АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОТХОДЫ

Экологическая проблема и экотехническое оборудование | От осадительной камеры до первых электрофильтров
Научные разработки и промышленные внедрения | От типоразмерного ряда к эксклюзивной конструкции
Контроль и расчет, монтаж и ремонт, услуги и поставки

2. АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОТХОДЫ

Термин «газоочистка» настолько прижился, что трудно подвергнуть правомерность его употребления сомнению. А между тем речь в большинстве случаев идет об очистке атмосферного воздуха, без которого невозможно существование жизни на Земле. Но сначала напомним несколько общеизвестных сведений.

Атмосферным воздухом принято называть газообразную оболочку Земли, состоящую из смеси газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы составляет 5,9 · 10¹⁵ тонн, из них азота – 78 %, кислорода – 20,9 %, инертных газов – 0,94 %, углекислого газа – 0,03 %.

Завод Количество вредных примесей (двуокиси углерода и других газов), а также пыли зависит от интенсивности вулканических извержений и антропогенных, т.е. промышленных выбросов, поэтому их содержание определить трудно, но ясно, в какую сторону развивается тенденция.

В частности ученые подсчитали, что в сравнении с началом XX века углекислоты в атмосфере стало на 17 % больше, а через полвека это количество удвоится. Благодаря содержанию кислорода, атмосферный воздух используется как химический агент в процессах горения топлива, выплавки металлов, промышленного получения многих химических веществ, он является важнейшим промышленным сырьем для получения кислорода, азота, инертных газов.

Но главное, конечно, состоит в том, что атмосферный воздух является средой обитания живого и растительного мира. Благодаря специфическому газовому составу, способности озонового слоя поглощать солнечную радиацию и наличию водяного пара, атмосфера является главным источником жизни на Земле.

Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200 –5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тысячи лет, вся углекислота – за 300–395 лет. Вот какое это уникальное понятие и явление – атмосфера Земли, сохранение которой называется канцелярским словом «газоочистка».

«Кислородная атмосфера и эволюция организмов сделали нашу биосферу совершенно уникальным явлением в Солнечной системе, – писал об этом Ю.Одум в книге «Основы экологии». – В настоящее время считается общепринятым, что, когда свыше 3 миллиардов лет назад на Земле зародилась жизнь, атмосфера содержала азот, аммиак, водород, окись углерода, метан и водяной пар, но свободный кислород в ней отсутствовал». И далее Ю.Одум описывает, как за счет жизнедеятельности организмов приблизительно 600 миллионов лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня, а соотношение кислорода с двуокисью углерода достигло состояния, «которое можно назвать колебательным стационарным состоянием».

Созданный человеком избыток двуокиси углерода и пыли, по мнению Ю.Одума, делает это неустойчивое равновесие еще более нестабильным. «Между прочим, подобную краткую историю развития атмосферы следовало бы довести до сведения каждого гражданина и каждого школьника, так как она ярко показывает абсолютную зависимость человека от других организмов, населяющих среду, в которой он обитает», – заключает ученый. А вот как он определяет, что такое загрязнение:

«Загрязнение – это нежелательное изменение физических, химических или биологических характеристик нашего воздуха, земли и воды, которое может сейчас или в будущем оказывать неблагоприятное влияние на жизнь самого человека, нужных ему растений и животных, на разного рода производственные процессы, условия жизни и культурное достояние, истощать или портить его сырьевые ресурсы. Загрязнители – остатки того, что мы производим, используем и выбрасываем прочь. Загрязнение увеличивается не только оттого, что с ростом населения уменьшается доступное для каждого человека пространство, но и оттого, что потребности на душу населения непрерывно увеличиваются, так что из года в год каждый из нас выбрасывает всё больше и больше. Земля стала более населенной, на ней нет больше места для свалки мусора. То, что служит мусорной корзинкой для одного человека, является жизненным пространством другого... В настоящее время загрязнение – один из важнейших лимитирующих факторов для человека. Усилия, которые сейчас приходится прилагать для уменьшения и предупреждения загрязнения, могут послужить хорошей отрицательной обратной связью, которая предотвратила бы полное разграбление человеком ресурсов Земли и тем самым самоуничтожение».

Промышленные газы представляют собой аэродисперсные системы, иначе аэрозоли, в которых дисперсионной средой являются газы, а дисперсной фазой – взвешенные в них твердые или жидкие частицы. Аэрозоли принято разделять на три класса – пыли, дымы и туманы.

Впервые о том, какие силы влияют на свободное парение пыли, задумался английский физик и математик Джордж Габриэль Стокс (1819–1903). В результате долгих умозаключений, в 1851 г. он вывел следующий закон, названный его именем: сила сопротивления, испытываемая твердым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченной вязкой жидкости F = 6πµrυ, где r – радиус шара, µ – коэффициент вязкости жидкости, υ – скорость движения шара.

Завод Впоследствии закон Стокса лег в основу всех расчетов движения частиц в жидкости и газе, а единица кинематической вязкости получила название стокс.

Пыли состоят из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде в результате механического измельчения твердых тел в порошки. К этому классу аэрозолей относится, например, аспирационный воздух, отсасываемый от дробильных, размольных и бурильных агрегатов, транспортных устройств, пескоструйных аппаратов, станков для механической обработки изделий, отделений упаковки порошкообразных материалов. Пыли – полидисперсные малоустойчивые системы с размером частиц от 5 до 50 мкм и более.

Дымы представляют собой аэродисперсные системы, состоящие из частиц с малым давлением пара и с малой скоростью седиментации. К дымам относятся аэрозоли, образующиеся при возгонке и конденсации паров, а также в результате химических и фотохимических реакций; размер частиц в дымах от 5 до 0,1 мкм и менее. Туманы состоят из капелек жидкости, диспергированных в газообразной среде, в которых могут содержаться растворенные вещества или суспендированные твердые частицы.

Первый промышленный выброс в атмосферу связывают с возникновением металлургии. С тех пор в атмосферу выделялись такие соединения, как окислы углерода, серы, азота, пары металлов, в особенности ртути. Промышленным путем человек производил медь, серебро, золото, свинец, олово, железо, сурьму, ртуть. Однако до поры до времени антропогенные источники загрязнений окружающей среды не оказывали заметного воздействия на состояние природных ресурсов. Только с изобретением паровой машины, когда резко возросло потребление топлива, отрицательные последствия его сжигания делаются все ощутимее. Уголь и кокс становятся энергетической основой всё новых и новых отраслей промышленности и транспорта – появились железные дороги. Качественный скачок в составе загрязнений наступил после изобретения двигателя внутреннего сгорания и возникновения первых нефтеперерабатывающих предприятий – в воздухе появились окислы азота, соединения свинца и ртути, аммиак, сероводород, углеводород и другие вредные вещества. Наконец, наступила научно-техническая революция с небывалой интенсификацией всех хозяйственных процессов.

Ученые подсчитали, что до XVIII в. человечество использовало лишь 12 элементов таблицы Менделеева: углерод, свинец, олово, ртуть, серебро, медь, серу, золото, железо, мышьяк, сурьму, фосфор.

В XVIII в. их стало 37 – добавились платина, никель, цинк, водород, азот, марганец, титан.

В XIX веке было открыто, изучено, использовалось в хозяйстве, а, следовательно, вовлечено в биогеохимический круговорот, уже 75 элементов. Сейчас известно свыше 100 элементов и более сотни изотопов, количество которых все увеличивается.

Антропогенное загрязнение атмосферы стало глобальной проблемой человечества, проблемой экологической. Природа уже не справляется с задачами самоочищения, поэтому возникает проблема так называемого антропогенного очищения биосферы. Отходы – это продукты незавершенного производства, образование которых обусловлено недостаточным уровнем развития технологии: остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образующихся в процессе изготовления продукции, но полностью или частично утратившие свои потребительские свойства. Сюда же относятся и продукты механической или физико-химической переработки сырья, которые могут быть использованы в народном хозяйстве после соответствующей обработки либо в качестве сырья, либо готовой продукции. Это характерно для химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, черной и цветной металлургии, наряду с энергетикой транспортом являющимися главными загрязнителями атмосферы. В то же время образование отходов может быть не связано с изменением структуры исходного сырья, например, в случае образования отходов металлов, отходов лесной, деревообрабатывающей, угольной, цементной промышленности.

О масштабах потерь и отходов говорит сам по себе уровень загрязнения окружающей среды. Поэтому в современных условиях любую технологию следует оценивать по степени ее экологической опасности, по количеству образующихся отходов. Количество выбросов – отходящих газов, сточных вод и твердых отходов – наиболее объективный показатель несовершенства используемых технологических систем.

Как известно, наибольшее количество электроэнергии вырабатывается сейчас тепловыми электростанциями, сжигающими различные виды минерального топлива. При этом образуются дымовые газы, в атмосферу поступает огромное количество пыли, сернистого ангидрита, окислов азота и других соединений. Образуются сточные воды, загрязненные различными соединениями, и твердый остаток в виде золы и шлама. Одна тепловая электростанция мощностью 1000 мегаватт, работающая на угле с содержанием серы 2,5 %, выбрасывает в воздушный бассейн около 400 тысяч тонн сернистого ангидрита в год. В результате в целом ряде мест уже сейчас возникла угроза необратимых изменений в природе. Не меньшую угрозу для природы представляют производство серной кислоты, азотная промышленность.

Завод Четверть века назад были приведены следующие цифры поступлений в атмосферу антропогенных продуктов: пыль – 2,5 ·10⁸; газы токсические и другие – 6–7 ·10⁸; окислы углерода – 15–25 ·10⁹ тонн. Удвоение этих цифр происходит каждые 7–8 лет, так что не трудно подсчитать, как изменились эти показатели к настоящему времени.

В книге академика РАСХИ Кашина В.И. «Ответственность перед народом» приводятся следующие сведения: «К 2000 году масса накопленного за миллиарды лет атмосферного кислорода в объеме около 1,1 · 10¹⁸ кг снизилась на 3,8 · 10¹⁵ кг. Это доказывает со всей очевидностью, что мир автотрофов стал не в состоянии восполнять сжигаемую массу кислорода. Расчеты показывают, что при таких темпах агрессии на мир автотрофов к 2100 году масса атмосферного кислорода снизится на 3,14 · 10¹⁶ кг, а уровень СО₂ и взвешенных частиц, выброшенных в атмосферу, вырастет более чем в 40 раз. Это смертельно опасно для всего живого на Земле и в первую очередь – для человека».

Появился новый термин – технофильность элемента, обозначающий отношение тоннажа годичного производства к его среднему содержанию в земной коре. Наибольшей технофильностью обладает углерод, а за ним следуют все главные загрязнители воздушной среды.

Невозможно определить, какой из компонентов биосферы – литосфера (почва), атмосфера или гидросфера – загрязнены больше, поскольку они находятся в единой системе, в которой происходит непрерывный обмен. Сжигание углей, нефти, торфа, битумов, асфальта включило в биохимический круговорот не только дополнительные массы окислов углерода, соединений серы, азота, фосфора, кремния, алюминия, но и такие редкие элементы, как кобальт, молибден, ванадий, бериллий, германий, бор, вольфрам.

Но основными элементами, играющими важнейшую роль в природе, являются кислород и углерод. В земной коре содержание углерода невелико, однако углерод и его соединения являются основой всех форм жизни. В настоящее время антропогенное поступление двуокиси углерода в биосферу более чем в 100–150 раз превышают его естественное поступление в процессе дыхания растений, живых организмов, гниения и других окислительных процессов. Причем источники современного антропогенного пополнения запасов двуокиси углерода в атмосфере не ограничиваются сжиганием ископаемого топлива, – не меньший вклад вносят металлургия и химическая промышленность. Кроме того, в ходе окисления антропогенных соединений серы, азота, хлора образуются разбавленные растворы серной, азотной и соляной кислот, которые вместе с атмосферными осадками миллионами тонн выпадают на землю.

Тревожно выглядят прогнозы снижения концентрации кислорода и озона в связи с увеличением их расхода при сжигании топлива и на окисление антропогенных соединений азота, серы, углеводородов, водорода. Ученые подсчитали, что в настоящее время на все формы сжигания топлива, на металлургическую и химическую промышленность, на дополнительное окисление различных отходов ежегодно расходуется 10–20 ·10⁹ тонн кислорода. Его ежегодная фотосинтетическая продукция составляет 120–190 ·10⁹ тонн. Таким образом, дополнительный расход кислорода, вызванный хозяйственной деятельностью человека, составляет 15–16 % ежегодно от его биогенного образования.

Необходимость повышения урожаев привела к тому, что главным источником азотного питания культурных растений стал химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы. Земледелие и промышленность химических удобрений существенно изменили природную направленность биогеохимического цикла азота не к атмосфере, а на сушу, в почву. Еще более действенным фактором нарушения баланса азота в атмосфере оказалось топливно-энергетическое и транспортное хозяйство. Сжигание угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев дает ежегодно около 350 миллионов тонн газов и аэрозолей азота. Окисление аммиака и окислов азота ведет к образованию азотной кислоты и аммонийных солей, выпадающих на сушу и на поверхность океана. Ученые считают, что именно эти поступления стали главными виновниками загрязнения окружающей среды нитратами и аммиаком.

Глобальной опасностью для человечества является проникновение соединений азота в стратосферу, что ведет за собой разрушение озонового слоя и прорыв ультрафиолетовой радиации в тропосферу и биосферу с губительными последствиями для жизни на Земле. Азотосодержащие соединения, образующиеся при сжигании органического топлива в соединении с естественными источниками, образуют антропогенные аэрозоли. В их составе оксиды железа и свинца, сажа, хлор, бром, фтор, ртуть. Пыль над индустриальными районами содержит до 20 % оксида железа, 15 % силикатов, 5 % сажи, примеси свинца, ванадия, мышьяка, сурьмы и других металлов. Особую опасность для биосферы представляют аэрозоли с содержанием свинца. Оксид азота и серный ангидрид в соединении с парами воды образуют кислоты, которые являются источником образования так называемых кислотных дождей.

Окислы азота и серы составляют около трети общего количества промышленных выбросов. «Сернистый газ нарушает процесс фотосинтеза (именно он вызывает гибель растительности вокруг медеплавильных заводов), а окислы азота приносят вред, попадая в дыхательные пути животных и человека. В результате химических реакций этих газов с другими загрязняющими веществами вредное действие тех и других усугубляется, – пишет Ю.Одум. – Например, под действием ультрафиолетового излучения солнца NO₂ вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов (и NO₂ и углеводороды содержатся в большом количестве в выхлопных газах автомобилей), в результате возникает раздражающий глаза фотохимический смог».

До начала 60-х годов в сталеплавильном производстве не было так называемых «лисьих хвостов» – выбросов окислов азота, появившихся после того, как перешли на кислородное дутье в конверторах, которое значительно повысило экономические показатели металлургических предприятий. Но значительно повысилась и загрязненность окружающей среды, что потребовало ввести в эксплуатацию дополнительное газоочистное оборудование.

Воздушная среда и промышленность – взаимосвязанные звенья одной цепи, за сохранение первой и развитие второй человек должен платить одинаково справедливую и достаточную цену, иначе его дальнейшее существование станет невозможным.

назад | главная | содержание | вперед