УДК 621.472:621.793.74:330:504

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ПЛАЗМЕННОГО ВСКРЫТИЯ ЦИРКОНА В КАЧЕСТВЕ БОЛЕЕ ДЕШЕВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОЗДАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КАК СПОСОБ СНИЖЕНИЯ НАГРУЗКИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Борецкий Евгений Александрович1, Егорова Мария Сергеевна1
1Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Аннотация
Во второй половине 20 века человечество осознало, что наносит непоправимый вред окружающей среде. Среди наиболее вредных факторов оказались: отходы промышленности, сельского хозяйства, выбросы вредных веществ вместе с выхлопными газами автотранспорта, а также выбросу тепловых электростанций.
За последние годы было предложено множество технических решений, позволяющих внедрить новые источники энергии, однако этого так и не было сделано.
Солнечное излучение всегда считалась одним из наиболее перспективных источников энергии. Для получения энергии солнечного излучения были созданы специальные приспособления, суть которых состоит в преобразовании падающего на землю излучения в постоянный ток. Однако для создания таких устройств требуются дорогостоящие материалы, такие как кремний, галий, индий, теллур и другие.
В работе описан способ использования отходов плазменного вскрытия циркона, благодаря которому возможно получить более дешевый аморфный кремний для создания солнечных батарей. Представлены основные химические реакции, происходящие в потоке низкотемпературной плазы, а также реакции, необходимые для дополнительной обработки оксида кремния. Показаны результаты моделирования получающихся продуктов реакции, зависимость их концентрации от температуры.

Ключевые слова: альтернативный источник энергии, кремний, окружающая среда, отходы производства, плазмохимическое вскрытие, солнечные батареи, тепловые электростанции, циркон


THE ECONOMIC JUSTIFICATION FOR USING OF PLASMA AUTOPSY PRODUCTS OF ZIRCON AS A CHEAPER MATERIAL FOR MAKING SOLAR BATTERIES AS A METHOD OF REDUCING THE THERMAL POWER'S INFLUENCE ON THE ENVIRONMENT

Boretsky Evgeny Alexandrovich1, Egorova Maria Sergeevna1
1National research Tomsk polytechnical university

Abstract
In the second half of the 20th century, mankind has realized its influence on the environment. The most harmful factors: industrial wastes, agricultural emissions, exhausted gases of motor vehicles, and the harmful emission of thermal power plants.
In recent years, it was suggested several technical solutions to implement new sources of energy, but it was never realized.
Solar radiation has always been considered one of the most promising sources of energy. The devices for using the solar energy has been created. This devices uses for convertation the solar radiation into a direct current. However, building such devices is require an expensive materials such as silicon, gallium, indium, tellurium and others.
The paper describes a method of using plasma autopsy of zircon as one of the ways through which is possible to get cheaper amorphous silicon for creating solar panels. It's presented principal chemical reactions occurring in the flow of the low temperature plasma as well as reactions necessary for further processing of silicon oxide. Also shows the results of simulation of getting products of reaction.

Keywords: alternative energy source, environment, plasma-chemical autopsy, silicon, solar batteries, thermal power plants, waste production, zircon


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Борецкий Е.А., Егорова М.С. Экономическое обоснование использования продуктов плазменного вскрытия циркона в качестве более дешевого материала для создания солнечных батарей как способ снижения нагрузки тепловых электростанций на окружающую среду // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/06/54292 (дата обращения: 20.11.2016).

Последние десятилетия перед населением планеты все чаще и чаще встают вопросы необходимости принятия решительных действий в области экологии. Регулярное активное загрязнение окружающей среды производится различными путями, земля, воздух, пресные и воды мирового океана ежедневно подвергаются вредному влиянию, причиной которого является активная урбанизация и промышленное загрязнение вызванное деятельностью человека.

Все мы – люди, животные и растения, соседствующие на Земле, а также все предыдущие поколения пили и пьем одну и ту же воду, поскольку ее количество на планете не изменяется со временем в краткосрочный период, она не уходит в космос и не приходит извне, происходит только ее круговорот.

Все элементы природы взаимосвязаны, существование одного без другого просто невозможно. Испаряясь, вода попадает в воздух, затем в почву, попадает в наши тела и оказывает свое физиологическое влияние. Однако, современные исследователи обеспокоены качеством воды не только в отдельных регионах планеты, но и по всему земному шару в целом. Нередко, требования, предъявляемые к качеству воды, не соответствуют необходимым параметрам качества.

Экологи бьют тревогу, предвещая всему человечеству в будущем глобальное потепление. Большинство из нас прекрасно понимает, что проблема загрязнения окружающей среды не исчезнет сама собой, а будет лишь только усугубляться с все нарастающей скоростью.

Несмотря на то, что правительства многих государств понимают всю важность внедрения экологически-чистых материалов и технологий в промышленности, тем не менее, они не предпринимают каких-либо значительных действий.

В 1997 году в японском городе Киото был подписан специальный протокол – документ, обязывающий развитые страны, а также страны с переходной экономикой ограничивать выбросы парниковых газов [1]. Ставший первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, Киотский протокол является своего рода символом и надеждой всего человечества на то, что большинство стран мира приложит необходимые усилия для нормализации экологической обстановки. Тем не менее, ряд стран не подписали этот договор или подписали только формально, не произведя его ратификацию, а экологические проблемы до сих пор, спустя почти двадцать лет, стоят на одном из первых мест.

Экономическое развитие любой страны подразумевает под собой постоянный  активный рост промышленности и производства, однако увеличение темпов производимой продукции существенно повышает вредные выбросы. Но не только промышленность, сельское хозяйство и транспорт оказывают влияние на экологическое  состояние окружающей среды, но и тепловые электростанции, которые ежедневно вырабатывают тысячи мегаватт электрической мощности, передавая ее на нужды промышленности и потребителям третьей категории, то есть населению.

За последние несколько лет значительно изменились стандарты электроснабжения, например, во второй половине прошлого века предполагаемый расчет потребляемой мощности на частный жилой дом составлял около 2 кВт*ч. В результате непрерывного развития науки и техники происходит постоянное увеличение числа электро-зависимых приборов и оборудования, как следствие повышается требуемая расчетная нагрузка жилого дома. На данный момент ограничения по мощности для частного жилого дома составляют около 15 кВт*ч, кроме этого необходимо учитывать особые социальные коэффициенты [2]. Как следствие, повышается общая потребляемая мощность, увеличивается нагрузка на внутренние и внешние линии электропередач, а также на трансформаторные подстанции, ускоряя износ оборудования и материалов. В связи со значительным ростом потребляемой электрической мощности и отсутствием средств на замену токоведущих сетей и распределительных устройств, правительство приняло решение об установлении социальных норм потребления коммунальных ресурсов и электроэнергии для населения [3]. Предельная норма по электроэнергии составила 75 кВт*ч на одного зарегистрированного в квартире (жилом доме) человека. В случае, если предельная месячная норма будет превышена – проживающим придется оплачивать мощность, потребленную сверх нормы, с использованием повышающего коэффициента.

Кроме того, не следует забывать, что повышение спроса на электрическую мощность заставляет энергетику России работать с постоянно нарастающими темпами, что значительно влияет на экологическую обстановку в стране, поскольку тепловым  станциям требуется все больше ресурсов. К сожалению, во времена строительства первых ТЭС мало задумывались об их экологическом воздействии, поэтому производство электроэнергии на таких станциях связано с больших количеством выбрасываемых в атмосферу и гидросферу вредных отходов.

Работа ТЭС основана на сжигании органического топлива на основе углеводородов – каменный уголь и мазут. Результатом этого процесса являются образующиеся продукты сгорания, в состав которых входят: оксиды углерода и азота, тяжелые металлы, соли и частички сажи [4].

Для того, чтобы снизить вредный эффект прогрессивные страны, такие как  Япония, Нидерланды, Италия, решили использовать альтернативные виды энергии. Среди наиболее популярных источников можно выделить ветровую энергетику, термальную и солнечную. Наиболее доступной для населения является получение электрической энергии от солнечных батарей, поскольку они не требуют особых инженерных умений, связанных с их установкой. Однако у солнечной энергетики есть и свои недостатки, к которым, конечно же, относится сильная зависимость от времени суток, погоды и сезона. Появляется необходимость в аккумулировании полученной энергии, а также необходимость чистки поглощающей поверхности батарей. Наиболее определяющим фактором, который сдерживает солнечную энергетику, является высокая стоимость материалов, применяемых для создания солнечных батарей, в частности кремния.

Однако существует способ, способный значительно удешевить производство кремниевых ячеек для солнечных сборок. Суть этого метода заключается в использовании отходов плазмохимического вскрытия минерала ZrSiO4, называемого циркон.  Данный минерал имеет множество применений, в частности, он является источником циркония Zr, гафния Hf, урана U и других редких элементов. Также он применяется при создании огнеупорных конструкций плавильных печей и агрегатов, работающих при высоких температурах, таких как ядерные реакторы и газотурбинные двигатели. Кроме того он применяется при производстве огнестойких бетонов и в ювелирных украшениях.

Суть плазмохимического вскрытия руд заключается в разделении природной руды на несколько более простых химических объектов, таких как оксиды, фториды, ангидриды и другие.

Процесс плазмохимического вскрытия состоит из введения мелкодисперсных порошков в поток низкотемпературной плазмы, которая является теплоносителем с высокой энтальпией [5, с. 136]. В плазменном потоке происходят процессы, результатом которых является образование новых химических соединений. После чего происходит охлаждение газового потока и разделение соединений с помощью системы фильтров. Целевой продукт отправляется на дальнейшую переработку, а отходы выбрасываются, либо, если они представляют ценность, также дополнительно перерабатываются.

В качестве способа получения аморфного кремния взят процесс плазменного вскрытия циркона, продуктами которого является диоксид циркония – ZrO2 в твердой фазе и тетрафторид кремния SiF4, являющийся в данном случае отходом производства.

Формула 1 описывает прямой процесс получения целевых компонентов в потоке плазмы:

ZrSiO4 + Воздух → ZrO2(↓) + SiO2(↑)                 (1)

Формула 2 описывает получение на первой стадии тетрафторида кремния, а формулы  3 и 4 описывают вторую стадию – получение аморфного кремния, необходимого для производства солнечных батарей, продукты второй стадии зависят от температуры, при которой осуществляется реакция.

и плавиковой кислоты HF, которая также может быть использована для нужд промышленности:

ZrSiO4 + Воздух + HF → ZrO2(↓) + SiF4(↑)       (2)

SiF4 + 2H2O → SiO2 + 4HF                        (3)

3SiF4 + 2H2O → SiO2(↓) + 2H2[SiF6]           (4)

Плавиковая кислота HF является продуктом реакции в формуле 3, происходящей при температуре более 100 С. Кремнефтористофодородная кислота получается в случае, если температура протекания реакции составляет 100 С. Процесс происходит при температуре от 600 до 3000 К при давлении 0,1 МПа. На рисунке 1 представлены результаты моделирования плазмохимического вскрытия руды циркона (ZrSiO4).

Рисунок 1 – Зависимость концентрации продуктов реакции от температуры плазмообразующего газа.

Таким образом, ключевое вещество для солнечной энергетики будет получено из отходов производства, и, как следствие, стоимость аморфного кремния будет меньше, чем при существующих способах его получения. Кроме использования в оптических солнечных батареях, полученный оксид кремния также может быть применен в полупроводниковой технике после необходимой обработки.

События последних лет показывают, что России необходимо не только использовать собственные технологии производства, но и делать это с максимальным сбережением ресурсов. Что для нашей страны является далеко не самой легкой задачей, поскольку имея обилие природных ресурсов, люди потеряли способность экономить, в отличие от Японии, в которой повторное использование отходов стало уже образом жизни. Кроме того, внедрение системы бережливого производства, в которую также входит программа применения отходов производства, позволило японской Тойоте стать одной из наиболее эффективных компаний в мире.

Хочется верить, что экономические санкции западных стран подействуют на российский менталитет, оказывая необходимый стресс, который подобно вакцине принесет пользу и оживит не только российскую экономику, но и все население страны в целом.


Библиографический список
  1. Киотский протокол к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата [Электронный ресурс]. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/kyoto.shtml (дата обращения 29.04.2015)
  2. Положение об установлении и применении социальной нормы потребления электрической энергии [Электронный ресурс]. URL:
    http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_161089/?frame=1 (дата обращения 01.05.2015)
  3. Социальная норма потребления коммунальных ресурсов и социальная норма потребления электроэнергии [Электронный ресурс]. http://www.energo-consultant.ru/sovets/stati_i_issledovaniya/poryadok_rascheta_za_elektroenergiyu/socialnaya_norma_potrebleniya_elektroenergii (дата обращения 01.05.2015)
  4. Влияние ТЭС на окружающую среду  [Электронный ресурс]. http://www.saveplanet.su/articles_114.html (дата обращения 02.05.2015)
  5. Каренгин А.Г. Плазменные процессы и технологии: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 160 с.


Все статьи автора «Егорова Мария Сергеевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация