Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

Таблица 1.1

Развитые и развивающиеся страны в мировом хозяйстве, %

Проблема ресурсообеспечения производства стояла и раньше (во время первой и второй технических революций), но особенно зримо она проявилась в XX веке. Лишь за семь послевоенных десятилетий из недр Земли было извлечено больше минерального вещества

итоплива, чем за весь предшествующий период истории человечества. Объем мировой добычи полезных ископаемых стал удваиваться каждые 10 ‒ 15 лет, и эта тенденция, очевидно, сохранится в ближайшие 20 лет. Так, например, в 1900 г. в мире было извлечено из недр Земли 12 млрд т минерального сырья, в 1950 г. – 60 млрд т, в 1980 г. – 120 млрд т, в 2000 г. – 280 млрд т, в 2020 г. – 360 млрд т (сюда входят

ивскрышные породы).

Научно-технический прогресс предопределил развитие новых отраслей промышленности, наукоемких направлений на базе использования редких и рассеянных элементов, радиоактивного сырья и глубокого синтеза углеводородов, а также объемов преобразования минеральных ресурсов в тепловую и электрическую энергию, в изделия, машины и металлические конструкции.

1.4. Роль минерального сырья в загрязнении окружающей среды

Статистика свидетельствует, что до 80 % трудозатрат общества приходится на получение тепла и энергии за счет добычи органического минерального сырья и менее ‒ от других источников, следова-

11

тельно, эти производства выступают основными поставщиками загрязнений в окружающую среду и ожидается, что такой процесс сохранится надолго (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Оценка годового потребления угля (1), нефти (2), газа (3) и урана (4) по данным Национальной академии наук США (в единицах вырабатываемой энергии)

В последние 25 лет ХХ века и 25 лет XXI века значительная часть органического минерального сырья помимо тепла использовалась и будет использоваться в двигателях внутреннего сгорания в разных видах транспорта. Основное количество энергии (около половины) человечество затрачивает на обеспечение функционирования транспорта и производство транспортных средств (К. Я. Кондратьев, 1989). Предположительно в 2000 – 2200 гг. основным потребителем энергии (углеводородное сырье) станет транспорт, который в настоящее время уже является основным источником поступления техногенных веществ в атмосферу.

1.5. Природные источники загрязнений воздуха

1.5.1. Рассеянные СО2 в глинах

Известно, что за счет рассеянных в глинах карбонатных минералов может образовываться огромное количество газообразной CO2. Углекислый газ выделяется при распаде неустойчивой угольной кислоты, выделяющейся при гидролизе растворимых карбонатов щелочных металлов, в основном натрия и калия, и гидрокарбонатов кальция и магния по реакциям:

Na2CO3 + 2H2O = 2NaOH + H2CO3,

K2CO3 + 2H2O = 2KOH + H2CO3. Ca(HCO3)2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3, Mg(HCO3)2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2CO3.

12

Так, например, если в 1 м3 глины гидролизуется 100 кг карбонатов, то возникнет около 23 м3 углекислоты, а при разложении 250 кг карбонатов количество газообразной CO2 достигнет 55 м3. Это означает, что из каждого кубического метра глины выделится объем газа, в 50 раз превышающий первоначальный! Дальнейшая судьба выделившейся из глины углекислоты будет, вероятно, связана с поровыми водами. При давлении в 50 атм и температуре 25 оС в 1 м3 воды растворится 27 м3 углекислоты, тогда как при увеличении давления и температуры до 400 атм и 30 оС соответственно 1 м3 воды может растворить уже 111 м3 углекислоты. В целом количество газа, растворенного в воде, возрастает прямо пропорционально увеличению давления и температуры.

Опытным путем получено, что на глубинах 5 – 6 км, где средние температуры колеблются от 200 до 300 оС, должны формироваться кремнистые растворы с высоким содержанием растворенной SiO2. Этому должно способствовать увеличение CO2 (согласно данным, полученным Е. С. Кабановой, повышение содержания углекислоты в растворе благоприятствует растворению кварца, халцедона и опала). Известно, что разложение органических веществ на глубинах 5 – 7 км сопровождается выделением CO2 и H2S, тогда можно предположить, что с участием органических веществ в глинах образуются сложные углекисло-сероводородные кремнекислые растворы, которые по разломам поступают на поверхность.

1.5.2. Продукты вулканических извержений

Продукты вулканических извержений классифицируются на газообразные, жидкие и твердые. Газообразные выделения составляют газы, содержащие серу, водород, хлор, азот, кислород, водяной пар и другие элементы. Сероводород образуется при необратимом гидролизе сульфидов, протекающем при высоких температурах с высокой скоростью, по реакции

S2- + 2H2O = H2S + 2OH-.

Свободный хлор накапливается в вулканических газах в результате окисления хлоридов натрия, калия, магния и кальция

2Cl- – 2e = Cl2.

Хлороводород выделяется при взаимодействии хлоридов с сильными кислотами, например:

CaCl2тв + H2SO4 = 2HCl + CaSO4.

13

Диоксид серы образуется при сгорании сероводорода, серы, сульфидов

S2- + 1,5O2 = SO2+ O2-, S + O2 = SO2.

На состав газов, выбрасываемых вулканами, оказывает влияние температура извержений. По данным японских вулканологов, при температуре 1200 – 800 °С выбрасываются газы O2, HCl, CO2, H2O, H2S, SO2; при температуре газов от 100 до 60 °С их разнообразие уменьшается: H2S, H2, CO2, SO2, а при более низкой температуре выделяются газы СО2, Н2 и N2. В окрестностях вулканов прослеживаются многочисленные выходы вулканических вод и газов – гейзеры, фумаролы, горячие и теплые источники, которые в составе флюидов выносят химические элементы. Например, при извержении вулканов одного СО2 поступает в атмосферу от 0,2 до 0,3·109 т. Через вулканы в составе жидкой составляющей флюидов минеральной водой на поверхность Земли выносится до 4·1015 т/г. газов (А. Т. Зверев, 1999), а через рифтовые зоны срединно-океанических хребтов – от 0,18·1018 т/г. (В. Б. Кур-

носов, 1986) до 0,25·1018 т/г. (О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1995).

В составе вулканических извержений (пепел, песок, обломки, лава и газы) в окружающую среду поступают всевозможные газообразные соединения, например: СО2 ‒ до 0,3·109 т/г., метан – 1,5– 2·106 т/г., сера – до 28·106 т/г. (по Дж. Френду).

1.6. Промышленные (антропогенные) источники загрязнений окружающей среды

Выше было сказано, что под техногенезом понимается химическое загрязнение окружающей среды поллютантами (загрязнениями), оказываемое обществом.

1.6.1. Электроэнергетика

Ежегодно объем выбросов в атмосферу составляет более 6 млн т, из которых на диоксиды серы приходится 42 %, пыль – 31 %, оксиды азота – 23,5 %. Наиболее распространенным продуктом горения азотсодержащих примесей является NO, легко окисляющийся в присутствии кислорода до более устойчивого бурого газа: 2NO + O2 = N2O4.

14

1.6.2. Черная и цветная металлургия

Деятельность черной металлургии сопровождается выбросом в атмосферу следующих компонентов: оксид углерода (67,5 %), твердые вещества (15,5 %), диоксид серы (10,8 %), оксид азота (5,4 %).

Техногенез цветной металлургии заключается в выбросе в атмосферу около 3000 тыс. т вредных веществ: диоксида серы (75% от суммарного выброса), оксида углерода (10,5 %) и пыли (10,4 %).

Черная металлургия. Для черной металлургии России совершенствование технологической структуры производства весьма актуально. Россия в этой проблеме отстала от Японии и США, в которых основной объем выплавки стали приходится на кислородно-конвертерную и электрическую плавку. Сохранение мартеновского производства металла в России привносит значительное количество загрязнений в окружающую среду, хотя прогресс в технологической перестройке структуры производства наметился (2/3 общего объема производства стали приходится на кислородно-конвертерный способ) (рис 1.2).

Рис. 1.2. Технологическая схема производства стали и выбросы вредных веществ

15

При производстве чугунного литья в атмосферу поступает с выбросами: СО – 77 кг/т; расплавленного металла и аэрозолей – 24,8 кг/т. Угарныйгазиспользуетсявкачествевосстановителяметалловизоксидов

2FeS2 + 5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2;

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2.

Всего удельных выбросов вредных веществ и энергозатрат при производстве стального литья в граммах на килограмм продукции приходится: аэрозоли – 548,7; СО2 – 1898,7; СО – 680,6; NOх – 3,53; SO2 – 22,2; СхНу – 8,6; Н2S – 0,8; HCl – 0,03; энергозатраты –

15,1 кВт·ч/кг (Защита атмосферы : справочник / под ред. С. Колверта, Г. М. Инглунда, 2001).

Цветная металлургия включает добычу, обогащение и металлургический передел руд цветных металлов, в том числе производство сплавов и переработку вторичного сырья. Источником загрязнения в технологической цепочке получения алюминия являются рудники, обогатительные фабрики, гидрометаллургические заводы и в основном технологический процесс получения металла (рис. 1.3), который обеспечивается звеньями: печи сжигания глинозема, шаровые мельницы, печи кальцинации глинозема, электролизеры (Защита ат-

мосферы…, 2001).

Рис. 1.3. Технологическая схема производства алюминия

16

Например, на тепловых станциях, использующих в качестве топлива мазут, содержащий серу, образуются вредные дымовые газы: SO2 – 4000 мг/м3, NOх – 760 мкг/м3, аэрозоли – 75 мг/м3, СО –

500 мг/м3, бенз(а)пирен – 10 мкг/м3 (Ф. В. Скалкин с соавт., 1981). Значение выбросов вредных веществ и энергозатрат при произ-

водстве алюминиевого литья в граммах на килограмм продукции со-

ставляет: аэрозоли – 3,8; СО2 – 1705,2; СО – 15,1; NOx – 22, 8; SO2 – 120,1; СxHy – 0,17; AlF3 – 1,35; энергозатраты – 58,0 кВт·ч/кг(В. Н. Луканин, 2001).

Процесс получения меди, свинца, цинка связан с добычей сырья, получением концентратов, обогащением, плавкой в электропечах и разливкой в формы. Фактором развития техногенеза этих металлов выступают источники загрязнения в технологической цепи производства (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Технологическая схема производства меди и выбросы техногенных веществ

17

В процессе производства меди образуются выбросы: SO2 – 1 – 12 %, СО – до 15 %. При производстве свинца выход вредных газов составляет: SO2 – 1% и СО – 1%. Несколько выше значения вредных газов по цинку: SO2 – 1,5 %, СО – 2 %.

1.6.3. Газовая промышленность

Отрицательное воздействие источников газовой промышленности заключается в выбросе в атмосферу оксидов углерода (28,1 % от суммарного выброса), углеводородов (25,1 %), оксидов азота (7,1 %), диоксидов серы (5,3 %).

1.6.4.Нефтедобывающая промышленность

Всреднем за год в процессе добычи углеводородов в атмосферу выбрасывается до 1650 тыс. т жидких и газообразных веществ. По составу это углеводороды (48 % суммарных выбросов в атмосферу), оксид углерода (33 %), твёрдые вещества (20 %). По данным статистической отчетности Российской Федерации, в факелах ежегодно сжигается до 20 % извлекаемого попутного (нефтяного) газа – 7,1 млрд м³.

1.6.5.Нефтеперерабатывающая промышленность

Отрицательные воздействия: загрязнение атмосферы выбросами углеводородов (73 % суммарного выброса), диоксидами серы (18 %), оксидами углерода (7 %), оксидами азота (2 %).

Производство резинотехнических изделий (РТИ). Технология производства РТИ основана на использовании более 30 видов каучуков и 100 разных ингредиентов, от синтеза которых формируются потоки загрязнений: аэрозоли (C, S, ZnO), изопрен, СО, СxHy, зола и др. (В. Н. Луканин, Ю. В. Трофименко, 2001) (рис. 1.5).

18

Рис. 1.5. Технологическая схема производства резинотехнических изделий

Фактором развития техногенеза при использовании распространенной технологической схемы получения РТИ выступает метод неполного сгорания, выбросы при котором составляют: СО – 805 – 3005 т/кг, аэрозоли – 2,04 – 4,04 т/кг, углеводороды – 74 – 104 т/кг, SO2 – 18 т/кг, H2S – 5 – 13 т/кг (Санси). Удельные выбросы вредных веществ и энергозатраты при производстве РТИ также значительны (тонн на килограмм продукции): аэрозоли – 5523, СО2 – 8607, СО – 2471, NOx – 0,7, SO2 – 437, CxHy – 152, H2S – 10,6, пары растворителей – 6138.

Продукты нефтеперерабатывающего комплекса. Результатом деятельности предприятий нефтеперерабатывающей отрасли промышленности является широкий ассортимент продуктов для общества. Наряду с этим в окружающую среду попадают наиболее типичные техногенные загрязнители: сероводород, диоксид серы, фенол, углеводороды (табл. 1.2).

19

Таблица 1.2

Приоритетный список вредных выбросов предприятий нефтеперерабатывающей отрасли (А. А. Абросимов, 2002)

Примечание. В таблице использованы следующие обозначения: Г1 – коэффициент токсичности вредного вещества: Г1 = Мг / ПДКм.р., (т м3)/(г.мг), где Мг – суммарный выброс вредного вещества за год, т/г, ПДКм.р. – максимальная разовая ПДК, мг / т3 ; Г2 – относительная токсичность вредного вещества, определенная относительно общей массы выбросов.

О характере типичных выбросов вредных веществ в атмосферу факельными установками нефтеперерабатывающих заводов свидетельствуют данные, полученные А. А. Абросимовым для ряда нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Выбросы вредных веществ в атмосферу с факельных установок