Основные загрязнители атмосферы, физико-химические методы очистки воздуха.

Атмосфера представляет собой среду, в которой происходит распространение атмосферных загрязнителей от их источника; при этом влияние каждого данного источника определяется продолжительностью времени, частотой выпуска загрязнений и той концентрацией, воздействию которой подвергается какой-либо объект. С другой стороны, метеорологические условия играют лишь незначительную роль в уменьшении или устранении загрязнения воздуха, поскольку, во-первых, они не изменяют абсолютную массу выброса, -во-вторых, в настоящее время мы еще не умеем воздействовать на основные протекающие в атмосфере процессы, определяющие степень рассеивания загрязняющих веществ.

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.

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.

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.

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:

· N₂ O – 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, N₂ O₄ – оксиды азота V (N₂ О₄ = 2NО₂ ), при взаимодействии с водой образуют азотную кислоту 4NO₂ + 2Н₂ О + О₂ = 4HNО₃. Вызывают поражение дыхательных путей и отек легких.

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.

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.

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.

Механизмом вывода углекислого газа из атмосферы является поглощение его в результате фотосинтеза растений, а также связывание его в океанских водах

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. Промышленная пыль часто включает также оксиды различных металлов и неметаллов, многие из которых токсичны (оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, теллура).

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 ). 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 ). 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».

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в нем поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических углеводородов - вязкие масла.

Абсорберы чаще всего представляют собой скрубберы, в которые подается не вода, а жидкий реагент. В абсорберах в отличие от обычных скрубберов имеется насадка для увеличения площади поверхности контакта жидкости и газов. В них происходит механическая и главным образом химическая очистка газов от таких вредных выбросов, как оксиды азота, серы, угля, а также от сероуглерода и меркаптанов. Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления: чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические (поглощение тепла). Установки для хемосорбции внешне напоминают абсорберы. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75-0,92.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов, извлекать из газовоздушной смеси отдельные ее компоненты. Широко известный пример адсорбента с ультрамикроскопической структурой - активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах. Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

При каталитическом методе токсичные компоненты газовоздушной смеси, взаимодействуя со специальным веществом - катализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы или их соединения (платина, оксиды меди и марганца и пр.). Катализатор, выполняемый в виде шаров, колец или спиральной проволоки, играет роль ускорителя химического процесса. Добавка благородных металлов в виде пленки на поверхности катализатора составляет сотые доли процента к его массе.

Термический метод требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9-0,99, температура в зоне горения 500-750°С.

Характерным примером очистки газов этим способом является применение факела на нефтеперерабатывающих заводах. Со всех производств нефтеперерабатывающего завода отработавшие газы с различным содержанием горючих веществ собираются в одну магистраль, подаются в трубу и на высоте около 100 м сжигаются. Выброс этих газов (отходов производства) без сжигания недопустим, так как они не только ядовиты, но и взрывоопасны. Преимуществом метода сжигания вредных примесей является полная очистка газов в широком диапазоне типов загрязнителей с выделением оксида углерода и пара, а недостатком - дополнительный расход топлива.