Физико-химические процессы в техносфере
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С.Н. Костарев
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОСФЕРЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 504.062 (075) ББК 20.18я723
К71
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент Т.Г. Середа (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. геол.-мин. наук, профессор В.А. Березнев (Пермская государственная сельскохозяйственная академия им. академика Д.Н. Прянишникова)
Костарев, С.Н.
К71 Физико-химические процессы в техносфере: учеб. пособие / С.Н. Костарев. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2013. – 142 с.
ISBN 978-5-398-01123-4
Изложены основные сведения о физических и химических процессах в техносфере с выделением их природной и техногенной составляющих. Даны представления о процессах трансформации веществ, рассмотрены физико-химические механизмы, лежащие в основе распространения техногенных загрязнителей в биосфере, глобальных изменений климата.
Пособие предназначено для изучения дисциплины «Физикохимические процессы в техносфере» специальности 280101 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».
УДК 504.062 (075) ББК 20.18я723
ISBN 978-5-398-01123-4 |
© ПНИПУ, 2013 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие........................................................................................................ |
6 |
1. СТРУКТУРА ГЕОСФЕР ЗЕМЛИ................................................................. |
7 |
1.1. Атмосфера ............................................................................................... |
8 |
1.1.1. Зависимость изменения давления от высоты................................ |
9 |
1.1.2. Изменение температуры с высотой............................................. |
10 |
1.1.3. Радиационный баланс Земли........................................................ |
13 |
1.2. Гидросфера............................................................................................ |
15 |
1.3. Биосфера и педосфера.......................................................................... |
18 |
Контрольные вопросы................................................................................. |
23 |
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, |
|
ПРОТЕКАЮЩИХ В ТЕХНОСФЕРЕ......................................................... |
24 |
2.1. Формализация физико-химических процессов, протекающих |
|
в техносфере.......................................................................................... |
24 |
2.2. Подходы к описанию физико-химических процессов |
|
в техносфере.......................................................................................... |
30 |
2.3. Моделирование физико-химических процессов в техносфере......... |
31 |
2.3.1. Эмиссионные процессы и миграция элементов.......................... |
31 |
2.3.2. Объемно-балансовые эмиссионные модели ............................... |
34 |
2.3.3. Модели диффузионно-конвективного переноса......................... |
37 |
2.3.4. Применение моделей реакторного типа...................................... |
39 |
2.3.5. Регрессионные модели.................................................................. |
43 |
2.3.6. Имитационные модели.................................................................. |
44 |
2.3.7. Модели управления....................................................................... |
47 |
2.3.8. Оценочное воздействие на техносферу....................................... |
50 |
Контрольные вопросы................................................................................. |
52 |
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ |
|
В ТЕХНОСФЕРЕ .......................................................................................... |
53 |
3.1. Стадии биодеструкции......................................................................... |
53 |
3.2. Исследование моделей анаэробных процессов, протекающих |
|
в педосфере............................................................................................ |
61 |
3.3. Моделирование физических процессов в педосфере ........................ |
64 |
3.3.1. Моделирование процесса теплопереноса.................................... |
65 |
3.3.2Разработка диффузионно-фильтрационных моделей образования газообразных углеводородов
в пластах литосферы...................................................................... |
68 |
3
3.4. Моделирование механических процессов ......................................... |
69 |
3.4.1. Моделирование устойчивости насыпей и склонов.................... |
69 |
3.4.2. Расчет устойчивости откосов ...................................................... |
73 |
Контрольные вопросы................................................................................ |
75 |
4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ................................... |
76 |
4.1. Цикл кислорода.................................................................................... |
76 |
4.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода................................. |
76 |
4.1.2. Биотический и физико-химический субциклы |
|
цикла кислорода............................................................................. |
77 |
4.1.3. Озон в стратосфере....................................................................... |
80 |
4.1.4. Озон в тропосфере........................................................................ |
82 |
4.1.5. Фотохимический смог.................................................................. |
83 |
4.2. Гидрологический цикл и цикл водорода............................................ |
84 |
4.2.1. Гидрологический цикл................................................................. |
84 |
4.2.2. Цикл водорода............................................................................... |
85 |
4.2.3. Уменьшение щелочности океанской воды................................. |
86 |
4.3. Цикл азота............................................................................................. |
87 |
4.3.1. Природная фиксация азота .......................................................... |
88 |
4.3.2. Промышленная фиксация азота .................................................. |
89 |
4.3.3. Аммонификация............................................................................ |
90 |
4.3.4. Нитрификация и другие процессы.............................................. |
91 |
4.3.5. Денитрификация и другие процессы.......................................... |
93 |
4.3.6. Оксиды азота................................................................................. |
94 |
4.3.7. Физический перенос азота........................................................... |
95 |
4.4. Цикл серы.............................................................................................. |
95 |
4.4.1. Поступление серы в атмосферу................................................... |
96 |
4.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли ..................................... |
97 |
4.4.3. Кислотные дожди ......................................................................... |
98 |
4.4.4. Ассимиляция сульфата................................................................. |
99 |
4.4.5. Восстановление сульфата и другие процессы.......................... |
100 |
4.4.6. Окисление сероводорода и другие процессы........................... |
101 |
4.4.7. Окислительный бактериальный фильтр................................... |
103 |
4.5. Циклы тяжелых металлов.................................................................. |
103 |
4.5.1. Природные источники тяжелых металлов ............................... |
104 |
4.5.2. Техногенные источники тяжелых металлов............................. |
106 |
4.5.3. Трансформация антропогенных выбросов |
|
тяжелых металлов в почве.......................................................... |
109 |
4.6. Цикл углерода..................................................................................... |
111 |
4.6.1. Основные процессы цикла углерода......................................... |
111 |
4.6.2. Токсичные соединения углерода............................................... |
114 |
4 |
|
4.7. Циклы натрия и хлора ........................................................................ |
117 |
4.7.1. Цикл натрия ................................................................................. |
118 |
4.7.2. Засоление почв............................................................................. |
119 |
4.7.3. Цикл хлора................................................................................... |
122 |
4.7.4. Галогенорганические соединения.............................................. |
123 |
4.7.5. Стойкие органические загрязнители и другие |
|
приоритетные поллютанты.......................................................... |
128 |
Контрольные задания................................................................................ |
131 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................. |
133 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................. |
134 |
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии рассматривается техносфера как природнотехническая система. Даются понятия и описание геосфер: атмосферы, гидросферы, биосферы и педосферы.
Любой вид деятельности сопровождается образованием различного вида продуктов и сопутствующих им отходов. Появление
инакопление различных токсичных загрязнений в окружающей среде определяется как природными элементами и соединениями, так и образованием новых веществ, опасных для биосферы. В предлагаемом учебном пособии исследуются физико-химические и биохимические процессы, протекающие в техносфере. При моделировании физико-химических процессов охватываются классы объем- но-балансовых моделей, конвективно-диффузионных, моделей реакторного типа. Исследуется миграция элементов в техносфере. Показано изменение физико-химических параметров техносферы.
Рассматриваются биогеохимические циклы элементов: цикл кислорода, гидрологический цикл и цикл водорода, цикл азота, аммонификация, нитрификация и другие процессы, денитрификация и другие процессы, цикл серы, ассимиляция сульфата, восстановление сульфата
идругие процессы, окисление сероводорода и другие процессы, циклы фосфора и кремния, циклы тяжелых металлов, цикл углерода, циклы натрия и хлора. Представлены модели управления физикохимическимипроцессами, протекающими втехносфере.
Дисциплина «Физико-химические процессы в техносфере» предназначена для формирования у специалистов, занимающихся обеспечением безопасности жизнедеятельности человека, соответствующих профессиональных компетенций. Эти компетенции позволяют специалистам ориентироваться в довольно сложных физи- ко-химических процессах миграции и трансформации естественных
иантропогенных поллютантов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 280101 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».
6
1. СТРУКТУРА ГЕОСФЕР ЗЕМЛИ
Геосферы – концентрические оболочки, образованные веществом Земли, различающиеся между собой по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Выделяют сле-
дующие геосферы Земли: атмосфера, гидросфера, литосфера.
Атмосфера – это газовая оболочка планеты, вращающаяся вместе с нею.
Гидросфера – совокупность всех океанов, морей, водных объектов суши (рек, озер, водохранилищ, подземных вод), а также запасов воды в виде льда (ледники, снежный покров). Верхней границей распространения воды считается высота тропопаузы (8…17 км); нижней границей – уровень на 10 км ниже дна океана, на 6…14 км ниже поверхности суши.
Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и твердую часть верхней мантии. К верхней части литосферы относится почвенный покров Земли – педосфера (от лат. pedis – стопа).
Биосфера – это область, для которой состав, структура и энергетические процессы определяются деятельностью живых организмов. Верхней границей распространения жизни на Земле считается озоновый слой атмосферы (примерно до 25 км), задерживающий губительное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Гидросфера полностью входит в состав биосферы.
Техносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях соответствия социально-экономическим потребностям человека. К техносфере относят производственные системы и продукты производства (машины, строительные детали, одежда, книги и т.п.), сырье и топливо (уголь, нефть, газ и др.), техногенные рельефы (терриконы, насыпи, плотины, искусственные острова и др.), биомасса культивируемых растений и животных [3].
7
1.1.Атмосфера
Всоответствии с характером изменения температуры в атмосфере Земли выделяют зоны и паузы (узкие переходные граничные слои). Положение пауз строго не фиксируется и зависит главным образом от внешних факторов – солнечной активности и уровня поступающей солнечной радиации (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Основные зоны атмосферы Земли [3]
Зона |
Нижняя и верхняя |
Температурный |
Температура на |
|
|
границы над уров- |
градиент, К/км |
границах, °С |
|
|
нем моря, км |
|
нижней |
верхней |
Тропосфера |
0 – (8…18) |
–6,45 |
15 |
–56 |
Стратосфера |
(8…18) – (50…55) |
+1,38 |
–56 |
–2 |
Мезосфера |
(50…55) – (80…85) |
–2,56 |
–2 |
–90 |
Термосфера |
(80…85) – 1000 |
+3,13 (до 300 км) |
–92 |
1200 |
Тропосфера имеет наибольшую высоту на экваторе, наименьшую на полюсах, ее граница (тропопауза) неровная, с разрывами и складками; в ней сосредоточено 75 % всего воздуха. В тропосфере развиваются процессы, определяющие погоду (атмосферные фронты, циклоны, антициклоны и др.), здесь формируются облака и сосредоточена большая часть водяного пара (его содержание в тропосфере варьирует от 10–5 до 3 об. %, среднее 0,2 об. %). В тропосфере развита конвекция и турбулентное движение воздуха, время вертикального перемешивания в слое толщиной 11 км составляет около 2,5 месяцев.
Соотношение главных газовых компонентов (азот, кислород, инертные газы, водород) довольно постоянно до высоты 100 км, а содержание малых примесей варьирует во времени и в разных частях атмосферы. Помимо газов и водяного пара в атмосфере находятся мелкие частички твердых веществ и капли жидкости.
8
Встратосфере благодаря облучению кислорода ультрафиолетовым излучением Солнца происходит образование озона. Разрушение озона сопровождается выделением теплоты; это приводит к нагреванию стратосферы. Общее количество чистого озона при нормальном давлении образовало бы на поверхности Земли слой толщиной 2…4 мм, однако весь озон распределен в воздухе
вконцентрации 2…8 млрд –1 (2…8 молекул озона на миллиард молекул воздуха) на высоте 15…60 км (максимум концентрации около 30 км). Часть стратосферного озона опускается в тропосферу, в которой, однако, существуют и собственные механизмы его образования.
Вмезосфере происходит охлаждение воздуха (на высоте более 60 км). Считается, что в мезосфере начинают светиться и сгорают метеоры. Вблизи мезопаузы находится граница, отделяющая гомосферу – область атмосферы, где идет турбулентное перемешивание, выравнивающее концентрации веществ, от гетеросферы – области,
где преобладает диффузия, изменяющая распределение молекул с высотой. Со стратосферой и мезосферой связаны редкие атмосферные явления, которые иногда можно наблюдать после захода или перед восходом Солнца. Это тонкие облака из кристаллов льда, находящиеся на большой высоте: перламутровые облака (стратосферные) и серебристые облака (мезосферные).
1.1.1.Зависимость изменения давления от высоты
Всоответствии с характером изменения свойств атмосферу подразделяют на основные зоны – тропосферу, стратосферу, атмосферу и термосферу (рис. 1.1). Изменение давления с высотой описывается барометрической формулой
p = p |
exp |
|
− |
gMH |
|
, |
(1.1) |
|
|
||||||
0 |
|
|
RT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где p0 – давление при H = 0 (на уровне моря).
9
Рис. 1.1. Изменение температуры и давления
свысотой
1.1.2.Изменение температуры с высотой
Закон Стефана-Больцмана описывает зависимость испускаемого телом излучения I от его абсолютной температуры Т. Данный закон характеризует абсолютно черное тело, которое поглощает и не отражает все падающее на него излучение и с успехом применяется по отношению к Солнцу и Земле.
I = sТ4, |
(1.2) |
где s = 5,67·10−8 Вт/(м2·К4).
Спектр излучения абсолютно черного тела имеет единственный максимум λmax (м), определяемый по закону Вина:
λmax = |
0,0028999 . |
(1.3) |
|
T |
|
Солнце – это источник почти всей энергии на Земле. Солнечная постоянная – это поток излучения, поступающий за 1 мин на
10