÜ plasmafüüsikud arendavad tehnoloogiat, mis aitab õhku puhastada ({{contentCtrl.commentsTotal}})

Kütuste põlemisel tekivad lämmastikoksiidid NOx
Kütuste põlemisel tekivad lämmastikoksiidid NOx Autor/allikas: Indrek Jõgi

Ehkki päikese- ja tuuleenergeetika tähtsus üha kasvab, sõltume endiselt kütuste põletamisest nii transpordisektoris kui ka elektri ja sooja tootmisel. Kütuste põletamisega kaasnev peamine keskkonnaprobleem on seotud tekkivate heitgaasidega ja selle lahendamisel saab aidata plasmatehnoloogia, kirjutab Tartu Ülikooli plasmatehnoloogia vanemteadur Indrek Jõgi.

Peale pidevalt meedia tähelepanu all oleva süsihappegaasi, mis on tähtsaim kasvuhoonegaas, leidub heitgaasides teisigi ebameeldivaid ühendeid, mille seas on kaalukal kohal lämmastikoksiidid. Atmosfääri jõudes moodustavad need ühendid lämmastikhappe, mis sajab alla happevihmana või tekitab sudu.

Kui inimene hingab lämmastikoksiide sisse suuremas koguses, võib see tekitada hingamisteede haigusi. Lisanduvad kahjud keskkonnale hapestumise ja eutrofeerumise [toitainetega rikastumise –toim] kujul. Tervisele ja keskkonnale tekitatud kahjule on arvutatud ka hind, mis on Euroopa Liidus 40–135 miljardit eurot aastas.

Lämmastikoksiidide ohtlikkuse tõttu on nende emissioonidele seatud piirangud, mille rangus sõltub heitgaaside allikast.

Lämmastikoksiidide koguste piiramiseks heitgaasis saab kasutada mitmesuguseid strateegiaid. Laias laastus on võimalik mängida põlemisrežiimiga või koguda tekkivad lämmastikoksiidid enne korstnast väljumist kokku ja seejärel eemaldada.

Selliste ühendite eemaldamiseks on hulk võimalusi, näiteks lagundamine lämmastikuks ja veeauruks (redutseerimine) või neutraliseerimine vees. Valiku tegemine sõltub nii heitgaaside allikast kui ka eemaldamise hinnast.

Kõrvalepõikena tasub silmas pidada, et kuigi heitgaasides peetakse lämmastikoksiide ohtlikeks ühenditeks, on lämmastik taimede kasvuks vajalik. Taimed saavad lämmastikku kasvamiseks kasutada ainult siis, kui see on õhus teiste ühenditega seotud, näiteks oksiidina. Seetõttu on lämmastikoksiidid sageli üks lämmastikväetiste tooraine ja nende valmistamine on oluline osa tööstusest, milleks kulutatakse palju energiat.

Võttes arvesse ühelt poolt lämmastikoksiidide tööstuslikul tootmisel kuluvat energiat ja teiselt poolt üle maailma põlemisprotsessides tekkivat suurt lämmastikoksiidide kogust, tundub mõistlik need oksiidid heitgaasidest kokku koguda ja väetisena kasutada.

Üks võimalus selleks on lämmastikoksiidid vedelikus lahustada. Paraku ei taha põlemisel tekkiv lämmastikmonooksiid NO vees lahustuda. Vees lahustuvaks muutub see alles pärast lisaoksüdeerimist lämmastikdioksiidiks NO2 või, veel parem, dilämmastikpentoksiidiks N2O5.

Oksüdeerimine nõuab sobivaid ühendeid, näiteks hapniku radikaale või osooni. Nende tekitamiseks sobib madalatemperatuurne plasma. Sellises keskkonnas püsib temperatuur toatemperatuuri lähedane, aga samas on elektronidel piisav energia õhus leiduva molekulaarse hapniku radikaalideks lõhkumiseks ning osooni moodustamiseks.

Tartu Ülikooli plasmafüüsika laboris
tehtud uurimistööst selgus, et plasmaga toodetud osooni kasutamine on lämmastikoksiidide sidumisel tõhusam kui otse plasma kasutamine. Töö tehti Eesti Teadusagentuuri personaalse uurimistoetuse stardigrandi
"Plasmaühendite roll metall-oksiid katalüsaatorite pinnaprotsessides" käigus.

Tartu Ülikooli plasmaseade. Autor: Indrek Jõgi

Eriti selgesti tuleb osooni eelis esile lämmastikoksiidide suure koguse korral, mida leidub näiteks diiselmootorite heitgaasides. Plasmatehnoloogial põhinevate osonaatoritega on osooni tootlikust võimalik kiiresti reguleerida ja see võimaldab muutuva heitgaasikogusega kiiresti kohaneda.

Teisalt on osooniga oksüdeerimine suhteliselt aeglane protsess ja nõuaks seega väga pikka korstent, mis teeb selle hinna kõrgemaks. Lisaks tekib probleem ülejääva osooniga, mida ei tohi niisama atmosfääri paisata. Nagu sellistel juhtudel ikka, võiks kasutada protsessi kiirendamiseks katalüsaatorit.

Tavaliselt kasutatakse katalüsaatoritena väärismetalle. Tartu Ülikooli plasmafüüsika labori uurimistööst selgus aga, et ka lihtsad ja odavad katalüsaatorid – näiteks päikesekreemides kasutatav titaanoksiid TiO2 ja rauarooste komponent raudoksiid Fe2O3 – võimaldavad lämmastikoksiidide eemaldamist kiirendada ja boonusena lagundada ülejäävat osooni. Selliste katalüsaatorite abil saab muuta oksüdeerimisprotsessi piisavalt tõhusaks, nii et piiravaks teguriks muutub pigem osooni tootmise tõhusus.

Tartu Ülikooli teadlased on aidanud valdkonna arengule märkimisväärselt kaasa, sest nad on töötanud välja katalüsaatorite võrdlemise metoodika ja selgitanud katalüsaatorite pinnal toimuvaid protsesse. Teadustöö järgmised sammud peavad näitama, et plasmatehnoloogial põhinev lämmastikoksiidide eemaldamise protsess töötab ka tööstuslike heitgaaside korral. Tehnoloogia kasutuselevõtuks on vaja veel vähendada osooni tootmise hinda.

Toimetaja: Katre Tatrik, Tartu Ülikool

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: