Sb97947

Введение

Проблемы охраны и защиты окружающей среды в настоящее время стали первоочередными, жизненно важными.

Среди экологических проблем особое внимание следует уделить так называемым «глобальным», решение которых возможно только совместными усилиями большинства стран. Для решения таких проблем в первую очередь необходимо понимать их «природу», разделять причины и следствия. Важно знать естественные факторы, влияющие на флуктуации того или иного параметра, которые ошибочно можно принять за проявления проблемы.

В пособии рассматриваются проблемы глобального потепления и изменения климата, кислотных дождей и загрязнения атмосферы твердыми частицами – выбросами промышленных предприятий. Описаны методы очистки промышленных выбросов от твердых частиц, методики расчета аппаратов газоочистки. Также рассмотрены методы очистки сточных вод от загрязнений и отдельные типы очистных сооружений. После каждого раздела предложены задания для самостоятельного выполнения студентами.

Пособие разработано в помощь студентам направлений «Приборостроение» и «Техносферная безопасность» при выполнении заданий на практических занятиях по дисциплине «Промышленная экология».

3

1. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Под парниковым эффектом понимается явление, при котором температура у поверхности земли выше по сравнению с верхними слоями атмосферы благодаря содержанию в ней некоторых газов.

Парниковый эффект способны создать все многоатомные газы. Основными являются водяной пар (H2O), углекислый газ (CO2), метан (CH4) и озон (O3), но это относится и к оксидам азота (NOx), другим легким углеводородам, и к группе веществ под общим названием хлорфторуглероды. Водяной пар обычно исключают из рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (т. е. его влияние на увеличение парникового эффекта не оценивается, несмотря на то, что именно он обеспечивает порядка 50 % парникового эффекта без учета облаков).

Атмосфера Земли состоит (% по объему) на 20,95 % из кислорода, 78,09 % азота, 0,93 % аргона. Другие газы в сумме составляют менее 0,1 %: углекислый газ – 0,03 %, метан – 2,2·10-4%, закись азота – 10-4%, озон – 10-6%, пары воды и др.

Впервые механизмвлияния атмосферы на радиационныйбаланс Земли описал Ж. Фурье в 1827 г. Он выдвинул гипотезу, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, т. е. её прозрачность в оптическом диапазоне выше, чем прозрачность в диапазоне инфракрасном.

На диапазон длин волн 400–1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения. Большинство газов, входящих в состав атмосферы, не поглощают излучение в этом диапазоне и, соответственно, не препятствуют достижению этих волн поверхности планеты. Волны в УФ (длина менее 400 нм) и ИК (более 800 нм) диапазонах поглощаются поверхностью планеты и атмосферой и разогревают их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне (75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8–28 мкм). Однако атмосфера, содержащая многоатомные газы (углекислый газ, метан, водяной пар, озон, называемые «парниковыми»), в значительной степени непрозрачна для такого излучения от поверхности обратно в космическое пространство. Вследствие этого свойства атмосфера является хорошим теплоизолятором, и температура у поверхности оказывается выше, чем в верхних слоях атмосферы. Наблюдаемая разность температур называется парниковым эффектом. Уровень парникового эффекта зависит от концентрации парниковых газов. На Земле их концентрация обеспечивает

4

соблюдение теплового баланса, т. е. выполняется условие равенства значений поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля – атмосфера. Доля поглощенной коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На интенсивность потока длинноволновой радиации, уходящей

вкосмос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь зависящий от состава и температуры земной атмосферы.

Важным результатом парникового эффекта является небольшая амплитуда суточных колебаний температур у поверхности (по сравнению с другими планетами). Именно благодаря парниковому эффекту поддерживается оптимальная температура для зарождения и поддержания различных форм жизни.

Основными парниковыми газами в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли являются водяной пар (вклад составляет

36–72 %), углекислый газ (9–26 %), метан (4–9 %) и озон (8–20 %).

По данным метеонаблюдений за последние 100 лет средняя температура Земли выросла на 0,74 градуса. В настоящее время основной причиной этого называют меняющийся газовый состав атмосферы в сторону увеличения содержания парниковых газов. В связи с этим более 20 лет назад был создан международный договор – Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата (далее РКИК ООН), в настоящее время ратифицированная 186 странами, в том числе Российской Федерацией04.11.1994. Вдокументе рассматриваются различные меры для предотвращения глобального потепления (т.е. роста величины парникового эффекта). В конце 1997 г. в рамках РКИК ООН подписан Киотский протокол – международный договор, заключённый для реализации целей РКИК ООН и обязывающий государства-участники сократить выбросы парниковых газов (до 2012 г. это было основное соглашение о противодействии глобальному потеплению). В 2004 г. РФ ратифицировала Киотский протокол к РКИК ООН,

всвязи с чем он вступил в действие 16.02.2005 и стал обязательным для выполнения всеми участвующими государствами.

Областьдействиясоглашенияраспространяласьна6 парниковыхгазов: диоксид углерода СО2, метан СН4, закись азота N2O, гидрофторуглероды

(ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6).

В главе рассмотрены основные природные и антропогенные источники перечисленных газов.

5

Углекислый газ. Вклад углекислого газа в парниковый эффект оценивают от 9 до 26 %, доля антропогенного происхождения в разных источниках оценивается от 50 до 65 %.

Углекислый газ является конечным продуктом реакции разложения (деструкции) органического вещества, какой бы процесс не вызывал эту реакцию. Среди антропогенных процессовэто сжигание ископаемого топлива для различных промышленных и коммунально-бытовых целей. Не менее значимыми источниками поступления в атмосферу являются различные виды транспорта. Отдельно можно выделить производственные процессы, в которых происходит обжиг известняка (например, производство цемента, включающее получение клинкера – основного продукта для получения цемента – спеченного известняка с глиной), доломита и др. карбонатных пород. На количество углекислого газа влияет также вырубка лесных массивов, так как снижается количество продуцентов, поглощающих CO2 для прироста биомассы. Естественные и антропогенные источники и основные отрасли промышленности сведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Примеры естественных и антропогенных источников углекислого газа в атмосфере

Лесные пожары (как природного, так и техногенного происхождения)

Метан и другие газообразные углеводороды выделяются при до-

быче, переработке, транспортировке нефти и газа и продуктов их переработки. Метанвыделяетсявсельскомхозяйстве(привыращиваниинекоторых культур, например риса; использовании удобрений; от продуктов жизнедея-

6

тельности крупного скота); при биоразложении органических отходов (полигоны захоронения ТБО, сооружения биологической очистки сточных вод) (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Примеры естественных и антропогенных источников углекислого газа в атмосфере

Закись азота в основном выделяется сельскохозяйственными угодьями (прямой выброс почвами при использовании минеральных и органических удобрений, разложении растительных остатков, оставленных на полях) – примерно 75 % от общего количества закиси азота, выделяемого в атмосферу в сельском хозяйстве; от систем сбора и хранения навоза и помета в животноводстве. Также закись азота образуется в результате неполного окисления азота воздуха в различных высокотемпературных процессах. В химичексой промышленности закись азота образуется от производства азотной кислоты (побочный продукт каталитического окисления аммиака), капролактама и глиоксаля.

ГФУ образуются при синтезе ГХФУ как побочные продукты. Также происходит выброс при их непосредственном производстве. В РФ в 1990–2014 гг. производились следующие ГФУ: трифторметан (ГФУ-23), пентафторэтан (ГФУ-125), дифторэтан (ГФУ-152а), гептафторпропан (ГФУ227еа).

ПФУ и гексафторид серы также попадают в атмосферу при их непосредственном производстве. В РФ производят тетрафторметан (CF4), октафторпропан (C3F8), октафторциклобутан (c-C4F8).

7

Задание: приведите примеры естественных и антропогенных источников парниковых газов применительно к своему родному городу/региону.

Контрольные вопросы:

1.Какова роль углекислого газа в атмосфере Земли?

2.Объясните механизм формирования парникового эффекта.

3.Возможна ли жизнь на нашей планете без парникового эффекта?

4.Назовите естественные и антропогенные причины появления парниковых газов в атмосфере Земли.

2. КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

Термины «кислота» и «основание» введены в обращение шведским ученым С. Аррениусом. Кислотами называют вещества, которые при растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода (Н+), а основаниями – свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы (ОН-). Дистиллированная вода считается нейтральным раствором (концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны, их содержание обусловлено диссоциацией молекул воды) и при температуре 25 ºС имеет рН, равный 7. При указанной температуре концентрация ионов водорода составляет 10-7 моль/л. Значение рН определяют как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. рН водных растворов измеряют от 0 до 14 (при бóльших концентрациях указывают молярную концентрацию кислоты или основания). Соответственно кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7,0; щелочная – больше 7,0.

Нормальная дождевая вода имеет слабокислую реакцию со значением рН 5,6-5,7. Это объясняется содержанием в воздухе углекислого газа, который после взаимодействия с дождевыми каплями образует слабую угольную кислоту. Помимо СО2 в атмосферу Земли естественным путем попадают различные соединения серы и азота, которые придают осадкам кислотную реакцию. Вклад углекислого газа в кислотность осадков вдали от промышленных центров составляет 80 %, а на оксиды серы и азота приходится по

10%.

Вслучае, когда рН осадков меньше 5,6, говорят о кислотных дождях. Понижение кислотности осадков могут вызвать как оксиды азота и серы

(могут быть природного и антропогенного происхождения), так и хлористый водород и летучие органические соединения, которые в незагрязненном атмосферном воздухе отсутствуют. В главе рассмотрены основные природные

8

и антропогенные источники оксидов азота и серы (углекислый газ и ЛОС не рассматриваются, так как уже были описаны ранее).

Существуют естественные и антропогенные источники поступления соединений азота и серы в атмосферу, где они окисляются до оксидов.

Вклад природных источников в выброс соединений серы составляет примерно 1/3 от общей эмиссии; соединений азота – около половины. Но проблемаантропогенных выбросовнетолько в количестве, но и в их высокой концентрации вблизи промышленных центров, в то время как природные выбросы этих же соединений распределены относительно равномерно.

Основная причина образования оксидов азота – это побочная химическая реакция окисления азота воздуха при высоких температурах (или электрическом разряде). Такая реакция сопровождает все высокотемпературные процессы в промышленности.

Большинство видов топлива имеет в своем составе различные соединения серы. Наименьшее количество содержится в природном газе, наибольшее – в углях. Состав топлива зависит от состава исходного сырья, из которого топливо произведено.

Другим значимым источником поступления соединений серы в атмосферу являются руды некоторых цветных металлов, залегающие в природе в форме сульфидов (медь, никель, кобальт и др.)

Естественные и антропогенные источники и основные отрасли промышленности оксидов азота и серы сведены в табл. 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Примеры естественных и антропогенных источников оксидов азота в атмосфере

Лесные пожары (как природного, так и техногенного происхождения)

9

Задание: приведите примеры естественных и антропогенных источников кислых газов применительно к своему родному городу/региону.

Таблица 2.2

Примеры естественных и антропогенных источников оксида серы в атмосфере

Контрольные вопросы:

1.Выбросы каких предприятий вносят наибольший вклад в образование кислотных дождей? Почему?

2.Почему на многих предприятиях образуются оксиды азота, несмотря на то, что азот не входит в состав исходного сырья или товарных продуктов?

3.Почему при производстве целлюлозы происходит выброс диоксида

серы?

3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ

По агрегатному состоянию выбросы загрязняющих веществ в атмосферу классифицируются на: 1) газообразные, 2) жидкие, 3) твердые.

Среди загрязнителей атмосферы твердые частицы имеют характерные особенности и являются одними из основных. На долю твердых приходится около 10–14 % от массы всех загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух из источников.

10