Химические методы

Защита атмосферы (Вопрос 3)

Защита гидросферы (Вопрос 2)

Вводная (Вопрос 1)

Лекции

Экология – наука о взаимоотношении живых организмов с неживой средой их обитания.

Биосфера – наружная оболочка Земли, включающая в себя область распространения жизни, т.е. все живые организмы и неживую среду их обитания.

3 типа вещества в биосфере:

- косное (неживое)

- биокосное (возникшие из неживого)

- живое

Факторы окружающей среды: биотические (живой природы) и абиотические (неживой природы).

Фотосинтез – это синтез органических веществ из неорганических, осуществляемый при участии пигмента хлорофилла и сопровождается поглощение энергии солнечного УФ и выделением молекулярного кислорода. nCO₂ + mH₂O à Cn(H₂O)m + nO₂

2 типа питания живых организмов: Автотрофное (самостоятельное, основывается на потребление неорганических веществ, различают а) хемоавтотрофы – синтезируют органические вещества из неорганических, используя энергию которая выделяется при химических реакциях; б) фотоавтотрофы – синтезируют органические вещества из неорганических, используя энергию солнечного УФ) и Гетеротрофное (основано на потреблении органических веществ, различают: а) консументы – потребители; б) детритофаги – используют в пищу органическое вещество отходов и трупов; в) редуценты – разлагают компоненты гумуса до биогенных неорганических веществ).

Экосистема – единый природный комплекс, в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменов веществ и энергией.

Классификация экосистем:

- глобальные (биосфера, мировой океан)

- мезоэкосистемы (лесной массив, пруд)

- микроэкосистемы (пень с редуцентами)

Ноосфера – это земное планетарное и космическое пространство, которое создается и управляется человеком.

Глобальные проблемы экологии:

- Изменение состава атмосферы и климата планеты

- Загрязнение гидросферы

- Загрязнение литосферы и почвы

- Изменение биоты

- Проблемы связанные с производством электроэнергии

- Проблемы связанные с развитием транспорта

- Урбанизация (рост населенных пунктов)

- Проблемы в сельском и лесном хозяйствах

Задачи экологии:

- Прогнозирование изменений состава окружающей среды в результате антропогенного воздействия

- Разработка научных концепций охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

- Наблюдение за состояние окружающей среды – экологический мониторинг

Классификация систем мониторинга:

- глобальный (наблюдение со спутника)

- национальный (общегосударственный)

- региональный (в пределах региона)

- локальный (в пределах предприятия или рабочего места)

Классификация загрязнений окружающей среды:

- механическое (мусор)

- химическое

- физическое (изм. физических характеристик окр. среды, разделяют: световое, шумовое, тепловое, электромагнитное, радиационное, вибрация)

- биологическое и микробиологическое

ПДК – максимальное содержание вещества, которое не оказывает отрицательное воздействие на человека и окружающую среду в целом. Единицы измерения: для атмосферы [мг/м³]; для гидросферы [мг/л]; для литосферы [мг/кг].

Виды опасности в зависимости от величины ПДК:

1 – черезвычайноопасные

2 – высокоопасные

3 – умеренноопасные

4 – опасные

Гидросфера – водная оболочка Земли, занимающая более 70% поверхности земного шара.

Масса гидросферы: 1,4 * 10¹⁸ тонн

94% - вода мирового океана, 4% - подземные воды, 1,6% ледниковые покровы полюсов и горные ледники, 0,4% - поверхностные воды рек, озер, болот и тп.

На долю пресных вод приходится 2,5%, из которых 70% труднодоступно.

Значение гидросферы: она является средой обитания многих живых организмов.

Роль воды в жизни человека: водопотребление (забор воды из водостока) и водопользование (использование водоемов в качестве зон отдыха, транспортных артерий и тп)

Структура водопотребления:

60% промышленность

20% коммунально-бытовое хозяйство

12-13% с/х

и прочее

Загрязняющие вещества водоемов:

Загрязняющие вещества:

1.органические соединения: нефть и нефтепродукты, жиры и масла, фенолы, пестициды, Наиболее опасным является нефть. Ежегодно в мировой океан поступает от 5 до 10 млн тонн нефти, 20% мирового океана покрыто пленкой нефти

2.нефтеорганичесские вещества: нитраты и нитриты, фосфаты, хлориды. Поступают со стоками промышленных предприятий и с атмосферными стоками.

Эвтрофикация – процесс повышения биологической продуктивности водоема в следствии увеличения содержания в нем биогенных веществ

В последствии эвтрофикации является возникновение бескислородных зон бактериальное загрязнение, замещение видов

3.Металлы: железо, магний и алюминий, а также медь, цинк, никель, кадмий, ртуть и т.д. Поступают со стоками промышленных предприятий являющихся протоплазменным.

Причины загрязнения водоемов РФ

1.неудовлетворительное техническое состояние очистных сооружений

2.возростание затрат преувеличение степени чистки сточных вод

Водные ресурсы РФ

1.озера (Байкал 20% пресной воды)

2.водохранилища 5,5 млн га

3.речной сток 530тыс км2

Наиболее загрязненной рекой РФ является Волга

Классификация сточных вод

1.по происхождению:

а) промышленные

б)коммунально-бытовые

в) атмосферные

2.по газово – дисперсионному состоянию

а) взвеси –суспензии и эмульсии

б) коллоидные растворы

Основные показатели качества воды:

1. Кислотность [pH]

2. Жесткость [мг экв/л]

3. Температура [^оС]

4. Сухой остаток [мг/л]

5. Цветность [градус цветности]

6. Мутность [мг/л]

7. Прозрачность [см]

8. Растворимый кислород [мг О₂/л]

9. Химическое потребление кислорода [мг О₂/л]

10. Биохимическое потребление кислорода [мг О₂/л]

11. Концентрация примесей [мг/л]

Методы очистки сточных вод:

I. Механические методы. 1) Отстаивание – очистка сточных вод от взвешенных частиц (песка) Осуществляется под действием гравитационных сил в специальных агрегатах различных конструкций.

2) Механическое осаждение. Метод очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных частиц, осуществляется под действием центробежных сил в специальных центрифугах.

3) Фильтрование от частиц, нефти с помощью зернистых фильтров или микрофильтров. В зернистых фильтрах в качестве фильтрующих материалов используется: кварцевый песок, дробленый шлак, керамика, галька. Микрофильтры изготовляют из вспененных материалов и используют для очистки воды от нефтепродуктов.

II. Химические методы. 1)Нейтрализация - процесс удаления кислотно-щелочных свойств из сточных вод, осуществляют до рН=7. Кислотные сточные воды нейтрализуют 10% раствором щелочи. Фильтрование через карбонатные фильтры, известняк, мел, мраморная крошка, и т.д.

2) Химическое осаждение – удаление из воды растворенных примесей путем добавления реагентов вступающих с примесями в химическую реакцию с образованием нерастворимых соединений, образуются осадки, их удаляют механическим методом.

Zn²⁺+Ca(OH) ₂ → Zn(OH) ₂↓+Ca²⁺

Al³⁺+3KOH → Al(OH) ₃↓+3K⁺

3) Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения в менее токсичные или безвредные вещества.

CrO₃⁶⁺ +FeSO₄+H₂SO₄ → Cr₂³⁺(SO₄)₃+Fe₂³⁺(SO₄)₃+H₂O

III. Физико-химические методы.

1. Адсорбция – процесс поглощения жидкости или газа твердыми адсорбентами осуществляемый на границе раздела фаз с помощью межмолекулярного взаимодействия. Для очистки сточных вод в качестве в качестве адсорбента, как правило, используют активированный уголь. Адсорбцию используют для очистки воды от фенолов, масел, нефтепродуктов.

2. Метод ионного обмена. Это очистка воды от ионов, с помощью синтетических ионитов. Иониты представляют собой полимерную матрицу, содержащую ионогенные группировки, имеющие по своей структуре подвижные анионы или катионы. При пропускании воды через анионит, происходит обмен анионами между анионитом и водой. При пропускании воды через катионы происходит обмен катионов между катионитом и водой.

3. Экстракция. Процесс перераспределения примеси по системе двух взаимонерастворимых жидкостей – воды и экстрагента, при этом примесь переходит в лучший растворитель (экстрагент), эмульсию разделяют, очищенную воду отправляют на дальнейшую обработку.

Атмосфера (от. др.-греч.— пар и — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля. Толщина атмосферы — примерно 2000 — 3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха — (5,1—5,3)×10¹⁵ тонн.

Строение атмосферы:

- Тропосфера (тропос – изменчивый, образовываются облака, циклоны и антициклоны)

- Стратосфера (стратос - слоистый)

- Мезосфера (мезо - между)

- Термосфера

- Экзосфера (сфера рассеяния).

Загрязняющие вещества: сернистый ангидрит, окись азота, углеводороды, твердые частицы (пыль, зола, сажа).

Специфические выбросы: хлор, молекулярный сероводород, аммиак, фтористые соединения, тяжелые металлы.

Токсические действия основных загрязняющих веществ.

Угарный газ СО: бесцветный газ не раздражает слизистой оболочки глаз и дыхательные пути. При вдыхании взаимодействует с гемоглобином крови, в следствии чего гемоглобин не способен держать кислород, поэтому угарный газ в высоких концентрациях вызывает удушение. Источники поступления: двигатели внутреннего сгорания, металлургические предприятия, котельные.

Сернистый ангидрид SO₂: бесцветный газ с резким неприятным запахом, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Образуется при сжигании газа и при переработке руд. Существует в атмосфере примерно 4 суток. Источники поступления: ТЭЦ, городские катальные, металлургические предприятия.

Окислы азота NO: образуется при сжигании топлива. Окись азота NO способствует разрушению азотного слоя атмосферы: NO+O₃ = NO₂+O₂ двуокись азота при контакте с влагой образует азотную кислоту, кислотные осадки 2NO₂+H₂O-HNO₃(азотная кислота)+HNO₂. Источники поступления: двигатели внутреннего сгорания, ТЭЦ, котельные, металлургические предприятия.

Углеводороды: вызывают головную боль. Возникают при сжигании топлива. Источники: нефтегазовые и нефтехимические предприятия.

Твердые частицы (пыль зола сажа) оказывают механическое воздействие, способные абсорбировать токсичные продукты сгорания.

Источники загрязнения атмосферы подразделяются на стационарные и не стационарные.

Стационарные: промышленные предприятия. Загрязнители промышленности:

1) Металлургическая промышленность. 27% от стационарных источников.

2) Энергетическая промышленность 21% выбросов от стационарных источников

3) Нефтегазовые 12%

4) Нефтехимическая 8%

Нестационарные источники – это транспорт, сжигание топлива населением и прочее. Ежегодно в атмосферу Р.Ф от нестационарных источников поступает более 30 млн. тонн загрязняющих веществ.

Состав автомобильных выбросов: 70% CO (угарный газ), 6% (окислы азота) а также сажа. В Москве выбросы автотранспорта примерно 1 млн. тонн в год, что составляет 90% антропогенных выбросов.

Классификация выбросов в атмосферу по ГОСТу:

1. По агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные).
2. По размерам частиц (<0,5 мкм, от 0,5 до 3 мкм, от 3 до 5 мкм, от 5 до 10 мкм, > 10 мкм)
3. По массе (<1кг/ч, от 1кг/ч до 10 кг/ч, от 10 кг/ч до 100 кг/ч)
4. По температуре (нагретые, холодные)
5. По высоте источника (низкие < 20 метров, от 20-40 метров – промежуточное, высшее > 40 метров)
6. По организации отвода и контроля (это организованные через трубы, вентиляции, шахты, фонари. И неорганизационные в результате аварий, разгерметизаций)
7. По происхождению (первичные т.е. поступающие непосредственно от тех или иных источников. Или вторичные являющиеся продуктом образования первичных выбросов)
8. Технологические.

Методы очистки выбросов в атмосферу.

Очистка выбросов от пыли. Используют сухие и мокрые методы.

I. Сухие методы. Циклоны пылеуловители.

Схема цилиндрического пылеуловителя. Загрязненный воздух передается через входной патрубок (1) в направлении по касательной к стенке (2). Далее он совершает вращательно-поступательные движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в пыле сборник (3), откуда периодически удаляются. Поток воздуха разворачивается на 180 градусов и выходит в выхлопную трубу (4) Используются «циклоны» для предварительной чистки от крупной пыли.

Электрофильтры. Принцип работы основан на основе ионизации пылегазового потока у поверхности координирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду координирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли.

Сухие фильтры – представляют собой герметичную камеру с перегородкой из фильтрующего материала.

Разновидности сухих фильтров:

1) зернистые фильтры (галька, керамзит шлак) Используют для предварительной очистки сильнозагрязненного воздуха.

2) фильтры с гибкими пористыми перегородками (хлопчатобумажные, лавсановые, нейлоновые ткани) Используют для тонкой очистки воздуха.

3) фильтры с полужесткими пористыми перегородками (металлические сетки) Используют при повышенных температурах.

II. Мокрые фильтры. Основаны на связи пыли с жидкостью (турбулентные аппараты, скрубберы)

Схема скруббера Вентури. Внутри корпуса скруббера имеется расширяющаяся к низу труба – Вентури. Загрязненный воздух и вода подаются в самую узкую часть трубы. Связывание пыли осуществляется за счет сил инерции и броуновского движения. Высокая степень очистки (95,99%).

Очистка воздуха от токсичных газов и паров.

1) Сорбционные методы. Сорбция – процесс поглощения одного вещества (сорбита) другим веществом (сорбентом). Сорбция обратимый процесс при определенных условиях, если осуществляется десорбция – удаление поглощенного вещества из сорбента. Процесс сорбции сопровождается химической реакцией и является не обратимым, называется хемосорбцией.

АБсорбция – процесс поглощения вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом: вода, растворы щелочей/соды/аммиака) Осуществляется абсорбционных колоннах различных конструкций, а также скрубберах.

Схема абсорбционной колонны, насадочной конструкции. Внутри колонны имеются секции заполненные элементами насадок керамическими или стеклянными кольцами и т.д. Высокая эффективность очистки обеспечивается расширением абсорбирующей жидкости по элементам насадки и увеличением поверхности контакта между жидкостью связывающее загрязняющее вещество с воздухом. Для увеличения степени поглощения газов, в абсорбирующую жидкость добавляют реагенты, вступающие с поглощенным газом в химическую реакцию. Так осуществляется процесс хемосорбции, являющийся необратимым.

SO₂+NaOH → Na₂SO₃+H₂O сульфид натрия

2NH₃+H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ карбонат натрия

АДсорбция – процесс поглощения жидкости или газа ТВЕРДЫМ адсорбентом, осуществляемый на границе раздела фаз. Адсорбенты – активированный уголь, окись алюминия и др. Адсорбцию осуществляют в адсорбтных колоннах различных конструкций – периодическим или непрерывным методом. Адсорбцию используют для очистки воздуха от паров органических растворителей токсичных и радиоактивных газов – это рекуперационный (??) метод, позволяющий выделить загрязняющее вещество с поверхности адсорбента и повторно его использовать.

Рассмотрим стадии адсорбции на примере рекуперации толуола:

1) Адсорбция – поглощение толуола активированным углем до насыщения адсорбента

2)Десорбция – удаление толуола из адсорбента путем обработки адсорбента перегретым водяным паром.

3)Сушка адсорбента.

4)Охлаждение адсорбента.

Дожигание

Это — высокоэффективный метод, используется для очистки воздуха от паров органических расстворителей и CO.

Может осуществляться открытым способом (в факелах сгорания) при температуре 1100-1300 градусов.

Недостаток метода — образование вторичных загрязнений — окислов азота.

Так же дожигание проводят в камерах сгорания. Воздух сначала подается в камеру предворительного воспламенения и далее в камеру сгорания, где при температуре 1100 градусов без катализатора или 300-600 градусов с присутствием катализатора происходит окисление примесей до углекислого газа и воды.

Очистка воздуха от окислов азота.

Используется некаталитическое гамогенное восстановление при температуре 970+-50 градусов, или каталитическое гетерогенное восстановление при температуре 450+-50 градусов:

2NO⁺² + 2NH₂⁺³ + ½ O₂ à 2N₂⁺ + 3H₂O

Очистка выбросов от сернистого ангидрида.

Загрязненный воздух подается в реактор, в котором при температуре 390 градусов происходит хемосорбция сернистого ангидрида (SO2) твердым оксидом меди, с образованием медного купороса

SO₂ + CuO + ½ O₂ à CuSO₄

2NO + 2NH₃ + ½ O₂ à 2N₂ + 3H₂O

Далее осуществляют регенерацию адсорбента, восстанавливая медь молекулярным водородом и окисляя затем кислородом.

CuSO₄ + 2H₂ à Cu + SO₂ + 2H₂O

Cu + ½ O₂ à CuO

Выделяющийся при этом сернистый ангидрид окисляют до серного ангдрида, который используют для получения серной кислоты.

SO₂ + ½ O₂ à SO₃

SO₃ + H₂O à H₂SO₄

Дата добавления: 2013-12-12