Антропогенний вплив на атмосферу та охорона атмосферного повітря

1. Структура і склад атмосфери.

2. Методи очищення газових  викидів.

3. Системи очищення викидів

4. Методи знешкодження викидів

 

 

1. Структура і склад атмосфери.

Атмосфера –  це газова оболонка, що оточує Землю.

Наявність атмосфери  – одна з найголовніших умов життя на планеті.

Функції атмосфери:

1. Захищає живі організми від  згубного впливу космічних випромінювань  та ударів метеоритів;

2.Регулює сезонні й добові  коливання температури (якби на  Землі не існувало атмосфери,  то добові коливання температури  досягали б ± 200⁰ С);

3. Є носієм тепла й вологи;

4. Є депо газів, які беруть  участь у фотосинтезі й забезпечують  дихання.

Основні компоненти атмосфери:

- азот (78,084%). Він входить до складу молекул “носіїв життя” – білків і нуклеїнових кислот, є сировиною для виробництва азотних добрив, бере участь у життєдіяльності азот фіксуючих мікроорганізмів.

- кисень (20,946 %). Газовий баланс атмосфери змінювався ще до появи людини. Кисню в ній було 3-3.5 мрлд років тому в 100-200 разів менше, ніж СО₂. Процес фотосинтезу докорінно реконструював атмосферу: вона значно збагатилася на кисень, у ній дуже зменшився вміст СО₂. Проте 100 – 150 років тому людина почала втручатися в природний баланс газів, збільшуючи своєю діяльністю кількість СО₂ і зменшуючи вміст О₂.

- аргон (0,934 %);

- вуглекислий  газ;

- метан, тощо.

Такий хімічний склад  атмосфера Землі мала не завжди. Первісна атмосфера Землі була схожа  з атмосферами деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася з вуглекислого газу, метану, аміаку тощо. Нинішня киснево-азотна атмосфера – результат життєдіяльності живих організмів.

Маса атмосфери становить  приблизно одну мільйонну маси Землі  – 5,15 · 10¹⁵ т.

Склад атмосфери:

- тропосфера (до  висоти 18 км);

- стратосфера  (до 50);

- мезосфера  (до 80 км);

- термосфера (до 1000 км);

- екзосфера  (до 1900 км);

-    геокорона (умовно до 20 тис. км);

Надмірне виснаження ресурсів і забруднення довкілля спричинили розвиток кількох негативних процесів глобального масштабу –  утворення і розростання озонових дір, формування парникового ефекту, появу кислотних дощів.

Руйнування озонової оболонки Землі

Озонова оболонка, розміщена  на висоті 20-30 км, захищає життя на планеті від жорстокого ультрафіолетового  випромінювання.

Основними руйнівниками озону вважають: 

оксиди нітрогену, які спричиняються: 

-  випробуваннями ядерної зброї; 

- запусками ракет і  космічних кораблів, реактивними  літаками; 

- хімічними підприємствами  із виробництва та використання  нітратної кислоти;

фреони – інертні речовини типу CF₂Cl₂, CFCl₃  тощо, які у верхніх шарах атмосфери відщеплюють атом галогену, що руйнує молекули озону і перешкоджає їх утворенню (фреони широко застосовують у холодильній техніці як мастило, в парфумерії – як засіб для створення аерозолю). З метою збереження озонової оболонки в 1996 році розвинені країни припинили виробництво фреонів, замінивши їх пропан-бутановою сумішшю.

пару води, яка потрапляє до озонової оболонки з викидами ракет, літаків, утворюючись під час згоряння палива 

Кислотні дощі

 

 

Цей термін вперше ввів у  вжиток англійський інженер Р. Сміт. 

 

Наслідки випадання  кислотних дощів:

- зниження рН поверхневих вод  і ґрунтів та посилення міграції  важких металів;

- опіки і зниження інтенсивності  фотосинтезу у рослин;

- корозія металевих виробів;

- деградація лісів, зменшення стійкості дерев стосовно шкідників і патогенних мікроорганізмів. 

Смоги

Смоги (англ. смоке –  дим, фог - туман) – явище, характерне для певних місць за певних метеорологічних  умов і забруднення повітря. За походженням  смоги поділяють на три типи: лондонський (чорний смог), лос-анджелеський (білий смог) тальодяний смог.

Причини лондонського смогу:

- низька температура (близько  0⁰ С);

- вологість до 100%;

- підвищений вміст  сажі, оксидів карбону, нітрогену,  сульфуру, що утворюються при  спалюванні палива.

В Україні такі смоги  спостерігаються у приморських  містах.

Фотохімічний  смог лос-анджелеського типу  виникає у разі дії сонячного світла на вуглеводні і проявляється у вигляді білого туману з неприємним запахом, що подразнює очі, слизові оболонки, органи дихання.

Білий смог формується за умов:

- високої температури  (понад 30⁰ С);

- відсутності перемішування  шарів повітря у вертикальному  напрямі (інверсія);

- значної концентрації  викидів автотранспорту: вуглеводнів,  оксидів нітрогену.

В Україні спостерігається в Дніпропетровську, Запоріжжі, Донецьку і навіть у курортному місті Ялті.

Льодяний смог складається з дрібних кристалів льоду, які утворюють білий туман. Він характерний для північних широт за температур нижче – 30⁰ С, високої вологості та забруднення повітря.

Тривалі смоги  призводять до:

- задухи;

- бронхіальної астми;

- збільшення смертності;

- пригнічення рослинності;

- руйнування будівель;

-    прискорення корозії металів та ін.

2. Методи очищення газових викидів.

Адсорбційне очищення газів базується на фізичних властивостях деяких твердих тіл з ультрамікроскопічною структурою селективно вилучати і концентрувати на своїй поверхні окремі компоненти з газової суміші.

В корисних тілах з капілярною структурою поверневе  поглинання доповнюється капілярною конденсацією.

Адсорбція дозволяє проводити очищення газів  при підвихених температурах, але  застосовується для очистки газів  з невисоким вмістом газо- і  пороподібних домішок.

Компонент, який вилучають з газової суміші, називають адсобтивом, цей же компонент в адсорбованому вже стані – адсорбантом.

Розрізняють фізичну і хімічну адсобцію.

При фізичній – поглинуті молекули утримуються  силами Ван-дер-Ваальсу.

При хімічній адсорбції – хімічними  силами.

Пористість  матеріалів обумовлює високорозвинуту  внутрішню поверхню.

Внутрішня структура адсобентів характеризується наявністю різних розмірів і форм пустот або пор, серед яких розрізняють  макро-, мезо- і мікропори.

Сумарний  об’єм мікропор, як правило, не перевищує 0,5 см3/г. їх розміри обмежують Гсф = 1,5∙10-9 м і порівняно близьке за радіусом адсорбованих молекул. Характерною особливістю адсорбції в мікропорах є заповнення їх об’єму адсорбованими молекулами.

Перехідні (мезо-) пори характеризуються величинами сферичних радіусів від 1,5∙10-9 до 2∙10-7 м. На відміну від мікропор в них можлива полімолекулярна адсорбція. Адсорбційні сили не перекривають всього об’єму пор, оскільки мають невелике поле дії.

Закінчення  заповнення об’єму перехідних пор  відбувається при відновлених умовах за механізмом капілярної конденсації.

Макропори промислових адсорбентів мають  розміри ефективних радіусів

2∙10-7 м.

Питома  поверхня складає 0,5-2 м2/г, це обумовлює  надзвичайно малу величину адсорбції  на її стінках. Капілярна конденсація  відсутня.

Макро- і перехідні пори виконують роль транспортних шляхів, що забезпечують при адсорбції доступ молекул, що адсорбуються у мікропори та евакуацію адсорбенту при регенерації адсорбенту.

Основні типи промислових адсорбентів є  змішано-пористими тілами.

Пористі адсорбенти характеризуються величинами істинної щільності, уявної, насипної (маса одиниці об’єму їх шару).

Вугілля АГ-2 застосовують для адсорбції  газів, СКГ – для уловлення  парів органічних речовин, АР, СКТ-3, АРТ – для очистки парів  летючих речовин. Об’єм мікропор – 0,24-0,48 см3/г. Гранули d=1-6 мм використовують у вигляді стаціонарного шару, крізь який фільтрують газовий потік.

Дрібнопористий  силікагель – для адсорбції парів  та газів, що конденсується.

Крупнопористий  і частково середньопористий – для  поглинання парів органічних сполук.

Величину пористості шару визначає форма гранул адсорбенту та характер її упаковки (розташування) в шарі. 

До  основних типів промислових адсорбентів  відносяться: активоване вугілля, силікагель, алюмогелі і активний оксид алюмінію, цеоліти, іоніти.

Активоване  вугілля – характеризується гідрофобністю (погано сорбує полярні речовини, наприклад воду). Це обумовлює їх широке використання в практиці рекупераційного і санітарного очищення вихідних газів з різною вологістю.

Використовують  марки мікропористі АГ-2, АР – отримують з каменевугільного пилу.

СКГ – з торфу шляхом синтезу;

СКТ-3, АРТ – з торфу і каменевугільного пилу, при хімічній активації.

Виробляють  у вигляді циліндричних гранул діаметром 1-6 мм.

Недоліки: невисока механічна міцність, горючість.

Нетрадиційні  вуглеродні адсорбенти:

- активне  вугілля з полімерних матеріалів (регулярна структура);

- молекулярно-ситове  вугілля (підвищена міцність, мікропориста  структура однорідна);

- активовані  вуглеродні волокна (термохімічна  стійкість, добрі поглинальні  і фільтрувальні властивості).

Силікагель  – гідратовані аморфні кремнеземи (SiO2∙nH2O), реакційно здатні сполуки  змінного складу, їх перетворення відбувається за механізмом поліконденсації: полікомпенсація  призводить до формування структурної  сітки сфероподібних частинок, які зберігаються при висушуванні гідрогелю і утворюють жорсткий каркас d = 20∙10-9 - 2∙10-8 м.

Випускають  силікагель і вигляді кульок, пігулок, частинок неправильної форми.

За характером пористості структури силікагелю класифікують на:

- крупнопористі  (10 – 5∙10-9 м);

- середньопористі  (1,5 – 5∙10-9 м);

- дрібнопористі  (5∙10-9 м).

Силікагель використовують для поглинання полярних речовин. Широко використовують для осушки різних газових  середовищ.

Вони негорючі, мають низьку температуру регенерації, мають високу механічну міцність.

Недолік:

- руйнуються під  впливом крапельної вологи.

Алюмогель (H2O3 ∙ nH2O; 0< n < 0,6) – стримують прокалюванням  гідроксидів алюмінію. Вони розрізняються  модифікаціями, які залежать від  умов обробки, типу вихідного гідроксиду. Має щелеподібні і пляшкоподібні форми пор (γАl2О3 та χАl2О3). Випускають у вигляді циліндричних чи кулькоподібних гранул. Розмір пор – (3-8)∙10-9 м.

Використовують  для уловлювання полярних (вода) органічних сполук і осушки. На відміну  від силікагелів стійкі до крапельної вологи.

Цеоліти – алюмосилікати, які містять оксиди лужних та лужноземельних металів, характеризуються регулярною структурою пор, розміри яких наближаються до розмірів  молекул (тому  їх називають молекулярні сита).

Кристалічна структура  цеолітів (алюмосилікатний скелет) утворена тетраедрами SiO4 та AlO4.

Катіони цеолітів (метали) можуть заміщатися на відповідні катіони, що знаходяться в речовинах, що контактують. З цієї т.д. їх можна  розглядати як катіонообмінники.

Цеоліти отримують  синтетичним шляхом (найбільш поширені марки Na4A, Ca5A, Ca8X, Na9X) ∙ 10-9 м – розмір вхідних вікон. Друга буква вказує на тип криталічної решітки. Тип Х має більші розміри вхідного вікна.

Випускають або  у вигляді циліндричних або шароподібних гранул d > 2-5 мм. Можуть використовувати зв’язуючий матеріал – глину (10-20%). Без глини більша механічна міцність.

Адсорбують полярні  сполуки (пари). Мають підвищену стійкість  у слабокислому середовищі (СаА), тому використовують в процесах очищення від сірковмісних сполук, а також вуглеводні сполуки і спирти.

Недолік: високомолекулярні  сполуки, менше поширені у промисловості.

Адсорбційний  процес включає послідовно стадії:

а) дифузії молекул  речовини, що поглинається з потоку газу до зовнішньої поверхні адсорбенту (зовнішня дифузія);

б) проникнення  молекул, що досягли поверхні адсорбенту, всередину пористої зернини (внутрішня  дифузія);

в) безпосередньо  сорбція (конденсація) молекул на внутрішній поверхні зерен.

Визначено, що останній стан проходить практично миттєво 10-8 – 10-9 с.

Закон Генрі, рівняння Фрейкуліха, рівняння Кенгнюра.

В якості характеристики адсорбційних властивостей пористих тіл використовують залежність адсорбційної здатності від парціального тиску газового компоненту, що поглинається при постійній температурі (ізотерма адсорбції).

Адсорбційна здатність – комунікація адсорбенту в масовій або обємній одиниці  адсорбенту.

В основі інженерно-технічного розрахунку адсорбційного  методу очистки лежить сітка кривих ізотерм адсорбції.

Вибір конструкції визначається швидкістю газової суміші, розміром частинок сорбенту, ступенем очищення, тощо.

Фільтрація  газу може проходити крізь нерухомий (адсорбери періодичної дії) та рухаючийся шар адсорбенту.

Найбільш  поширений – перший тип. В них  період контакту газу з адсорбентом чередується з періодом регенерації.

Десорбція поглинених домішок.

Необхідність  періодичної регенерації передбачає циклічність адсорбційних процесів. Десорбція вимагає від 40 до 70% загальних  витрат для адсорбційної газоочистки. Розрізняють такі види десорбції:

Термічна  – нагрівають насичений адсорбент  до певної температу з потоком  водяної пари, гарячого повітря або  інертного газу. (t < 100-200 °С – десорбція  на  активованому вугіллі, силікагелі, 3) алюмегелі; t = 200-400 °С – десорбція на цеолітах).

Витискувальна  або холодна – базується на відмінностях сорбційної здатності цільового компоненту і речовини, яка використовується як витискувач (десорбент).

Для десорбції органічних речовин використовують воду, аміак, СО2. Перспективно для цеолітів.

Десорбція із зниженням тиску має 2 варіанти:

1) радуціювання  тиску в системі після насичення  адсорбенту при надлишковому  тиску в період проходження  адсорбції;

2) створення  розрідження (разрежения) при здійсненні  стадії адсорбції при нормальному  тиску.

Вакуумна  десорбція – використовують вкрай  обмежено, внаслідок необхідності значних  енергетичних витрат як правило для  осушки.

Абсорбція – метод розділення газоповітряної суміші на складові частини шляхом поглинання одного або декількох газових компонентів (абсорбентів) цієї суміші рідким поглиначем (абсорбентом) з утворенням розчину.

Абсорбційні методи очистки відхідних газів  розділяють за слідуючими ознаками: за компонентом, що абсорбується, за типом абсорбенту, що використовується, за характером процесу (з циркуляцією, без циркуляції), за способом використання абсорбенту (з регенерацією і поверненням його в цикл (циклічні), без регенерації (нециклічні)), по використанню уловлених компонентів (з рекуперацією та без рекуперації) по організації – періодичні, безперервні.

Адсорбційні методи використовують для тонкого  очищення, оскільки вони забезпечують високу ступінь очистки газів, оскільки вони забивають пористі поглиначі – адсорбенти.

Переваги  абсорбції: економічність при очищенні великих кількостей газу, можливість безперервного ведення процесу, ефективність очищення деяких речовин  складає 32% (по HCl).

Недоліки: перед очищенням і після нього  значно знижається температура газів, що призводить до зниження ефективності розсіювання залишкових газів в атмосфері; утворюється велика кількість відходів (шлаку).

Рушійною  силою в цій реакції є градієнт концентрації на границі фаз газ  – рідина.

В залежності від особливостей взаємодії і компоненту, що вилучається з газової суміші абсорбційні методи розподіляють на:

- фізичну  абсорбцію;

- хемосорбцію,  яка супроводжується хімічною  реакцією в рідкій фазі.

Метод заснований на здатності горючих  токсичних компонентів  окислюватися до менш токсичних при наявності вільного кисню і високій температурі газової суміші.

Цей метод використовується у випадках, коли об’єми викидів великі.

Переваги:

1. Відсутність  шламового господарства.

2. Невеликі  габаритні розміри очисних установок.

3. Висока ефективність очищення при низькій собівартості очистки.

4. Простота  обслуговування, можливість автоматизації.

Недоліки: Метод не може використовуватись  для знешкодження газів, які при  спалюванні утворюють продукти, що по токсичності в багато разів  перевищують вихідний газовий викид (наприклад, при спалюванні газів, що містять фосфор, галогени, сірку).

Виходячи  з цього метод термічного знешкодження може використовуватись для викидів, які містять токсичні компоненти органічного походження, але не містять  галогенів, сірки, фосфору. (лако-фарбові, типографська справа, пахучі речовини).

Розрізняють три схеми: пряме спалювання; термічне окислення, > t = 600-800˚С; каталітичне  спалювання, > t = 250-480˚С.

Пряме спалювання.

Пряме спалювання – використовують, коли відхідні гази забезпечують значну частину енергії, необхідної для здійснення процесу. З економічних міркувань цей вклад повинен перебільшувати 50% загальної теплоти згорання. При проектування необхідно знати границю вибуху або займання відходів і газоподібного палива і сумішах із повітрям. Ці дані показують, чи буде даний вид відходів підтримувати горіння без додаткового підводу палива.

Одна  з проблем, які ускладнюють здійснення прямого спалювання, це можливість досягання температури до 1300˚С, але  витримування газу при такій температурі у присутності кисню може призвести до утворення оксидів азоту. Тобто відбувається вторинне забруднення. Прикладом прямого спалювання можуть бути вуглеводні.

Процес  можна проводити: в топочних пристроях, промислових печах, топках котельних агрегатів, у відкритих факелах.

Конструкція нейтралізатора повинна забезпечувати  необхідний час перебування газів  в апараті при температурі, яка  гарантує ступінь їх нейтралізації. Час складає 0,1-0,5 с (до 1 с). Температура  орієнтована на нижню границю самозаймання газової суміші і перевищує температуру займання на 100-150˚С.

В деяких випадках відхідні гази із значним  вмістом паливних компонентів можуть використовуватись як паливо.

Як  самостійне паливо можуть спалюватись  відхідні гази з теплотворною здатністю 3,35-3,77 МДж/м3.

Термічне  окислення.

Використовують  коли вихідні гази мають високу температуру, але в них немає достатньої кількості кисню; коли концентрація горючих домішок дуже низька (не забезпечує теплоту для підтримання  полум’я, тобто пряме спалювання – економічно невигідне).

Основні параметри, що враховують при проектуванні – час, температура, турбулентність пристроїв термічного окислення.

Час – достатній для повного окислення (0,3-0,8 с).

Турбулентність (характеризує ступінь переміщування) – необхідна для забезпечення ефективного контакту кисню і горючих домішок.

Температура – підбирається в залежності від  властивостей горючих домішок: 500-760˚С – для вуглеводнів; 680-800˚С – для  окислення СО;  480-680˚С – для нейтралізації запаху.

Переваги: Відносно низька температура, що знижує можливість утворення оксидів азоту.

Каталітичний  метод

Каталітичний  метод – використовують для знешкодження токсичних компонентів шляхом введення в систему каталізаторів, які  забезпечують хімічне перетворення забруднювачів в інші продукти.

Розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз. Останній найбільш поширений.

Каталітична взаємодія відбувається на границі  розділу фаз газової суміші і  каталізатору:

А + В + К  К [AB];  К [AB] → С + К

К [AB]  - активована проміжна сполука.

Каталітична термічна нейтралізація передбачає перетворення токсичних компонентів  шляхом введення в систему каталізаторів.

Каталітичне окислення відрізняється короткочасністю  процесу, що різко скорочує габарити, а також низько. Температурою (до 300˚С) порівняно з термічним окисленням.

Каталізаторна маса виконується у вигляді дроту, кілець, пластин з Ni, Al2O3, G з нанесеним  на них благородних металів (соті долі %).

В процесах санітарного очищення відхідних  газів промисловості застосовують методи каталітичного очищення при звичайній температурі.  Відрізняються ці методи наявністю каталізаторів (Pt, паладій, срібло - активніші, але дорогі, більш поширені -  MuO, CuO, CoO.

Гетерогенний  каталіз – багатоступінчастий процес:

1. Зовнішня  дифузія.

2. Внутрішня дифузія (надходження до активних центрів каталізатору).

3. Адсорбцію  продифулезованих молекул поверхнею  каталізатора.

4. Хімічна  взаємодія.

5. Десорбція  продуктів каталітичного перетворення.

6. Внутрішня,  зовнішня дифузія.

Універсальність гетерогенного каталізу визначається співвідношенням швидкості транспорту (переносу) реактантів і хімічного перетворення на поверхні реакторів. Каталізаторні гази (P, S, Fe).

Використовують:

1) високотемпературне  каталітичне відновлення;

2) селективне  каталітичне відновлення;

3) розкладання  гетерогенними відновниками.

Узагальнення: Для видалення газоподібних домішк викидів застосовують методи, що базуються  на фізичному чи хімічному зв’язування  молекул газу. Найчастіше, одночасно  йдуть процеси фізичного та хімічного  затримування домішок даного типу (хемосорбція, хімічна абсорбція). Деякі методи базуються виключно на перетворенні токсичних компонентів н відносно нешкідливі шляхом окислення (термічне чи каталітичне окислення) або розкладання на менш тоесичні компоненти.

 

3. Системи очищення викидів

Фільтри, які використовуються для  очищення навколишнього повітря  та

концентрованих газових викидів, відрізняються концептуально.  Якщо для 

очищення газів від пилоподібних часток використовуються в основному 

середовища, що фільтрують, у вигляді мембран  та тканих елементів, то для

очищення від забруднень більш  високого рівня дисперсності (молекулярного)

використовують здебільшого фільтри  завантажені сорбентами типу

активованого вугілля, цеолітів, молекулярних сит та ін. В останні роки для

очищення  газових викидів та збагачення технологічних  газів також 

використовують  напівпроникні мембрани

 

4. Методи знешкодження викидів

 

Термічні методи знешкодження газових  викидів застосовні при високійконцентрації  горючих органічних забруднювачів або оксиду вуглецю.

Найпростіший  метод - смолоскипна спалювання - можливий, коли концентраціягорючих забруднювачів  близька до нижньої межі займання. У цьому випадкудомішки служать  паливом, температура процесу 750-900 °  С і теплоту горіннядомішок можна утилізувати.

Коли концентрація горючих домішок менше нижньої  межі займання,то необхідно підводити  деяку кількість теплоти ззовні. Найчастішетеплоту підводять добавкою пального газу і його спалюванням  в очищуваному газі.

Горючі  гази проходять систему утилізації теплоти і викидаються ватмосферу. Такі енерготехнологічних схеми застосовують при достатньовисокому вмісті горючих домішок, інакше зростає витрата додаєтьсягорючого газу.

Для повноцінної  очищення газових викидів доцільні комбінованіметоди, в яких застосовується оптимальне для кожного конкретного випадкупоєднання грубої, середньої і тонкого очищення газів і парів. На першійстадіях, коли зміст токсичної домішки велике, більше підходятьабсорбційні методи, а для доочищення - адсорбційні або каталітичні.

Найбільш  надійним і найбільш економічним  способом охорони біосфери від шкідливихгазових викидів є перехід до безвідходного  виробництва, або добезвідходних технологій. Термін «безвідходна технологія» вперше запропонованоакадеміком М.М. Семеновим. Під ним мається на увазі створення оптимальнихтехнологічних систем з замкнутими матеріальними та енергетичнимипотоками. Таке виробництво не повинно мати стічних вод, шкідливих викидівв атмосферу і твердих відходів і не повинно споживати воду з природнихводойм.