1498

материалы: металлические ленты или сетки, керамические соты или решетки, оксид алюминия, силикагель, изготавливают в виде гранул, зерен, таблеток различной формы.

Все шире применяются гетерогенные катализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей от оксида углерода, оксида азота и углеводородов.

Выхлопные газы через патрубок поступают к восстановительному катализатору, где нейтрализуется оксид азота (до молекулярного азота). После восстановительного катализатора, для создания окислительной среды, к выхлопным газам подается воздух через патрубок. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация оксида СО (до СO2) и углеводородов. В результате концентрации оксида углерода и углеводородов снижаются соответственно в 10 и 8 раз.

Характерной особенностью катализаторов является их высокая селективность, т.е. избирательность действия относительно какой-либо химической реакции. Это означает, что катализатор окисления СО, скорее всего, не может ускорять разложение NO. Однако известны случаи проявления катализаторами более широких функциональных возможностей. Например, в производстве углеграфитовых электродов отходящие газы цехов обжига содержат монооксид углерода СО, оксид азота NO и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) СхНу. Для детоксикации каждого ингредиента

СО + 1/2O2 → СO2, NO → l/2N2 + l/2О2,

известен свой специфический катализатор, работающий в определенном температурном интервале.

Позже удалось найти новый катализатор, способный одновременно ускорять эти 3 реакции. Им оказался муллитокремнезем 3Al2O3 2SiO2. Его получают плавкой оксидов алюминия А12O3 и кремния SiO2, смешиваемых в соотношении 1 : 1 с последующим образованием волокон методом раздува. Из волокон формируют вату, фетр, рулоны. Очищаемые газы пе-

41

чей обжига, подогретые до 450 – 480 °С, поступают в реактор, где проходят через слой муллитокремнеземистого рулонного материала с общей площадью фильтрации – 100 м2. При этом степень очистки составляет: от СО ~ 96 %, ПДУ – 80%, NO – 60 %.

Одним из перспективных подходов к решению проблемы очистки газовых выбросов является применение фотокаталитических методов. Они используют принципы гетерогенного катализа, основанного на окислении широкого спектра органических веществ, а также СО и аммиака. На поверхности оксида титана TiO2 под действием мягкого ультрафиолетового излучения очищаемый газ проходит пористый катализатор с развитой удельной поверхностью 250 – 300 м2, который облучается лампой ультрафиолетового диапазона. Органические примеси окисляются до СO2 и водяных паров, СО до СO2, а NН3 до молекулярного азота и водяных паров. Метод применим при тщательной предварительной очистке газов от пыли и при сравнительно невысокой концентрации экотоксикантов в очищаемых газовоздушных выбросах.

Термическое обезвреживание или высокотемператур-

ное дожигание применяют для легкоокисляемых токсичных, а также дурнопахнущих примесей. Его преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов. Подобные способы широко используют в лакокрасочных производствах, процессах получения многих видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, при обезвреживании и окраске деталей и изделий. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. В случае органических веществ продуктами сжигания являются водяные пары и диоксид углерода.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществ входит в пределы воспламенения. Процесс проводят в обычных или усовершенствованных то-

42

почных устройствах, в промышленных печах и топках капельных агрегатов, а также в открытых факелах.

Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать необходимое время пребывания обрабатываемых газов в аппарате при температуре, гарантирующей возможность достижения заданной степени их обезвреживания (нейтрализации). Время пребывания обычно составляет 0,1 – 0,5 с, рабочая температура в большинстве случаев ориентирована на температуру самовоспламенения обезвреживаемых газов (табл. 3) и превосходит ее на 100 – 150 °С.

Таблица 3

Температуры самовоспламенения te наиболее распространенных загрязнителей промышленных выбросов

Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания с целью сокращения этих затрат.

Столь простые технологические схемы составляют большинство, хотя существуют исключения. Они касаются, в частности, обезвреживания так называемых стойких органических загрязнителей, к которым относятся и полихлорбифенилы (ПХБ). Все они попадают под юрисдикцию Стокгольмской Конвенции по стойким органическим загрязнителям биосферы (май, 2004 г.) и должны быть обезврежены. Высокая химическая и термическая стойкость ПХБ, обусловливающая ценные

43

потребительские свойства их при изготовлении и эксплуатации электротехнического оборудования, становится затем препятствующим фактором при организации термической детоксикации. В процессе горения хлорорганических соединений возможно образование хлороводорода НС1, хлора С12, фосгена СОС12 и диоксина – веществ весьма токсичных. Поэтому процедура обезвреживания ПХБ – сложная, многоступенчатая и дорогостоящая.

Пары ПХБ поступают в реактор, в котором подвергаются термоокислительной деструкции при температуре ~ 1250 °С. Время пребывания обезвреживаемых газов в реакторе должно быть не менее 2 с. В этих условиях предотвращается образование фосгена, а весь хлор практически переходит в НС1. Для предотвращения промежуточного синтеза диоксинов предусмотрена химическая сорбция НСl и остаточного хлора, ранее образовавшихся в ходе термического дехлорирования ПХБ. Подобная хемосорбция осуществляется в аппарате, куда подаются щелочные реагенты. Кроме того, необходимо быстро пройти температурный коридор 300 – 340 °С газам, покидающими реактор (именно указанный коридор оптимален для синтеза диоксинов). С этой целью в распыливающий скруббер подается вода, и газы быстро охлаждаются до 250 – 300 °С. Очищенные от мелкодисперсных частиц хлорида натрия, они выбрасываются в атмосферу. Выбросные газы содержат диоксид углерода, водяные пары, азот и кислород.

ЛЕКЦИЯ 4. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ

На современном этапе развития техносферы значительно усилилось антропогенное воздействие на гидросферу. На промышленные, сельскохозяйственные и бытовые нужды в настоящее время человечество расходует приблизительно 3000 км3 пресной воды в год, из них примерно 1700 км3 безвозвратно. Для осуществления производственной деятельности вода имеет огромное значение: она применяется в качестве сырья,

44

теплоносителя, хладагента, растворителя, источника получения водорода и кислорода. Водный транспорт является одним из важнейших средств перевозки сырья и материалов. К основным видам загрязнения гидросферы можно отнести следующие:

1.Химическое загрязнение вод может быть органическим (фенолы, пестициды) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), а также токсичным (соединения ртути, свинца, кадмия) и нетоксичным. Например, морские экосистемы подвергаются антропогенному воздействию посредством токсичных веществ, которые поглощаются морскими организмами, передаются по трофической цепи и могут вызвать гибель консументов даже высоких порядков. Среди химических веществ наиболее опасными для морских организмов и человека являются нефтяные углеводороды, пестициды и тяжелые металлы: ртуть, свинец, кадмий и др.

2.Биологическое загрязнение представляет собой появление в воде патогенных бактерий, вирусов, простейших и грибов.

3.Радиоактивное загрязнение наносит огромный вред даже при малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее опасными являются «долгоживущие» радиоактивные элементы (стронций–90, уран, радий–226, цезий и др.)

4.Механическое загрязнение выражается в попадании в воду механических примесей (песок, шлам, ил). Механические примеси серьезно ухудшают органолептические характеристики воды. Под органолептическими свойствами воды понимают совокупность элементов, воспринимаемых рецепторами человека (запах, вкус и т. д.).

Поверхностные воды подвергаются еще засорению твердыми отходами, остатками лесосплава, что негативно сказывается на состоянии экосистем. Древесное волокно само по себе не ядовито, но, попадая на жабры рыб и фильтрующие органы других гидробионтов, приводит к их гибели.

5.Тепловое загрязнение характеризуется повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагреты-

45

ми технологическими водами. Повышение температуры в водоеме приводит к снижению количества кислорода, нарушению экологического равновесия, к бурному размножению болезнетворных микроорганизмов и вирусов.

В соответствии с СанПиН 2.1.5.980–00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» летняя температура воды в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем на 3 °С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет. Те-

пловая нагрузка на водоем не должна быть больше, чем 12 – 17 кДж/м3.

Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) дымовые и газовые выбросы; 4) утечка нефти и нефтепродуктов.

Сточные воды представляют собой воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности людей.

Загрязнение сточными водами в результате промышленного производства, минеральными и органическими удобрениями в результате сельскохозяйственного производства, а также загрязнение коммунально-бытовыми стоками вызывает эвтрофикацию водоемов. Эвтрофикация – это обогащение водоемов питательными веществами, приводящее к чрезмерному развитию цианобактерий и водорослей. Повышение концентрации органических веществ вызывает нарушение экологического равновесия в водоёме. Вначале в таком водоёме повышается количество цианобактерий. С увеличением первичной продукции возрастает количество ракообразных, рыб и других консументов. Затем происходит отмирание большого количества организмов. На разложение их остатков расходуются все запасы кислорода, содержащегося в воде, и накапливается сероводород. В результате этого водоем может стать непригодным для существования организмов.

Сточные воды тепловой электростанции содержат органические вещества, серную кислоту, хлориды, фосфаты, взве-

46

шенные частицы. Кроме того, они могут быть загрязнены ванадием, никелем, фтором, фенолами, нефтепродуктами. Попадание этих веществ в водоем ведет к нарушению процессов самоочищения водоёмов.

Помимо химического загрязнения в результате действия энергетических установок в биосферу поступает и тепловое загрязнение. Тепловые электростанции вырабатывают энергию при помощи турбин, приводимых в движение нагретым паром. В процессе работы турбин нужно охлаждать водой отработанный пар, поэтому энергетические станции непрерывно сбрасывают воду, подогретую приблизительно на 8 – 12 С. В результате повышения температуры в водоеме интенсифицируются процессы эвтрофикации, снижается способность кислорода растворяться в воде, ускоряются химические и биологические процессы, протекающие в ней. Оценку органического загрязнения воды осуществляют косвенным путем – по количеству кислорода, необходимого для окисления органических примесей в одном литре воды. Чем больше для этого нужно кислорода, тем грязнее вода. Показатель БПК отражает биологическую потребность в кислороде за определенное время (БПК5 – за 5 суток, БПК20 – за 20 суток)

Огромную опасность представляют дымовые и газовые выбросы, оседающие из атмосферы на водную поверхность.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами вызывает появление нефтяных пятен, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей. Капля легкой фракции нефти, растекаясь по водной поверхности, образует пятно диаметром 30 – 150 см. Средние фракции нефти отравляют животных, обитающих в толще вод, а тяжелые фракции оседают на дно, поражая представителей фауны бентоса. От подвесного лодочного мотора при работе в течении 190 часов, что составляет среднее время работы за навигацию, может поступать в воду около 10 кг нефтепродуктов.

Строительство и эксплуатация гидросооружений оказывают огромное воздействие на окружающую среду. Одной из серьезных экологических проблем гидроэнергетики является

47

отчуждение значительных площадей плодородных пойменных земель под водохранилища. Это вызывает многочисленные проблемы, связанные с переселением людей из зоны затопления, естественные экосистемы в данной местности разрушаются. Значительные территории, прилегающие к водохранилищам, подвергаются подтоплению в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, заболачиваются. Одним из эффективных способов снижения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилища.

Исчезновение естественных экосистем происходит также в результате разрушения почв водой при формировании береговой линии (абразии).

Водохранилища постоянно подвергаются тепловому загрязнению. Происходит нарушение путей миграции рыб и их нерестилищ. После строительства на Волге каскада ГЭС, значение этой реки как нерестилища осетровых Каспия значительно снизилось. В водохранилищах задерживается значительная часть питательных веществ, приносимых реками. Это интенсифицирует процессы эвтрофикации водоемов. Таким образом, строительство водохранилищ вызывает серьезные нарушения гидрологического режима рек и характерных для них экосистем.

Загрязнение подземных вод может происходить следующими путями: при просачивании промышленных и хозяй- ственно-бытовых стоков из хранилищ, отстойников и др., по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д. Загрязнение подземных вод негативно отражается на экологическом состоянии поверхностных вод, почв и других компонентов природной среды.

Истощение вод представляет собой недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). Интенсивное использование

48

подземных вод в районах водозаборов и мощный отток воды из шахт, карьеров приводит к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к ухудшению речного стока, к прекращению деятельности многих родников, ручьев и малых рек. В связи с этим гибнут влаголюбивые растения. К истощению подземных вод также ведет неконтролируемый поток артезианских вод, истекающий из скважин. Нерациональное хозяйственное использование водных ресурсов и прилегающих земельных угодий может вызвать истощение поверхностных вод.

ЛЕКЦИЯ 5. ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения вредными веществами предусматривает комплекс мер: 1) разработку соответствующих законодательных актов; 2) организацию мониторинга водных объектов; 3) охрану поверхностных и подземных вод, включая очистку промышленных и бытовых стоков; 4) подготовку воды, используемой для питьевых и хозяйственных целей; 5) государственный контроль за использованием и охраной водных ресурсов.

Общая характеристика сточных вод

По происхождению сточные воды подразделяются на несколько групп: 1) хозяйственно-бытовые; 2) промышленные;

3)поверхностный сток предприятий и населенных пунктов;

4)сельскохозяйственные; 5) рудничные и шахтные воды. Каждая группа имеет свой специфический состав, в котором преобладает определённая ассоциация загрязняющих веществ.

Хозяйственно-бытовые воды содержат большое количество органических и минеральных веществ в растворенном и взвешенном состоянии. Они образуются в жилых и общественных зданиях, на предприятиях, при приготовлении пищи, после санитарных уборок, стирок и т. п. Подсчитано, что от одного жителя в сутки поступает в систему водоотведения загрязне-

49

ний: взвешенных веществ – 65 г; органических в неосветленной жидкости – 70, в осветленной – 40; азота аммонийного – 8, фосфатов – 3,3, в т. ч. от моющих веществ – 1,6; хлоридов – 9;

ПАВ – 2,5 г.

Рис. 2. Схема образования сточных вод в процессе материального производства

Среди всех видов загрязнённых водоемов наибольшее вредное воздействие вызывают промышленные сточные воды. Схема образования сточных вод представлена на рис. 2.

50