Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков

установленные государствами, весьма условны. Загрязнения атмосферы

это касается в наибольшей степени, ведь воздушные массы могут

беспрепятственно перемещаться на тысячи километров. Таким образом,

загрязнители, выброшенные на территории одного государства, могут

оказывать воздействие на природу и граждан другого государства. Так

правительства Норвегии и Швеции заявляют, что выпадение кислотных

осадков на их территории частично обусловлено выбросами

загрязнителей в Великобритании и Северной Европе. Промышленные и

автомобильные выбросы в США неизменно вносят вклад в кислотные

дожди над Канадой, а Канада в свою очередь ответственна за такие

дожди на территории США. Эти обстоятельства, конечно, не могут не

осложнять отношений между странами.

Другим примером влияния атмосферных загрязнителей на отношения

между разными странами является парниковый эффект. Разные страны

делают разный вклад в развитие парникового эффекта, однако, можно

сказать, что на данном этапе его проявления это не имеет

принципиального значения. Но настанет время, когда последствия

парникового эффекта могут сыграть огромную роль в формировании

отношений между государствами. Выше было сказано, что последствия

парникового эффекта для разных стран могут быть самыми различными.

Для России, например, они могут быть положительными, в то время как

для других стран – отрицательными. При этом могут пострадать

страны, вклад которых в парниковый эффект был минимальным. И они,

несомненно, предъявят претензии к другим странам. Если последствия

парникового эффекта будут достаточно серьезными, то некоторые

развивающиеся страны практически лишаться средств к существованию.

У них не останется другого выбора, кроме как под угрозой

развязывания военного конфликта потребовать помощи других стран.

Конечно, все это лишь предположение, однако нельзя не принимать во

внимание возможность подобного.

Из вышесказанного можно заключить, что в данном случае

геополитический аспект загрязнения атмосферы является обоснованием

важности проблемы загрязнения и необходимости принятия мер,

направленных на борьбу с загрязнителями.

§5. Меры по борьбе с загрязнением атмосферы.

В предыдущих главах были рассмотрены основные загрязнители

атмосферы и их влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Здесь будут рассмотрены те меры, которые могут быть приняты для

уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу.

Путей уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу очень

много. Все они различаются по своей эффективности и многие из них

находят применение только в определенных отраслях. Далее будут

рассмотрены основные методы уменьшения выбросов загрязнителей в

атмосферу, и к каждому из них будет приведена отрасль, в которой

этот метод может быть эффективен.

Очистка. Целью очистки является уменьшение загрязнителей, которые

поступят в окружающую среду в результате отработки того или иного

процесса. При этом в очистке используется метод удаления

загрязнителей на одной из стадий, присущих данному процессу. В

основном очистка применяется либо к используемому топливу, либо к

образующимся отходам (в рассматриваемом нами случае эти отходы

газообразные). Оба случая способствуют уменьшению выбросов

загрязнителей в атмосферу

Типичным примером очистки топлива является очистка угля,

применяемая на электростанциях и предприятиях, для производства

продукции которых уголь используется в качестве топлива.

В угле сера содержится в двух формах: неорганической и

органической. Неорганическая сера присутствует в виде пиритов, т.е.

сульфидов металлов, в частности сульфида железа, называемого также

железным колчеданом. Органическая сера химически связана с

углеродом природного угля. Для удаления неорганической серы

достаточно специальной промывки угля, проводимой в несколько

этапов. Для удаления органической серы требуется химическая

обработка. Сера в виде пиритов может составлять от 30 до 70% общего

содержания серы в угле, но обычно органическая и неорганичная сера

присутствуют в равных количествах.

Для очистки угля от неорганической серы его предварительно

дробят, чтобы обнажить жильные породы. Затем раздробленный уголь

смешивают с водой в большом резервуаре. Пирит имеет большую

плотность, чем уголь, и потому оседает на дно быстрее; очищенный

уголь собирают в верхней части резервуара. Таким способом можно

обработать за 1 ч 500-1000 т угля. Промывка – один из наиболее

эффективных способов освобождения добытого угля от большей части

содержащихся в нем пиритов.

Химическая очистка угля – это общее название достаточно

разнообразных процессов, направленных на удаление органической

серы, связанной с углеродом угля. Специалистами уже предложено

несколько десятков процессов, причем с помощью некоторых химических

способов удаляют как серу в пиритах, так и часть серы, связанной в

органических соединениях.

Далее будет рассмотрен лишь один из методов, демонстрирующий

сущность процесса химической очистки. Этот метод предполагает

обработку мелко раздробленного угля водой, содержащей гидроксиды

натрия и кальция. После такой обработки при высоких давлении и

температуре уголь очищается от большей части пиритов и половины

органической серы; эти примеси остаются в растворе. Затем уголь

промывают и высушивают, после чего он готов к употреблению.

Описанный метод позволяет превратить дешевый уголь с высоким

содержанием серы в приемлемое топливо для тепловых электростанций,

работающих на угле. Такой уголь можно сжигать в топках без

необходимости затем улавливать двуокись серы из выходящих в дымоход

газов, но чтобы использовать его в крупных масштабах, следует

удешевить этот метод.

Очистка угля от серы является лишь примером того, как можно

очистить топливо от веществ, в последствии загрязняющих атмосферу.

Уголь и любое другое топливо можно очистить практически от любых

примесей. Вопрос заключается в другом: насколько затратна будет эта

очистка и оправдает ли она эти затраты?

В некоторых случаях выгоднее очищать от загрязнителей газы,

образующиеся при горении топлива (точнее будет сказать газы,

образующиеся при осуществление какого-либо процесса – ведь

образование газообразных отходов обусловлено не только сжиганием

топлива), чем само топливо. Для этого применяют газо- и

пароулавливающие установки. В настоящее время их существует 2 типа.

Первый тип установок обеспечивает санитарную очистку выбросов без

последующей утилизации уловленных примесей, количество которых

невелико, но которые даже в малых концентрациях опасны для здоровья

человека. Второй тип предназначен для промышленной очистки выбросов

от больших количеств вредных примесей с последующей их

концентрацией и дальнейшим использованием в качестве исходного

сырья в различных технологических процессах. Установки второго типа

являются составляющими элементами разрабатываемых перспективных

малоотходных и безотходных технологий (об этом см. в разделе

«Безотходные производства»).

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и

парообразных загрязнителей по характеру протекания физико-

химических процессов делят на пять основных групп: промывка

выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов

растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемсорбция);

поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами

(адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение

примесей с помощью каталитического превращения.

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путем

разделения газовоздушной смеси на составные части за счет

поглощения одной или нескольких вредных примесей (абсорбатов),

содержащихся в этой смеси, жидким поглотителем (абсорбентом) с

образованием раствора.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак,

хлористый или фтористый водород в качестве жидкого поглотителя

применяется вода. Растворимость этих вредных веществ в воде

составляет сотни граммов на 1 кг воды. Растворимость в воде

сернистого ангидрида или хлора не превышает сотых долей грамма на 1

кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих эти

вредные газы, требуются большие количества воды. В качестве

абсорбентов используются и другие жидкости: раствор сернистой

кислоты для улавливания водяных паров; вязкие масла для улавливания

ароматических углеводородов из коксового газа.

Очищенный газ обычно отводится в атмосферу, а абсорбент,

содержащий вредные растворимые примеси, подвергают регенерации с

целью отделения вредных веществ, после чего возвращают в аппарат

или отводят в качестве отхода.

Метод хемсорбции заключается в поглощении вредных газовых и

паровых примесей, содержащихся в газовых выбросах, твердыми или

жидкими поглотителями с образованием малолетучих или

малорастворимых химических соединений. Применение этого метода

наиболее выгодно при небольших концентрациях вредных примесей в

отходящих газах. Методом хемсорбции осуществляется очистка

газовоздушной смеси от сероводорода с использованием мышьяково-

щелочного, этаноламинового и других растворов. Сероводород при этом

связывается в соответствующей хемсорбенту соли, находящейся в

водном растворе, регенерация которого осуществляется кислородом,

содержащимся в очищенном воздухе, с образованием серы, которая

может быть использована как сырье.

Хемсорбция широко применяется для очистки отходящих газов от

оксидов азота, образующихся при сжигании топлива, выделяющихся из

ванн для травления и в других технологических процессах. Очистка

осуществляется в скрубберах с использованием в качестве хемсорбента

известкового раствора. Эффективность очистки от оксидов азота

составляет 0,17 – 0,86 и от паров кислот – 0,95.

Достоинство методов абсорбции и хемсорбции заключается в

непрерывности ведения технологического процесса и экономичности

очистки больших количеств газовых выбросов. Недостаток –

громоздкость оборудования и необходимость создания систем

жидкостного орошения. В процессе очистки газы подвергаются

охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния при отводе в

атмосферу. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется

большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей

жидкости и вредных примесей, которые подлежат транспортировке и

утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки газов основан на поглощении

содержащихся в них вредных примесей поверхностью твердых пористых

тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами.

Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента,

скорости и температуры очищаемых газов.

Поглощающая способность адсорбента определяется наличием в его

объеме большого количества пор различного размера: микропоры,

переходные и макропоры. Размеры микропор соизмеримы с молекулами

адсорбируемых вредных примесей и составляют от 5 • 10–10 до 10–9 м.

Размер переходных пор намного больше адсорбируемых молекул и

колеблется от 1,5 • 10–9 до 2 • 10–7 м. Переходные поры выполняют

роль каналов, подводящих поглощаемые примеси к микропорам, их

удельная поверхность может составлять то 10 до 400 м2/г. Чем больше

пористость адсорбента и выше конденсация примеси, тем интенсивней

протекает процесс адсорбции. В качестве адсорбентов широко

применяют активированные угли, удельная поверхность которых

составляет 102 – 103 м2/г. Их применяют для очистки газов от

органических паров, поглощения неприятных запахов и газообразных

примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных

выбросах. Кроме активированного угля используются активированный

глинозем, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические

цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным

углем обладают высокой адсорбционной способностью и

избирательностью поглощения определенных газов, механической

прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень

важно, так как позволяет при снижении давления или повышении

температуры удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их

химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и

адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной очистки работают периодически или

непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или

кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который

проходит поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется

расходом очищаемого газа, размером частиц адсорбента, требуемой

степенью очистки и другими факторами. Наиболее распространены

адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов

чередуется с периодом регенерации твердого адсорбента.

Термическая нейтрализация обеспечивает окисление токсичных

примесей в газовых выбросах до менее токсичных при наличии

свободного кислорода и высокой температуры газов. Этот метод

применяется при больших объемах газовых выбросов и концентрациях

загрязняющих примесей, превышающих 300 частей на миллион.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов:

прямое сжигание в пламени, термическое окисление при температурах

600-800°C и каталитическое сжигание – при 250-450°C. Выбор схемы

нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих

веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов,

объемным расходом и предельно допустимыми выбросами вредных

веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда

отходящие газы содержат достаточно тепла, необходимого для

осуществления процесса и составляющего более 50% от общей теплоты

сгорания. В процессе прямого сжигания температура пламени может

достигать 1300°C, что при наличии достаточного избытка воздуха и

продолжительном времени нахождения газа при высокой температуре

приводит к образованию оксидов азота. В результате в процессе

прямого сжигания одних вредных примесей происходит образование

другого загрязняющего вещества.

Прямое сжигание может осуществляться как непосредственно в

открытом факеле, так и в замкнутых камерах. Системы прямого

сжигания обеспечивают эффективность очистки 0,9 – 0,99, если время

пребывания вредных примесей, органических отходов, оксидов азота,

токсичных газов, например, цианистого водорода в

высокотемпературной зоне – 0,5 с, а температура газов, содержащих

углеводороды, не менее 500-650°C, содержащих оксид углерода – 660-

750°C.

Термическое окисление применяется, когда отходящие газы имеют

высокую температуру, но в них нет достаточного количества

кислорода, либо, когда концентрация горючих примесей настолько

низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для

поддержания пламени.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс

дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так

осуществляется дожигание оксида углерода и углеводородов,

образующихся при работе автомобильного двигателя. Если отходящие

газы имеют недостаточную для процесса окисления температуру, то они

предварительно подогреваются в теплообменнике, а затем поступают в

рабочую зону, в которой сжигают природный или другой

высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов

доводят до температуры, превышающей точки их самовоспламенения, и

они сгорают в среде кислорода, присутствующего в отходящих газах.

Основное преимущество термического окисления – относительно

низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на

изготовления камеры сжигания и исключить образование оксидов азота.

Каталитический метод предназначен для превращения вредных

примесей, содержащихся в отходящих газах промышленных выбросов, в

вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с

использованием специальных веществ – катализаторов. Катализаторы

изменяют скорость и направление химической реакции, например,

реакции окисления. В качестве катализаторов используются: платина,

палладий и другие благородные металлы или и соединения: оксиды

меди, марганца и т. п. Катализаторная масса располагается в

специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или

проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, окиси алюминия с

нанесенным на поверхность этих элементов слоем благородных металлов

микронной толщины. Каталитические методы очистки широко

используются для вредных примесей, содержащихся в газовоздушных

выбросах цехов окраски, а также для нейтрализации выхлопных газов

автомобилей.

Безотходные производства. Безотходным производством является

такое производство, в котором все исходное сырье в конечном итоге

превращается в ту или иную продукцию и которое при этом

одновременно оптимизировано по технологическим, экономическим и

социально-экологическим критериям. Принципиальная новизна подобного

подхода к дальнейшему развитию промышленного производства

обусловлена невозможностью эффективно решать проблемы охраны

окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

только путем совершенствования методов обезвреживания, утилизации,

переработки или захоронения отходов.

При создании и развитии безотходных производств обязательно

использование всех компонентов сырья. В настоящее время несмотря на

то, что практически все сырье, применяемое в промышленности,

является многокомпонентным, в качестве готовой продукции

используется, как правило, только один компонент. Максимально

возможное – это комплексное использование энергии при безотходном

производстве.

Безотходное производство предполагает кооперирование производств

с большим количеством отходов (производство фосфорных удобрений,

тепловые электростанции, металлургические, горнодобывающие и

обогатительные производства) с производством – потребителем этих

отходов, например предприятиями строительных материалов.

Важнейшей задачей является создание и внедрение принципиально

новых технологических схем и процессов, при которых резко

сокращается или полностью исчезает образование каких-либо отходов.

Утилизирую двуокись серы, содержащуюся в отходящих газах

теплоэнергетики и металлургии, можно получить столько серной

кислоты, сколько ее ежегодно производят все сернокислотные заводы

нашей страны, т.е. по сути дела удвоить производство этого

ценнейшего продукта большой химии (эта тема кратко рассматривается

в курсе географии девятого класса). Уже существуют промышленные

установки для каталитической очистки отходящих газов, которые

позволяют извлекать из дыма до 98 – 99% сернистого газа при любом,

даже самом незначительном, его содержании и окислять его, превращая

вредный промышленный выброс в серную кислоту. Использовать

полученную таким способом кислоту в промышленности тоже не просто:

она содержит различные примеси, зачастую получается разбавленной.

Зато в сельском хозяйстве она может найти неограниченный рынок

сбыта, так как это химический препарат для почв содового засоления.

Для химической мелиорации годится серная кислота сколь угодно

разбавленная, практически с любыми примесями. Это позволяет строить

более экономичные, упрощенные установки для утилизации сернистого

газа.

Конечно, невозможно создать полностью безотходные производства во

всех отраслях. Вообще, понятие «полностью безотходное производство»

условное, так как ни одно производство не возможно без отходов. Но

создавать производства, в которых перерабатывается часть отходов,

вполне возможно. Такие производства называются малоотходными.

С безотходными и малоотходными производствами связаны

многочисленные проблемы, без решения которых их внедрение

представляется практически невозможным. Основной из них является

большая затратность подобных производств. Эта проблема объясняется

тем, что большинство из производств (особенно в России) не

рассчитаны на внедрение каких-либо новых узлов и поэтому для

создания безотходного или малоотходного производства на их основе

придется принципиально пересматривать всю их систему. При этом на

ранних стадиях внедрения безотходных или малоотходных производств

их вряд ли можно будет рассматривать как прибыльные: для детальной

отработки технологии потребуется еще некоторое время.

Внедрение безотходных и малоотходных производств может быть

эффективным практически в любой отрасли промышленности, так как из

многих отходов можно получить какой-либо потребительский продукт.

Использование возобновляемых источников энергии. Энергетика

является сердцем промышленного и сельскохозяйственного производства

и обеспечивает комфортное существование человека. Основным

энергоносителем XIX века являлся уголь, сжигание которого, как

отмечалось выше, приводило к росту выбросов дыма, сажи, копоти,

золы, вредных газовых компонентов: CO, SO2, оксидов азота и т.д.

Развитие научно-технического прогресса привело к существенному

изменению энергетической базы промышленности, сельского хозяйства,

городов и других населенных пунктов. Существенно возросла доля

таких энергоносителей как нефть и газ, экологически более чистых,

чем уголь. Однако ресурсы их не беспредельны, что накладывает на

человечество обязанность поиска новых, альтернативных

возобновляемых источников энергии. К ним относятся солнечная и

атомная энергия, геотермальный и гелиотермальные виды энергии,

энергия приливов и отливов, энергия рек и ветров. Эти виды энергии

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5