3) По степени истощения

Истощение природных ресурсов с эколог точки зрения – несоответствие между безопасными нормами изъятия природного ресурса из природных систем и потребностями человека.

Неисчерпаемые:солнечная энергия и вызванные ей природные явления.

Исчерпаемые:имеют количественные ограничения, но одни из них могут возобновляться (очистка воды, воздуха), однако другие нет: топливо, железная руда – конечные и не возобновляются. Одним из важнейших факторов выживания человека – является ограниченность и исчерпаемость важнейших для него ресурсов.

Ресурсообеспеченность.

Соотношение между величиной ресурсов и размерами их использования. Она выражается либо количеством лет, на которое должно хватить данного ресурса, или запасами – лет на душу населения. На показатели ресурсообеспечености прежде всего влияет богатство или бедность территории ресурсами, но не меньшее значение играют и масштабы потребления. По ресурсообеспеченности нельзя судить о размерах запасов, надо учитывать извлечение и т.д. Потребление природных ресурсов человеком обусловлено тем, что человек хочет снизить влияние лимитирующих факторов и развить свою антропогенную экосистему.

Атмосфера.

Антропогенное воздействие на атмосферу.

Наибольшее количество загрязняющих веществ в атмосферу выделяют промышленность, транспорт, ТЭС. Транспорт: 200 веществ- СО2, сажа, свинец и т.д. + N_хO_у. На 15 тыс. км пробега потребляется 4350 кг кислорода, выделяется 3250 СО₂, 530 СО, 98 кг углеводородов. Существенный вклад в загрязнение атмосферы вносят промышленные предприятия. Из 1 т пыли выбрасываемой в атмосферу при плавке медных руд можно извлечь 100 кг меди, несколько меньше свинца и пыли. При сжигании угля в окружающую среду выбрасываются газы с веществами больше, чем добывается из недр: магния в 3, ртути в 50, урана 10 иттрия в десятки тысяч раз.

Кислотные осадки

Называется дожди, туманы, снег, которые имеют pHменьше 7 из-за содержания в них соединений содержащих серную и азотистую кислоты. Источники: продукты сгорания топлива, выбросы химических и металлургических предприятий. Время пребыванияSO₂в атмосфере около 15 дней. Во влажной атмосфере диоксид серы образует сернистую кислоту, которая с озоном дает серную. Основное самоочищение атмосферы происходит за счет выпадения дождей и снега, а также при сухом осаждении кислых осадков в видеSO₂или газа абсорбируемого на пыли илиSO₂растворенного в каплях тумана, которым медленно образуется аэрозоль серной кислоты. Оксиды азотаNOиNO2 служат источником образования атмосферной азотной кислоты. В отличии от серной азотная дольше остается в атмосфере в газообразном состоянии, т.к. она плохо конденсируется. Пары азотной кислоты поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозолей. ЗначениеpHсреды значительно важно, т.к. во-первых, это прежде всего процессы, которые идут в живых организмах, особенно у обитателей водоемов, адаптированных кpH7. В более кислотной среде они погибают. Таким образом, изменение затрагивает пищевые цепи, сокращая популяции птиц питающихся обитателями вод, а потом хищников Во-вторых, кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Кислота, попадая на листья, нарушает восковой покров, делая растения уязвимыми для бактерий. Третье, попадая на почвенные покровы, начинается процесс выщелачивания биогенов. ПриpH4 резко снижается активность продуцентов и азотофиксаторов. При попадании в почву кислоты выщелачивают алюминий и тяж металлы, раньше находившиеся в нерастворимом состоянии. В четвертом, под воздействием кислотных осадков ускоряется процесс коррозии в строительных металлических конструкциях.

Нарушение озонового экрана

Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение солнца в диапазоне волн меньше 310 нм. Известно, что более 99% ультрафиолетового излучения солнца поглощается слоем озона на высоте в среднем 25 км от поверхности Земли. Озон образуется в стратосфере, где под воздействием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомарного кислорода. На высоте 30-35 км атомарный кислород взаимодействует с кислородом с образованием озона:

О₂ = О + О О₂ +O=O₃

Естественные процессы кругооборота озона нарушаются из-за его разрушения оксидами азота и атомами хлора. Оксид азота – ДВС, высокотемпературные технологические установки. Атомарный хлор образуется в ходе фотохимического разрушения CF₂Cl₂иCFCl₃содержащийся в холодильниках и аэрозолях.

Уменьшение озонового слоя толщина которого в среднем составляет 2-3 мм может привести к нарушению теплового баланса, оказывает влияние на биологические процессы (ожоги, разрушение иммунной и генной системы)

Парниковый эффект

Понимается специфическое явление, которое означает следующее. Солнечная радиация падающая на землю частично поглощается поверхностью суши и океаном, а 30% ее отражается в космос, причем поглощенная энергия солнечная радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая атмосфера прозрачна для инфракрасного излучения, а атмосфера, содержащая пары парниковых газов (3х атомных - вода, углекислый газ, оксиды серы и т.д.) поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит разогрев воздуха. Поэтому парниковые газы выполняют функцию стеклянного покрытия как в теплицах.

Естественный парниковый эффект создает прирост средней температуре на 30⁰С. При его отсутствии средняя температура земли составляет в наст время 15⁰С снизилась бы до -15⁰С, те началось бы обледенение. Природное равновесие содержания в атмосфере парниковых газов претерпело серьезные изменения. В наст время ежегодный прирост СО₂увеличивается на 3,4% в год. Увеличение содержания углекислого газа на 60% по сравнению с современным уровнем вызовет рост температуры на 2 градуса. Это значит что если до 2050 года потребление ископаемых топлив не сократится то концентрация СО₂ в атмосфере удвоится и температура поверхности земли увеличится на 3⁰С. К сожалению возрастает дополнительный вклад аммиака, фреонов, метана. Если темпы их роста сохранятся на современном уровне, то к 2020 году их действие будет эквивалентно удвоению концентрации углекисл газа в атмосфере. Потепление на земле по мнению климатологов за счет роста температуры на 0,1⁰С считается значительным и до 3⁰С критическим. Таяние полярных льдов приведет к повышению уровня мирового океана на 100м изменение перепада температуры между зонами полюсов и экватора нарушит естественную циркуляцию атмосферы и произойдет глобальное изменение климата.

Технологии управления качеством воздуха

Для оценки воздушной среды используется понятие Предельно Допустимой Концентрации (ПДК)

1) ПДКвоздухарабочей зоны1млг на 1м³. Это концентрация вредного вещества, которая не должна вызывать у работающих при ежедневном дыхании в течении 8 часов рабочей смены за время рабочего дня. Рабочая зона - производство на высоте 2 м над уровнем моря.

2) ПДКмаксимального уровня- концентрация в воздухе населенного пункта, которая не должна вызывать рефлекторные реакции в организме человека.

3) ПДК разовая средне суточнаяв воздухе насел пункта - концентрация вещества, которая не должна оказывать прямого или косвенного воздействия в организме человека в условиях неопределенно долгого круглосуточного дыхания.

ПДК устанавливают экспериментально с использованием подопытных животных. Для расчета ПДК рабочей зоны используют формулу:

lgПДК_врз = 0,91ЛК₅₀ + 0,1М,

где ЛК₅₀– летальная концентрация веществ, вызывающая при дыхании гибель 50% подопытных животных,

М – молярная масса вещества.

Для расчета ПДК_мриспользуется формула:

lgПДК_мр =lgx₄ – 0,21,

где х₄– порог чувствительности рефлекторного типа (порог обоняния, световой чувствительности).

Для расчета ПДК_СС:

lgПДК_СС = 0,62lgПДК_врз – 1,77.

ПДВ – предельно допустимый выброс– объем или количество загрязняющего вещества, которое выбрасывается отдельным источником за единицу времени, превышение которого ведет к превышению ПДК и как следствие приводит к неблагоприятным последствиям в окружающей среде.

ПДВ устанавливают при условии:

где С₁– концентриция вредного вещества, ПДК₁– максимально разовое, С_ф1– фоновая концентрация вещества в воздухе.

В настоящее время в большинстве производственных процессов используют открытые технологические циклы, связанные с выбросом в атмосферу твердых частиц и отходящих газов, концентрация которых определяется особенностями производства. Борьба с загрязнением ведется по 3м направлениям:

1) Применение эффективных средств рассеивания для удаления остаточных загрязнений от местонахождения людей.

2) Внедрение принципиально новых систем улавливания и очистки дымовых и полевых выбросов.

3) Совершенствование печей и других источников дымовых выбросов с целью оптимизации режима горения для снижения доли не сгоревших частиц в выбросе.

Рассеивание химических соединений

Для отвода газов и пыли используют высокие 200-250 м трубы. Их применение позволяет распределять загрязняющие вещества на большие площади снижая тем самым их общую концентрацию в атмосфере. Так, например, из трубы высотой 200 м пылевые потоки распространяются на 20 км, а из трубы 250 м на 75 км.

Распределение вредного вещества в атмосфере от организованного высокого источника выброса

1) зона неорганизованного выброса

2) зона дымового загрязнения

3 ) зона переброса факела

4) зона постепенного снижения концентрации.

Методика расчета рассеяния основана на определении концентрации загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы, которая недолжна превышать ПДК_мр: С_м<=ПДК. С_м-при выбросе нагретой газовоздушной смеси из одинокого источника с круглым устьем трубы при неблагоприятных метеоусловиях определяется по формуле:

где С_Н– концентрация (г/м³);

А – коэффициент зависящий от условий вертикального и горизонтального рассеяния (В Нижегородской области А=140-160);

М (г\с) – масса выброса в единицу времени;

F– безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания частиц в воздухе (для газаF=1, при степени очистки более 90%F= 2, менее 75%F= 3);

mиn– безразмерные коэффициенты учитывающие условия выхода смеси из источника 0.8<=m<=1.5, 1<=n<=3;

H– высота трубы, м;

∆T– разность температуры между температурой смеси и атмосферного воздуха;

V₁– обьем выбрасываемой газообразной смеси (м³\с).

ПДВ (г\с) при повышенной температуре из одинокого источника должно быть таковым, чтобы концентрация вредного вещества в приземном слое не превышала ПДК.

При этом концентрация вредного вещества возле устья трубы не должна превышать величины

Н – минимальная высота трубы.

Максимальная концентрация вредного вещества C_Нвблизи от земной поверхности при неблагоприятных условиях достигается на расстоянии:

X_max =kH,

где к – безразмерный коэффициент, среднее значение которого 20;

Н – высота трубы.

Рассеяние вред веществ в атмосферу не является эффективным средством ее защиты от загрязнения. Однако к нему до сих пор прибегают, чтобы снизить концентрацию вредных соединений. Высота трубы – важный фактор, однако следует помнить, что с увеличением высоты трубы ее стоимость возрастает пропорционально кубу высоты. Таким образом, основное внимание при проектировании промышленных предприятий следует уделять аппаратам и методам очистки газообразных и пылевых соединений.

Очистка газообразных выбросов от пыли и газообразных кислых выбрасов

Универсального способа, который бы с одинаковой эффективностью улавливал вредные вещества, нет. В зависимости от вида примеси (твердые, жидкие, газообразные) применяются различные методы очистки. Выбор также зависит от физических параметров отходящих газов (температура, влажность), от химического состава, а также от необходимой степени очистки.

Параметры характеризующие очистку воздуза

1) Степень очистки: n=(C_вх-С_вых)/С_вх. Степень очистки можно повышать если поставить несколько аппаратов.

2) Тонкость очистки – определяется диаметром улавливаемых частиц: > 50мкм - грубая, 10-50 -средняя, <10 - тонкая.

Аппараты для улавливания пыли

Работа пылеулавливающих аппаратов основана на различных механизмах улавливания пыли. Современные аппараты для обеспыливания отходящих газов можно подразделить на 4 группы:

1) Механические:

а) аппараты, основанные награвитационном осаждении. Простейшими аппаратами этого типа являются пылеулавливающие камеры.

Газовый поток в них замедляется, и частицы просто оседают в бункере устройства. Они сравнительно просты в изготовлении, но эффективность очистки настолько низка, что отдельно их почти не применяют, а используют в качестве 1ой ступени при очистке в составных системах. Их применяют для очистки от грубодисперсной пыли размер частиц которой 50-500мкм, степень очистки 40-50%.

б) Инерционные аппараты - достигается более высокая степень очистки 80-90%. Действие основано на резком изменении направления потока газа при котором частицы ударяются о перегородки внутри аппарата, выпадают вниз и выводятся из аппарата. К аппаратам этого типа относятся жалюзные аппараты.

в) Центробежныеаппараты- наибольшее распространение получил «Циклон» в цементной, угольной, металлургической промышленности для очистки газа от пыли в качестве первой ступени для очистки выброса. Принцип действия основан на отделении пыли под воздействием центробежных сил, частицы пыли образуют на стенках циклона пылевой слой, который постепенно спускается в бункер. Отделение пыли происходит при повороте газового потока на 180⁰. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит через выхлопную трубу. Циклоны не применяются для очистки влажных и взрывоопасных сред. Обычно циклоны ставят перед фильтрами и электрофильтрами. Степень очистки 85-95%.

2) Мокрые или гидравлические

а) В полыхилинасадочныхаппаратах запыленные газы пропускают через поток распыляемой разбрызгиваемой или стекаемой по насадке жидкости. Частицы пыли захватываются потоками промывной жидкости и осаждаются в аппарате, а очищенные газы выбрасываются в атмосферу. Задерживаются частицы 10мкм – средняя очистка.

б) в борботажныхилипенныхаппаратах загрязненные газы пропускают через слой жидкости или пены. Большая поверхность соприкосновения газа с жидкостью обеспечивают высокую степень очистки выше 90% - частицы более 2мкм.

в) Аппараты ударно-инерционноготипа работают по принципу инерциального осаждения частиц пыли во время преодоления очищаемыми газами препятствия или при резком изменении направления движения газового потока над поверхностью жидкости. Эффективность 98-99,6%

г)Турбулентные– используются для очистки газов от мелкодисперсной пыли (менее 1мкм) – наибольшее распространение получилСкрубберВентури.

1) конфузор; 2) горловина; 3) отверстие для ввода жидкости; 4) диффузор; 5) циклический сепаратор; 6)отстойник; 7) насос.

Запыленный газ через конфузор (1) трубы Вентури попадает в горловину (2), где скорость движения его 60-150м\с. Через отверстие (3) под давлением 0,3-1 атм в горловину вводится жидкость, которая сталкиваясь с газовым потоком, распыляется на мелкие капли диаметром 10 мкм. При соударении с частицами пыли капли, поглощающие их, укрупняются. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор (4), где скорость потока снижается до 20-25 м\с, и попадают в циклонный сепаратор (5). В сепараторе скорость газового потока уменьшается до 4-5 м\с. Капли под действием центробежной силы отделяются от газа и вместе со шламом удаляются в отстойник (6). В отстойнике вода отделяется от шлама и вновь подается насосом (7) в скруббер. В скруббере Вентури удаляются весьма тонкие частицы диаметром 1-2 мкм, или туман, образующийся в производстве серной кислоты – частицы 0,1-0,2мкм. Удаляется до 99% загрязнений.

3) Пористые фильтры

При фильтрации через пористые фильтры уловленные частицы пыли накапливаются в порах фильтрующего материала и образуют слой на его поверхности, что является дополнительным фильтрующим материалом. Такое фильтрование обеспечивает более высокую степень очистки, чем сухое или мокрое и стабильную работу в широком диапазоне температур. Промышленные фильтры делятся на два класса: тканевые и пористые.

Тканевыерукавные фильтры состоят из ряда тканевых рукавов из ворсистой шерстяной или гладкой ткани с заглушенным верхним отверстием, который закреплен в металическом кожухе. Газ проходит сквозь ткань рукава, а пыль оседает на поверхности ткани и в ее порах, откуда ее периодически удаляют путем стряхивания. Применением тканевых фильтров удаляются частицы 1-2 мкм. Взернистыхфильтрах в качестве фильтрующих материалов используют песок, гальку, шлаки, графит, древесные опилки и другое дешевое сырье. Слой может быть движущийся или неподвижный. Общий недостаток пористых фильтров – снижение фильтрующих веществ и необходимость частой регенерации.

4) Электрофильтры

Принцип действия заключен в том, что пылевидным частицам сообщается заряд, после чего они осаждаются на противоположно заряженном осадительном электроде, откуда пыль периодически удаляется - является наиболее совершенным способом очистки, позволяет удалять частицы пыли любых размеров, работать в агрессивных средах при температурах до 400⁰. Эффективность очистки 99,9%. В сухих электрофильтрах частицы пыли удаляются стряхиванием. В мокрых электрофильтрах улавливаются еще и жидкие примеси, которые удаляются с электродов водой.

Преимущество мокрых пылеуловителей

Процесс основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, который захватывает пыль и уносит ее в виде шлама.

1) небольшая стоимость и более высокая степень очистки в сравнении с сухими пылеуловителями.

2) могут быть использованы для очистки газа от твердых частиц до 1 мкм.

3) могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями как электрофильтры, но и могут быть использованы в таких условиях когда вышеуказанные аппараты не применяются: высокая температура, опасность взрыва, возгорания, а также в качестве теплообменника смешения.

Недостатки:

1) Улавливаемый продукт выделяется в виде шлама, что приводит к необходимости обработки сточных вод и следовательно удоражанию процесса очистки.

2) При осаждении очищаемых газов, а также при механическом уносе из газоочистного аппарата газовым потоком капель жидкости, пыль может осаждаться в газопроводах и системах вентиляции.

3) В случае очистки агрессивных сред аппараты и коммуникации необходимо защищать антикоррозиционными материалами.

Методы очистки газов от газообразных загрязнений.

1) Газы выбрасываемые в атмосферу разнообразны по химическому составу.

2) Имеют высокую температуру и содержат большое количество пыли.

3) Концентрация газообразных примесей чаще в вентиляционных, реже в промышленныхх переменна и низка.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей делят на 5 групп:

1) промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция);

2) промывка выбросов растворами реагентов связывающих примеси химически (хемосорбция);

3) поглощение газообразных примесей ТВ активными веществами (адсорбция);

4) термическая нейтрализация газов;

5) поглощение примесей путем применения каталитического поглощения.

Метод абсорбции.

Часто называют скрубберным процессом. Очистка заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких компонентов (абсорбантов) абсорбентом (жидким поглотителем) с образованием раствора. Этот метод широко используется для очистки от СО, СО₂,SO₂,H₂S, оксидов азота, аммиака, галогенов. Решающее условие растворения абсорбентов в абсорбенте. Для удаления таких газов какNH₃,HClи т.д. целесообразно применять воду, т.к. их растворимость в воде составляет сотни грамм на кг воды. При поглощении такого газа как сернистый ангидрид расход воды будет значителен, т.к. их растворимость в воде сотые граммы на кг воды. Иногда вместо воды применяют растворы сернистой кислоты – для улавливания паров воды. Для улавливания паров ароматических углеводородов используют вязкие масла. Все аппараты этого метода называютскрубберы.Организация контакта газа с жидким растворителем осуществляется пропусканием газа через осадочную колонну, либо распылением жидкости, либо борботажем газа через слой абсорбирующей жидкости.

Метод хемосорбции

Основан на поглощении газа или пара твердым или жидким поглотителем с образованием малолетучих и малорастворимых соединений. Примером хемосорбции может служить очистка газа от углеводорода с использованием мышьякового щелочного ряда:

Na₄As₂S₅ + O₂ + H₂S = Na₄As₂S₆O + H₂O

Регенерацию раствора проводят путем окисления кислородом:

Na₄As₂S₆O+H₂O₂=Na₄As₂S₅O₂+SO

Хемосорбция один из распространенных методом очистки газов от оксидов азота путем их абсорбции бикарбонатами щелочных металлов. Основными аппаратами являются: насадочные башни, пенные борботажные скрубберы и распылительные аппараты Вентури.

Метод адсорбции

Основан на физических свойствах твердого поглотителя с ультрамикроскопической структурой. Селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, селикагель, цемент. Адсорбенты нельзя использовать для очистки очень влажных газов. некоторые адсорбенты иногда пропитывают соответствующими реактивами повышающими эффективность адсорбции, т.к. как на поверхности адсорбентов происходит хемосорбция.

Адсорбционная установка для удаления СО₂ из топочного газа

1 – адсорбер, заполненный активированным углем. Топочный газ проходит через камеру охлаждения 2 и подогревает воздух поступающий в топку. Затем он поступает в адсорбер 1 где происходит улавливание из топочного газа SO₂. Очищенный газ из верхней части адсорбера выбрасывается в атмосферу. Адсорбент после насыщенияSO₂пересыпается в десорбер 3, где при подогреве до 300⁰-600⁰ С очищается отSO₂, те происходит регенерация активированного угля. Восстановленный адсорбент поступает в бункер 4, а затем по элеватору в адсорбер 1.

Адсорбцию широко используют для очистки SO₂, сероводорода активированным углем, для очистки паров растворителей из воздуха при окраске автомобилей, паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве гидроцелюлозы, очистке выхлопов автомобилей.

Термическая нейтрализация

Основан на способности горючих токсичных компонентов окислятся до менее токсичных при наличии кислорода и высокой температуры. Область применения ограничивается образующимися при окислении продуктов реакции. Так при сжигании газов содержащих фосфор, серу образующиеся продукты во много раз по токсичности превышают исходный газовый состав. Исходя из этого, метод термической нейтрализации применим для выбросов, которые содержат токсичные органические вещества, но не содержащие серу, галогены, фосфор. Различают 2 метода термической нейтрализации:

1) прямое дожиганиепроизводится непосредственно в факеле, либо в топках. Это используется, когда исходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии для процесса.

2) термическое окисление– применяют, когда отходящие газы имеют высокую температуру, но мало кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты необходимой для поддержание пламени. Если у отходящих газов высока температура, то дожигание производят путем подмешивания свежего воздуха. Примером служит дожигание продуктов не полного сгорания автомобильного двигателя непосредственно при выходе из цилиндров в условии добавки избыточного воздуха.

Каталитический метод

Связан с химическим превращением газовых токсичных компонентов газовоздушной смеси на поверхности катализаторов, но очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов: железо, фосфор, сера, кремний и т.д. На практике этот метод широко применяют для каталитического разложения оксидов азота. В качестве восстановителя используют метан, водород, оксид углерода и другие газовосстановители.

2NO₂ +4H₂ =N₂ +4H₂O

2NO+2H₂ =N₂ +2H₂O

Катализаторами служат сплавы платины, палладия. Широко используют для очистки выхлопа автомобилей.