Раздел 2 Охрана окружающей среды

 

Не обвиняйте природу, она сделала

свое дело, делайте теперь свое.

Д. Мильтон

Глава 4. Защита биосферы от загрязнений

Глава 5. Основы рационального природопользования

Глава 6. Экологический менеджмент

Глава 7. Экологический маркетинг

Глава 8. Экологическое право

 

Глава 4. Защита биосферы от загрязнений

 

Основные виды загрязнений природной среды

 

Чтобы обеспечить свое существование, человечество должно иметь пищу, воду, кров, одежду и т.д. Все это с неизбежностью предполагает образование различного рода отходов, которые поступают в окружающую среду. Во избежание ненужного, а порой и непоправимого ущерба, наносимого природной среде, такое воздействие на среду должно тщательно планироваться. При этом следует сочетать удовлетворение потребностей человека за счет природы с активной защитой природной среды от последствий человеческой деятельности. Как правило, эти цели не исключают друг друга, хотя в некоторых случаях приходится принимать компромиссные решения. Например, количество отходов, приходящихся на типичный американский город с населением 1 млн человек, является поразительным (рис. 4.1). Ежедневно в городскую канализацию поступает 80% количества воды, которое приходится на одного жителя (0,6 т); образуется 150 т сажи, зольной пыли и других загрязнителей воздуха и 2000 т твердых отходов.

Теоретически в условиях города возможно избежать загрязнения окружающей среды: получать чистую воду из сточных вод, а на иле сточных вод выращивать сельскохозяйственную продукцию. Даже СО₂ и Н₂О, выделяемые при дыхании, можно было бы превратить с помощью растений и водорослей в углеводы и кислород. Однако согласно законам термодинамики такое изолированное существование веществ не может продолжаться бесконечно долго.

 

Любая деятельность человека оказывает воздействие на суммарные ресурсы Земли. Казалось бы, в результате такой деятельности ресурсы Земли должны иссякнуть. Однако не следует забывать, что Земля постоянно получает приток новой энергии, источником которой является Солнце.

Таким образом, деятельность человека причиняет ущерб окружающей среде независимо от его добрых намерений и задача состоит в том, чтобы сделать последствия этой деятельности наименее пагубными.

Загрязнения окружающей среды (ОС) можно классифицировать (рис. 4.2) на физические (шум, вибрации, различные виды излучений) и химические (различные вещества: в воздухе – это токсичные газы и пары, в воде и почве – ионы тяжелых металлов).

 

Защита атмосферы

 

Характеристика атмосферы и виды загрязнений. Огромное число вредных веществ находится в воздухе, которым мы дышим.

 

Это и твердые частицы, например частицы сажи, асбеста, свинца, и взвешенные жидкие капельки углеводородов и серной кислоты, и газы, такие, как оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы. Все эти загрязнения, находящиеся в воздухе, оказывают биологическое воздействие на организм человека: затрудняется дыхание, осложняется и может принять опасный характер течение сердечно-сосудистых заболеваний. Под действием одних содержащихся в воздухе загрязнителей (например, диоксида серы и углерода) подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том числе известняк и металлы. Кроме того, может измениться облик местности, поскольку растения также чувствительны к загрязнению воздуха.

Смог (от англ. smoke – дым и fog – туман), нарушающий нормальное состояние воздуха многих городов, возникает в результате реакции между содержащимися в воздухе углеводородами и оксидами азота, находящимися в выхлопных газах автомобилей.

Таблица 4.1 и рис. 4.3 позволят вспомнить нормальный состав и строение атмосферы Земли.

Земная атмосфера подразделяется на слои в соответствии с их температурой. На рис. 4.3 высота слоев указана приблизительно, поскольку она меняется в зависимости от точки отсчета.

 

 

 

К основным загрязнителям атмосферы, которых, по данным ЮНЕП*, ежегодно выделяется до 25 млрд т, относят:

· диоксид серы и частицы пыли – 200 млн т/год;

· оксиды азота (N_xO_y) – 60 млн т/год;

· оксиды углерода (СО и СО₂) – 8000 млн т/год;

· углеводороды (С_xН_у) – 80 млн т/год.

* ЮНЕП – Программа ООН по окружающей среде.

 

Оксид серы IV SO₂. При растворении в воде образует кислотные дожди: Н₂О + SO₂ = H₂SO₃. Выделяется в атмосферу в основном в результате работы теплоэлектростанций (ТЭС) при сжигании бурого угля и мазута, а так же серосодержащих руд - PbS, ZnS, Cus, NiS, MnS и т.д.

При сжигании угля или нефти содержащаяся в них сера окисляется, при этом образуются два соединения - диоксид серы и триоксид серы. В процессе первоначального горения топлива до триоксида серы окисляется менее 3% серы. Кислотные дожди губят растения, закисляют почву, увеличивают кислотность озер. В Норвегии, например, в 80-е годы из-за кислотных дождей погибло много рыбы, в этом была и большая доля вины российских предприятий (в основном, комбината «Североникель», расположенного на Кольском полуострове). Большую озабоченность вызывает в России огромный трансграничный перенос серы с Запада, составляющий примерно 2 млн. т. оксидов серы – 10 млн. т. сульфатов в год, так как воздушные массы с Запада в нашу страну в связи с розой ветров в 7 – 10 раз превышают наши воздушные массы в Европу. Это в основном страны Восточной Европы и Украина, энергетика которых базируется на бурых углях.

Россия входит в конвенцию по SO₂ и участвует во всех процессах, способствующих снижению выбросов окислов серы в атмосферу. В основном это строительство заводов по производству серной кислоты по схеме: диоксид серы – триоксид серы – серная кислота. Используя оксиды серы как вторичное сырье, человечество для производства такого необходимого ему во многих отраслях промышленности продукта, как серная кислота, перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.

Подсчитано, что в 80-е годы человечеству было необходимо получать около 25 млн. т. серной кислоты в год (например, для получения синтетических моющих средств и других продуктов), а выброс оксидов серы в то же время составил 15,6 млн. т. в год, больше чем необходимо для производства указанного выше количества серной кислоты.

Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе порядка 100 мкг. на кубометр, что нередко имеет место в городах, растения приобретают желтоватый оттенок. Отмечено, что заболевания дыхательных путей, например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в воздухе.

Разработано большое число методов для улавливания двуокиси серы из отходящих дымовых газов. Весьма привлекательными оказались скрубберные установки, дающие отходы в виде продуктов, имеющих спрос на рынке: один из таких скрубберов производит серу высокой чистоты, другой – разбавленную серную кислоту. Последнюю невыгодно перевозить на большие расстояния, но высокочистая сера, которая находит применение при производстве лекарственных препаратов, промышленных реагентов, удобрений в развитых странах привлекает и потребителей из-за рубежа.

В России пока удалось решить эту проблему на большей части европейской территории. В азиатской части, где трудно решить вопросы с транспортировкой серной кислоты, например, огромные массы SO₂ комбината «Норильский никель», которые выбрасывают высокие (до 100 м) трубы, достигают Канады через Северный полюс. Эта проблема в разных регионах России требует срочного решения. В Москве, например, на единственном нефтеперерабатывающем заводе в Капотне с 1997 г. запрещено использовать серосодержащие нефтепродукты.

Оксиды азота (NxOy). В природе оксиды азота образуются при лесных пожарах. Высокие концентрации оксидов азота в городах и окрестностях промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. В значительном количестве оксиды азота выделяют ТЭС и двигатели внутреннего сгорания. Выделяются оксиды азота и при травлении металлов азотной кислотой. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты – еще два источника выбросов оксидов азота в атмосферу.

Загрязняют атмосферу:

· N₂O – оксид азота I (веселящий газ), обладает наркотическими свойствами, используется при хирургических операциях;

· NO – оксид азота II, действует на нервную систему человека, вызывает паралич и судороги, связывает гемоглобин крови и вызывает кислородное голодание;

· NO₂, N₂O₄ – оксиды азота V (N₂О₄= 2NО₂), при взаимодействии с водой образуют азотную кислоту 4NO₂ + 2Н₂О + О₂ = 4HNО₃. Вызывают поражение дыхательных путей и отек легких.

Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога. К фотохимическим процессам относятся процессы образования пероксиацетилнитратов (ПАН). При концентрациях ПАН 0,1–0,5 мг/м³ они могут вызывать раздражение слизистой оболочки глаз и гибель растений, что характерно для южных солнечных городов.

Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В период высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выбросов в атмосферу оксидов азота и углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом, обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.

Наблюдается большое количество заболеваний верхних дыхательных путей у населения, подвергавшегося воздействию высоких уровней оксидов азота, по сравнению с группой людей, которые находились в условиях меньшей концентрации N_хO_y, a концентрации других загрязнителей были такими же.

Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей (эмфизема легких, астма), а также страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, более чувствительны к прямым воздействиям оксидов азота.

Оксид углерода II (СО). Концентрация оксида углерода II в городском воздухе больше, чем любого другого загрязнителя. Однако поскольку этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, наши органы чувств не в состоянии обнаружить его.

Самый крупный источник оксида углерода в городах – автотранспорт. В большинстве городов свыше 90% СО попадает в воздух вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе по реакции: 2С+О₃ = 2СО. Полное сгорание дает в качестве конечного продукта диоксид углерода: С + О₂ = СО₂.

Другой источник оксида углерода – табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Доказано, что курильщик поглощает вдвое больше оксида углерода по сравнению с некурящим.

Оксид углерода вдыхается вместе с воздухом или табачным дымом и поступает в кровь, где конкурирует с кислородом за молекулы гемоглобина. Оксид углерода соединяется с молекулами гемоглобина прочнее, чем кислород. Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше гемоглобина связывается с ним и тем меньше кислорода достигает клеток. По этой причине оксид углерода при повышенных концентрациях представляет собой смертельно опасный яд.

Типичный автомобильный двигатель середины 60-х годов выбрасывал с выхлопными газами в среднем 73 г оксида углерода на каждые 1,5 км пробега. К 1981 г. выброс оксида углерода новыми автомобилями достиг уровня всего 3,4 г на 1,5 км (данные США).

Для достижения установленного стандарта выхлопные газы смешиваются с воздухом в присутствии катализатора. Дальнейшее окисление оставшегося оксида углерода происходит в каталитическом преобразователе (Pt/Pd – платина-палладий). Именно такая система в настоящее время повсеместно выбрана для уменьшения выбросов СО в атмосферу. В Москве, например, по решению мэрии не оформляют покупку автомобилей иностранных марок до 1985 г. выпуска, т. е. без установленных каталитических дожигателей на выхлопные газы. В США годовые выбросы оксида углерода постепенно уменьшались начиная с 1976 г., по мере того как новые модели автомобилей с каталитическими преобразователями выхлопных газов сменяли старые, менее эффективные модели; общий выброс СО автотранспортом США сократился с 64,3 млн т в 1976 г. до 47,7 млн т в 1983 г., т.е. на 25%. Одна из причин столь небольшого снижения связана с общей длиной пробега автомобилей, которая ежегодно возрастает из-за постоянного роста числа автомобилей на дорогах и улицах. Эффективность каталитических преобразователей со временем уменьшается и необходимо регулярно осуществлять повторные проверки выхлопных газов автомобилей на содержание СО. Борьба за качество воздуха во всех странах продолжается, поскольку пробег автомобилей непрерывно растет. Этот неограниченный рост можно было бы сократить за счет создания новых систем общественного транспорта, привлекательных для населения и способных широко развиваться, или перехода на электромобили.

Оксид углерода IV (СО₂). Влияние углекислого газа (СО₂) связано с его способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК) в диапазоне длин волн от 700 до 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою энергию от Солнца в лучах видимого участка спектра (от 400 до 700 нм), а отражает в виде длинноволнового ИК-излучения.

С 1850 г. содержание СО₂ в атмосфере возросло с 0,027 до 0,033% в связи с техногенной деятельностью. Человечество сожгло в XX в. ископаемых видов топлива столько, сколько за весь период своего существования до XX в. Поглощая ИК-излучение, СО₂ действует как парниковая пленка.

Подсчитано, что если к 2000 г. среднегодовая температура возрастет на 1°С, то в результате таяния ледников уровень Мирового океана поднимется на 1,5 м. К счастью, накопление углекислого газа в атмосфере идет в 2–3 раза медленнее, чем это подсчитано теоретически.

Механизмом вывода углекислого газа из атмосферы является поглощение его в результате фотосинтеза растений, а также связывание его в океанских водах по реакции: СО₂+Н₂О+ Са²⁺ = =СаСО₃+2Н⁺.

Пыль. Причины основных выбросов пыли в атмосферу – это пыльные бури, эрозия почв, вулканы, морские брызги. Около 15– 20% общего количества пыли и аэрозолей в атмосфере – дело рук человека: производство стройматериалов, дробление пород в горнодобывающей промышленности, производство цемента, строительство. Например, во Франции приблизительно 3% общего объема производимого цемента выбрасывается в атмосферу (около 100 т в год). Пыль, осевшая в индустриальных городах, содержит 20% оксидов железа (Fе₂О₃), 15% оксида кремния (SiO₂) и 5% сажи (С). Промышленная пыль часто включает также оксиды различных металлов и неметаллов, многие из которых токсичны (оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, теллура).

Американский эколог О. Бартон так охарактеризовал проблему, связанную с запыленностью атмосферы: «Одно из двух: либо люди сделают так, что в воздухе станет меньше дыма, либо дым сделает так, что на Земле станет меньше людей».

Пыль и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и затрудняют отвод тепла от Земли. Например, так называемые смоги в очень населенных южных городах (Мехико – 22 млн жителей и др.) снижают прозрачность атмосферы в 2–5 раз.

Кислород (О₂). Кислород на Земле создан самой жизнью. Рис. 4.4 иллюстрирует историю происхождения кислорода на планете Земля. Примерно 2 млрд лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере начало возрастать. После того как из части атмосферного кислорода сформировался защитный озоновый слой, начали развиваться наземные растения и животные. С течением времени содержание кислорода в атмосфере значительно менялось, поскольку менялись уровни его образования и использования [30].

 

Главным продуцентом кислорода на Земле служат зеленые водоросли поверхности океана (60%) и тропические леса суши (30%). Тропические леса Амазонки называют легкими планеты Земля. Ранее в литературе высказывались опасения, что возможно уменьшение количества кислорода на Земле вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива. Но расчеты показывают, что использование всех доступных человеку залежей угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не более чем на 0,15% (с 20,95 до 20,80%). Другая проблема – вырубка лесов, приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые живут за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих растений имеет только 45% кислорода, Швейцария – 25%.

Озон (О₃). Озон образуется в верхних слоях стратосферы и в нижних слоях мезосферы в результате протекания следующих реакций:

О₂ + hv (=240 нм) = О + О,

O₂ + О + М,

где М – различные составляющие атмосферы, например, кислород или азот.

Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмосфере согласно реакциям:

O₃ + hv (380 нм) = О₂ + О,

О₃ + О = 2O₂,

О + О + М = O₂+М.

Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена. Общее содержание озона иногда выражают как число молекул, получаемое в результате суммирования по всем широтам, долготам и высотам. На сегодняшний день это количество приблизительно равно 4·10³⁷ молекул озона. Наиболее распространенной количественной оценкой состояния озона в атмосфере является толщина озонного слоя Х – это толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям, которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется от 2,5 до 5 относительных мм. Области с уменьшенным содержанием на 40–50% озона в атмосфере называют «озоновыми дырами».

Около 90% озона находится в стратосфере. Долгое время считалось, что основной причиной истощения озонного слоя являются полеты космических кораблей и сверхзвуковых самолетов, а также извержения вулканов и другие природные явления.

Разрушительное действие хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) на стратосферный озон было открыто в 1974 г. американскими учеными – специалистами в области химии атмосферы Ш. Роулендом и М. Молина (в 1996 г. за открытия в этой области им присуждена Нобелевская премия). С тех пор не раз предпринимались попытки ограничить выброс ХФУ в атмосферу, и тем не менее сейчас во всем мире ежегодно производится около миллиона тонн газообразных веществ, способных разрушить озонный слой.

ХФУ, часто встречающиеся в быту и в промышленном производстве, – это пропелленты в аэрозольных упаковках, хладоагенты (фреоны) в холодильниках и кондиционерах. Они применяются и при производстве вспененного полиуретана, и при чистке электронной техники.

Постепенно ХФУ поднимаются в верхний слой атмосферы и разрушают озонный слой – щит атмосферы, спасающий от УФ-излучения. Время жизни двух самых опасных фреонов – Ф-11 и Ф-12 – от 70 до 100 лет. Этого вполне достаточно, чтобы в ближайшее время ощутить на себе последствия сегодняшней экологической неграмотности. Если, сохранятся современные темпы выброса ХФУ в атмосферу, то в ближайшие 70 лет количество стратосферного озона уменьшится на 90%. При этом весьма вероятно, что:

· рак кожи примет эпидемический характер;

· резко сократится количество планктона в океане;

· исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;

· УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.

Все это нарушает равновесие во многих экосистемах Земли, из-за фотохимического смога ухудшится общее состояние атмосферы, усилится «парниковый эффект».

ХФУ – высокостабильные соединения и поскольку они не поглощают солнечное излучение с большой длиной волны, они не могут подвергнуться его воздействию в нижних слоях атмосферы, но, преодолев защитный слой, поднимаются вверх по атмосфере и коротковолновое излучение высвобождает из них атомы свободного хлора. Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:

Сl + О₃ = СlO + O₂,

СlO + О = Сl + O₂.

Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора способен разрушить до 100 000 молекул озона. Канцерогенным является УФ-излучение с длиной волны короче 320 нм. Ожидается, что каждый процент сокращения озонного слоя повлечет за собой увеличение числа случаев заболевания раком кожи на 5–6%.

Основные санитарные требования к качеству атмосферного воздуха. Основным критерием контроля качества атмосферного воздуха является ПДК токсичных веществ. При санитарной оценке качества атмосферного воздуха принято выражать содержание загрязняющих веществ в мг на м³ воздуха. Это выражение концентрации применимо для любого агрегатного состояния примесей. За рубежом, например в США, часто пользуются другой концентрацией:

 

 

где М – молекулярная масса загрязнителя;

22,4 – объем в литрах 1 моля газа при 25°С и 760 мм рт. ст.

Критерием оценки влияния выбросов предприятий на окружающую среду является уровень практических концентраций примесей в атмосфере, полученных в результате рассеивания выбросов, по сравнению с предельно допустимыми.

Для атмосферного воздуха установлены соответствующие значения ПДК.

Концентрация вредных веществ в воздухе производственных помещений не должна превышать ПДК_р.з., в воздухе для вентиляции производственных помещений – 0,3 ПДК_р.з.; в атмосферном воздухе населенных пунктов – ПДК _м.р.; в зоне отдыха и курортов - 0,8 ПДК _м.р..

Нормы ПДК служат исходной базой для проектирования и экспертизы новых машин и механизмов, технологических линий, промышленных сооружений и предприятий, а также для расчета вентиляционных, газопылеулавливающих и кондиционирующих систем, контролирующих приборов и систем сигнализации.

Основные организации, контролирующие выбросы предприятий в атмосферный воздух, – санитарно-эпидемиологические станции (СЭС); территориальные управления Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Государственная инспекция по контролю за работой газоочистных и пылеулавливающих установок.

Для предотвращения загрязнения атмосферы введены нормативы на выбросы вредных веществ непосредственно из каждого источника (труба, шахта и т.д.). Государственным стандартом (1990 г.) установлены величины предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферу:

ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени (г/с), которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающей значение ПДК. Это научно-технический норматив для конкретного источника загрязнения, обязательный для данного предприятия.

Если в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина ПДВ по объективным причинам не может быть достигнута, то фактический выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).

Нормативные выбросы вредных веществ устанавливают для каждого источника загрязнения в г/с и для всего предприятия в целом (т/год). При установлении ПДВ или ВСВ необходимо учитывать фоновые концентрации, значения которых определяются для предприятия территориальными организациями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для городов с населением меньше 250 тыс. человек приняты следующие нормы фоновых концентраций основных токсикантов:

SО ₂ – 0,1 мг/м³ СО – 1,5 мг/м

NО₂ – 0,03 мг/м³ пыль – 0,2 мг/м³

Методика для расчета ПДВ основана на применении модели, которая учитывает индивидуальные свойства загрязнителя (ПДК_м.р.); фоновую концентрацию С_ф; геометрические размеры источника загрязнения (h – высота, м; D – диаметр устья, м); условия выхода газового потока из источника (Т – разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, V – средняя скорость выхода смеси из устья источника, м/с); W, f – условия вертикального и горизонтального рассеивания вредного вещества в атмосферном воздухе; А, – показатель относительной агрессивности; F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе; п – коэффициент, учитывающий рельеф местности.

Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей. Основное направление защиты воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами – создание новой безотходной технологии с замкнутыми циклами производства и комплексным использованием сырья.

Многие действующие предприятия используют технологические процессы с открытыми циклами производства. В этом случае отходящие газы перед выбросом в атмосферу подвергаются очистке с помощью скрубберов, фильтров и т.д. Это дорогая технология, и только в редких случаях стоимость извлекаемых из отходящих газов веществ может покрыть расходы на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.

Наиболее распространены при очистке газов адсорбционные, абсорбционные и каталитические методы.

Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО₂, СО, оксидов азота, 8O₂, от взвешенных частиц.

· Очистка газов от СО₂.

а) Абсорбция водой. Простой и дешевый способ, однако эффективность очистки мала, так как максимальная поглотительная способность воды – 8 кг СО₂ на 100 кг воды.

б) Поглощение растворами этанол-аминов по реакции:

2R – NH₂ + СО₂ + Н₂О → (R – NH₃)₂СО₃.

В качестве поглотителя обычно применяется моноэтаноламин.

в) Холодный метанол СН₃ОН является хорошим поглотителем СО₂ при -35°С.

г) Очистка цеолитами типа СаА. Молекулы СО₂ очень малы (d = 3,1 ). Для извлечения СO₂ из природного газа и удаления продуктов жизнедеятельности (влаги и СО₂) в современных экологически изолированных системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.) используются молекулярные сита типа СаО.

· Очистка газов от СО.

а) Дожигание на Pt/Pd (платино-палладиевом) катализаторе:

2СО + О₂ → 2СО₂.

б) Конверсия (адсорбционный метод):

СО + Н₂О → СО₂ + H₂.

· Очистка газов от оксидов азота.

В химической промышленности очистка от оксидов азота на 80% и более осуществляется в основном в результате превращений на катализаторах.

а) Окислительные методы основаны на реакции окисления оксидов азота с последующим поглощением водой и образованием НNО₃:

окисление озоном в жидкой фазе по реакции:

2NO + О₃ + Н₂О → 2 НNО₃;

окисление кислородом при высокой температуре:

2NO + О₂ → 2NО₂.

б) Восстановительные каталитические методы основаны на восстановлении оксидов азота до нейтральных продуктов в присутствии катализаторов или под действием высоких температур в присутствии восстановителей. Процесс восстановления можно представить в виде следующей схемы:

N₂О₅ → N₂О₄ → NО₂ → NO N₂ +О₂.

-11°C 21,5°C 140°C 600°C ^{10 000°С}

Разложение оксидов азота до нейтральных соединений (2NO → N₂ + О₂) происходит в потоке низкотемпературной плазмы (10 000°С). Этот процесс при более низких температурах в присутствии катализатора протекает в двигателях внутреннего сгорания. Присутствие восстановителей в зоне реакции (угля, графита, кокса) также понижает температуру реакции восстановления. При температуре 1000°С степень разложения N0 в реакции С + 2NO → СО₂ + N₂ составляет 100%.

При температуре выхлопных газов автомобиля в двигателе внутреннего сгорания возможна реакция:

2NO + 2СО → N₂ + 2СО₂.

в) Сорбционные методы.

Это адсорбция оксидов азота водными растворами щелочей и известью СаСО₃ и адсорбция оксидов азота твердыми сорбентами (угли, торф, силикагели, цеолиты).

· Очистка газов от SO₂.

ТЭС мощностью 1 млн кВт при работе на каменном угле выбрасывает в атмосферу 11 тыс. т SO₂, на газе – 20% этого количества.

Очистка дымовых газов электростанций обходится сейчас приблизительно в 300–400 тыс. руб. за 1 кВт в год. Снижение доли серы в нефтепродуктах на 0,5% обходится при этом в 30 тыс. руб. на 1 т. Методы улавливания SO₂ требуют больших затрат, их можно разделить на аммиачные, нейтрализации и каталитические.

Эффективность очистки зависит от множества факторов: парциальных давлений SO₂ и O₂ в очищаемой газовой смеси; температуры отходящих газов; наличия и свойств твердых и газообразных компонентов; объема очищаемых газов; наличия и доступности хемосорбентов; потребности в продуктах утилизации SO₂; требуемой степени очистки газа.

· Очистка газов от взвешенных частиц, например, пыли.

Можно выделить несколько методов улавливания частиц пыли:

гравитационное оседание;

центрифугирование;

электростатическое оседание;

инерционное соударение;

прямой захват;

диффузия.

Все процессы очистки осуществляются с помощью специальных фильтров, скрубберов и т.д.

 

Защита гидросферы

 

Характеристика гидроресурсов и сточных вод. Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10^-3 % общей массы планеты.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнана. Без воды человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания

1 т пшеницы – 1500 т

1 т риса – 7000 т

1 т хлопка – 10 000 т

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется воды на производство

1 т чугуна –50–150т

1 т пластмасс – 500–1000 т

1 т цемента – 4500 т

1 т бумаги – 100 000 т

На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн т/год.

Указанные производства требуют только пресную воду. Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете; 85% – морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% – льды; 22,4% – грунтовые воды; 0,35% – атмосфера; 5,05% – устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10^-2% всей пресной воды на Земле.

Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

Проблема Каспия – хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме – Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.

Проблема Азовского моря – увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась с 9 до 15,6 ррт. Организмы, питающие рыбу, погибают. Результат – снижение возможности рыболовства на Азовском море.

Проблема Байкала – воду этого ценнейшего озера используют для получения целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей. Обычно в пресной воде содержание солей составляет 300–450 мг/л, в питьевой – 380 мг/л. Байкал после строительства целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске стал загрязняться (60-е годы). В озере Байкал находится несколько сот эндаминореликтов – редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С запозданием разработаны уникальные очистные сооружения, стоимость которых составила 30% стоимости основных фондов производства. Однако принимаемые меры недостаточны для защиты Байкала.

По количеству солей вода делится на: пресную (< 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (> 25). В океане, например, – 35 г/л; Балтийском море – 8–16 г/л; Каспийском – 11–13 г/л; Черном – 17–22 г/л.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет, даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например, в Северном Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2–3 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения. Так, в Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5–5,0 г/л.

Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.

Громаден объем сброса дренажных вод. К 2000 г. он составит 25–35 км³. Системы орошения потребляют обычно 1–2 тыс. м³/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса промышленных стоков. По данным за 1996 г. в России объем промстоков был равен стоку такой большой реки, как Кубань.

Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды. В среднем в городах с населением 1 млн человек, по данным США, потребляется 200 л/сутки воды на человека, по другим городам, л/с. (литр/сутки):

Москва – 400 Лондон – 170

С.-Петербург – 500 Париж – 130

Берлин – 250 Брюссель – 85

Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К важнейшим из них относятся:

· осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

· окисление (минерализация) органических примесей;

· окисление минеральных примесей кислородом;

· нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

· гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Основные характеристики сточных вод, влияющие на состояние водоемов: температура, минералогический состав примесей, содержание кислорода, мл, рН (водородный показатель), концентрация вредных примесей. Особенно большое значение для самоочищения водоемов имеет кислородный режим. Условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Сточные воды характеризуются следующими признаками:

· мутность воды – определяется с помощью мутномера: исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;

· цветность воды – определяется сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;

· сухой остаток – масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды (мг/л);