Характеристика приоритетных загрязнителей атмосферы
Оксид серы (IV) – негорючий бесцветный газ с характерным резким запахом. Ощущается при концентрации в воздухе от 0,3 до 1,0 млн.-1. Хорошо растворяется в воде с образованием сернистой кислоты Н2SO3. При фотохимических и каталитических процессах в атмосфере SO2 частично окисляется до SO3 и превращается в серную кислоту и её соли.
Оксид серы (VI) – твердое вещество, выделяется при сгорании серы, содержащейся в ископаемом топливе, при выплавке металлов из руд.
Физиологическое воздействие SO2 на человека и животных заключается в поражении верхних дыхательных путей. Бронхоспазмы – затрудненное дыхание - у большинства особей появляется при содержании SO2 5 млн.-1 и более; а у некоторых особей, обладающих повышенной активностью, - при 1-2 млн.-1.
Известны случаи летальных исходов при поражении SO2. Бельгия – погибло 63 человека при содержании SO2 9,6 – 38,4 млн-1, в Доноре (США) при воздействии SO2 в составе смога в количестве 0,5 – 2 млн-1 – 20 человек. В Лондоне в течение 5 дней под воздействием SO2 при неблагоприятных атмосферных условиях погибло 4000 человек.
При содержании SO2 выше ПДК происходит снижение роста урожайности и изменение качественного состава растения. Различают 3 механизма влияния диоксида серы на растения.
SO2, проникая внутрь листа через устьица, нарушает процесс фотосинтеза.
SO2 проникает в клетки и растворяется там, изменяя рН клеточной среды. Уменьшение рН клеточной среды снижает стабильность биоколлоидов, вызывает их коагуляцию, что ведет к повреждению и отмиранию клеток.
В листьях происходит постепенное накопление химически связанной серы, приводящее к сульфатному отравлению, и, следовательно, к их отмиранию.
Культуры, на которые воздействует оксид серы (IV): крыжовник, смородина, яблоня, вишня, черешня, слива, озимая рожь, яровая пшеница, картофель, свекла, шпинат, морковь, клевер и др. Пороговые концентрации определяют в течение нескольких лет в полевых опытах поблизости от источника выброса. При концентрациях ниже пороговой повреждений не наблюдалось, при более высоких концентрациях оказывалось существенное влияние на рост, урожайность и качественный состав того или иного растения.
ПДК SO2 в атмосферном воздухе населенных мест, мг/м3:
ПДК с.с..=0,5 мг/м3; ПДКм.р. = 0,05 мг/м3
Оксид углерода СО, или угарный газ, не имеет цвета и запаха. Является постоянным компонентом атмосферы. Естественный уровень 0,01 – 0, 09 мг/м3. Воздушным потоком СО поднимается в стратосферу, где окисляется до СО2. Участвует в восстановлении НNO3 до NО2; поглощаясь грибками, микроорганизмами и растениями (ячмень, горох, огурцы и др.), также окисляется до СО2. Время жизни в атмосфере 2 ÷ 4 месяца.
Оксид углерода оказывает непосредственное токсичное действие на клетки, нарушая тканевое дыхание и уменьшая потребление тканями кислорода. Соединяясь с гемоглобином крови, образует карбоксигемоглобин; с миоглобином образует карбоксимиоглобин. Сродство к СО у гемоглобина и миоглобина соответствено в 210 и 25 – 30 раз выше, чем к О2..
Хроническое отравление СО влияет на углеводный обмен, усиливая распад гликогена в печени, нарушая утилизацию глюкозы, угнетает активность сердца и мозга. При остром отравлении СО нарушается азотистый обмен, изменяется содержание белков плазмы, катехоламинов в тканях мозга, снижается сердечная деятельность, изменяется деятельность почек. Смертельные дозы для человека – 3000 мг/м3 – в течение 1 часа, 14080 мг/м3 в течение 1-3 мин.
ПДК в атмосферном воздухе населенных мест:
ПДК м.р. – 3 мг/м3; ПДК ср.с. - 1 мг/м3
Оксид азота (II) NO – бесцветный газ. Кислородом воздуха окисляется до NO2. Является кровяным газом, переводит оксигемоглобин в метгемоглобин, оказывает прямое действие на центральную нервную систему. При тяжелом отравлении оксидом азота наблюдается синюшность губ, слабый пульс, изменяется цвет крови. При хроническом отравлении нарушаются функции органов дыхания и кровообращения
ПДК в атмосферном воздухе населенных мест:
ПДК м.р. – 0,4 мг/м3; ПДК ср.с. – 0,06 мг/м3
Оксид азота (IV) NO2 – стабильный газ желтовато-бурого цвета, придающий воздуху коричневый оттенок. NO2 реагирует в воздухе с влагой, образуя азотную и азотистую кислоту. Сильный окислитель. NO2 поглощает УФ – радиацию в области длин волн 0,3 - 0,4 мкм. Способствует фотохимическому загрязнению атмосферы вследствие взаимодействия с другими веществами загрязненного воздуха - SO2, углеводородами и др. В среднем NO2 находится в атмосфере около 3 суток. Обладает выраженным раздражающим и прижигающим действием на дыхательные пути, что приводит к токсичному отеку легких, угнетает аэробное и стимулирует анаэробное окисление в легочной ткани.
Вдыхание в течение 5 мин. NO2 при содержании в воздухе 510 – 760 мг/м3 вызывает бронхопневмонию; 950 мг/м3 отек легких в течение 5 мин. С воздействием чистого диоксида азота связывают отравления у рабочих в невентилируемых свежезаполненных силосных башнях. Токсично действует на растения, вызывая пожелтение и опадание листьев (наиболее чувствительное растение горчица), и животных.
ЛК50 – летальная концентрация вещества, вызывающая при вдыхании (мыши 2 ч., крысы – 4 ч.) гибель 50 % животных, мг/м3.
ПДК в атмосферном воздухе населенных мест:
ПДК м.р. – 0,25 мг/м3; ПДК ср.с. – 0,1 мг/м3
Аммиак (NH3) – бесцветный газ с удушливым резким запахом и едким вкусом. На воздухе быстро переходит в карбонат аммония или поглощается влагой. Реакционноспособен. Обладает восстановительными свойствами. Порог обонятельного ощущения 0,5 – 0,55 мг/м3. При концентрациях 40 –80 мг/м3 сильно раздражает глаза, верхние дыхательные пути вплоть до рефлекторной задержки дыхания, вызывает головную боль. Смертельными для человека при вдыхании в течение 0,5 – 1 часа считают 1500 – 2700 мг/м3. Максимальная допустимая разовая концентрация, влияющая на фотосинтез древесных растений, составляет 0,1 мг/м3.
ПДК в атмосферном воздухе населенных мест:
ПДК м.р. – 0,2 мг/м3; ПДК с.с. – 0,04 мг/м3
Сероводород Н2S – бесцветный газ со специфическим запахом. Сильный яд. Растворяется в воде, легко окисляется кислородом воздуха, озоном. Вызывает поражение нервной системы, дыхательных путей и глаз, острые и хронические отравления. Высокие дозы Н2S оказывают действие, сходное с эффектом цианидов. Порог обонятельного ощущения у человека 0,014 – 0,03 мг/м3 . При 225 мг/м3 оказывает парализующее действие на обонятельный аппарат и приводит к потере сознания. При содержании Н2S в воздухе в количестве 1500 – 3000 мг/м3 известны летальные исходы. ЛК50 составляет 1200 мг/м3 при экспозиции 2 часа.
ПДК м.р. - 0,008 мг/м3; ПДК с.с. - 0,008 мг/м3 .
Ртуть. Рассеянный элемент. В самородном виде встречается в небольших количествах. Ртуть была известна уже в древности, а в средние века служила объектом опытов алхимиков. В исторических документах она упоминается позже, чем золото, серебро, медь, свинец, железо. Добыча киновари HgS велась уже при Теофрасте (300 г. до н.э.). Ятрохимики ввели ртутные препараты в медицину.
Получение: обжиг киновари HgS + О2 → Hg + SО2
Ртуть – серебристо-белый металл. Применяется в приборостроении (термометры, манометры, регуляторы давления, вентили, высоковакуумные насосы); в электротехнике (переключатели, ртутные кварцевые лампы, лампы дневного света); для получения амальгам; в реакциях меркурирования.
Суммарное количество Hg в океане ≈ 206·106 т; в атмосфере – 300 – 350 т.
Время жизни ртути в атмосфере около 10 суток.
Источники загрязнения: предприятия по получению ртути с помощью пирометаллургического процесса, сжигание органического топлива, металлургические предприятия (цветная металлургия), коксование угля, возгонка древесины, сжигание мусора, утилизация электрических ламп дневного света.
Ртуть отличается высокой токсичностью для любых форм жизни. Действие ее на теплокровных отличается большим разнообразием клинических проявлений токсического действия. Эти проявления зависят от свойств вещества, в виде которого ртуть поступает в организм, пути поступления и дозы. В основе механизма действия ртути лежит блокада биологически активных групп белковых молекул и низкомолекулярных соединений. Установлено включение ртути в молекулу транспортной РНК, играющей центральную роль в биосинтезе белков. Биохимические сдвиги заключаются также в нарушении окислительного фосфорилирования в тканях печени и почек. Ртуть проявляет нейротоксичность, особенно страдают высшие отделы нервной системы. Клиническая картина отравления развивается через 8 – 24 часа, выражается общей слабостью, головной болью, болями при глотании, повышенной температурой. Затем присоединяются болезненность десен, изменения в полости рта (стоматиты), боли в животе, поражения почек, иногда воспаление легких. Известны смертельные случаи при острых отравлениях парами ртути.
Морские свинки, вдыхавшие пары ртути (3,5 – 5) мг/м3, погибали в течение 4-6 суток. Собаки, ежедневно подвергавшиеся воздействию паров ртути в воздухе 15-20 мг/м3 в течение 8 часов погибали через 1-3 суток.
Присутствие ртути в воде подавляет жизнедеятельность одноклеточных морских водорослей (при концентрации уже 0,1 мкг/л), нарушает фотосинтез. Пары ртути обладают фитотоксичностью, которая проявляется в нарушении роста корневой системы, ветвей, ускоряет старение растений. Токсичны также соединения двухвалентной ртути.
ПДК с.с.= 0,0003 мг/м3
При совместном присутствии в атмосфере населенных мест нескольких компонентов, обладающих эффектом суммации действия в отношении человека, сумма их приведенных концентраций при расчете не должна превышать единицы:
С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 + … + Сn / ПДКn < 1, где
С1 , С2 , … Сn – фактические концентрации в атмосфере;
ПДК1 , ПДК2 , … ПДКn – предельно-допустимые концентрации тех же веществ.
Методы и средства защиты атмосферы
Все известные методы и средства защиты атмосферы от химических примесей можно объединить в три группы.
Мероприятия, направленные на снижение мощности выбросов, т.е. уменьшение количества выбрасываемого вещества в единицу времени.
Мероприятия, направленные на защиту атмосферы путем обработки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки.
Мероприятия по нормированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройствах, так и в регионе в целом.
Для снижения мощности выбросов химических примесей в атмосферу наиболее широко используют: замену менее экологичных видов топлива экологичными, сжигание топлива по специальной (особой) технологии, создание замкнутых производственных циклов.
В первом случае применяют топливо с более низким баллом загрязнения атмосферы. При сжигании различных топлив такие показатели, как зольность, количество диоксида серы, оксидов азота могут сильно различаться между собой, поэтому введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах, который отражает степень вредного воздействия на человека. Так для сланцев он равен 3,16, подмосковного угля – 2,02, экибастузского угля 1,85, березовского угля – 0,5, природного газа – 0,04.
Сжигание топлива по особой технологии осуществляется либо в кипящем (псевдосжиженном) слое, либо предварительной его газификацией.
Одним из перспективных способов защиты атмосферы от химических примесей является внедрение замкнутых производственных процессов. Замкнутое безотходное производство предусматривает комплексную переработку сырья с полным использованием отходов либо в качестве материалов для получения новой продукции на производстве, либо поставляется другим предприятиям отрасли или смежных отраслей.
Классификация систем очистки воздуха
По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделяются на: пыли, туманы, газопарообразные примеси.
Промышленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной – твердые частицы или капельки жидкости.
Системы очистки воздуха от пыли делятся на четыре основные группы: сухие пылеуловители, мокрые пылеуловители, электрофильтры, фильтры.
При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м3 .
Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называемые туманоуловителями.
Средства защиты воздуха от газопарообразных примесей зависят от выбранного метода очистки.
По характеру протекания физико-химических процессов выделяют: метод абсорбции (промывка примеси выбросов растворителями), метод хемосорбции (промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), метод адсорбции, каталитический метод, термический метод.
Все процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают в основном две операции: осаждение частиц пыли или капель жидкости на сухих или смоченных поверхностях и удаление осадка с поверхностей осаждения.
Основной операцией является осаждение, по ней классифицируются все пылеуловители. Однако вторая операция (удаление осадка) несмотря на кажущуюся простоту связана с преодолением ряда технических трудностей, часто оказывающих решающее влияние на эффективность очистки или применимость того или иного метода.
Выбор пылеулавливающего устройства предопределяется дисперсным составом улавливаемой частицы промышленной пыли. Поскольку частицы имеют разнообразную форму (шарики, пластинки, иглы, палочки, волокна и т.д.), то для них понятие размера условно. В общем случае принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения, - седиментационным диаметром. Под ним подразумевают диаметр шара, скорость осаждения и плотность которого равны скорости осаждения и плотности частиц.
Для очистки выбросов от жидких и твердых примесей применяют различные конструкции улавливающих аппаратов
Процесс очистки от вредных примесей характеризуется тремя основными параметрами: общей эффективностью очистки, гидравлическим сопротивлением, производительностью.
Общая эффективность очистки показывает степень снижения вредных примесей в применяемом средстве и характеризуется коэффициентом
η =( Свх – Свых )/ Свх ,где
Свх и Свых – концентрации вредных примесей до и после средства очистки.
Гидравлическое сопротивление определяется разностью давления на входе Рвх и выходе Рвых из системы очистки.
Производительность систем очистки показывает, какое количество воздуха проходит через нее в единицу времени, м3 /ч.
Системы и аппараты пылеулавливания
Сухие пылеуловители
К ним относятся такие, в которых очистка движущегося воздуха от пыли происходит механически под действием сил гравитации и инерции.
Для сухой очистки газов применяют центробежные обеспыливающие системы – циклоны (рис.1) Газовый поток, попадая во внутренний корпус циклона (1) через патрубок (2), совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по направлению к бункеру (4). Под действием инерции частицы пыли осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Очищенный газовый поток выходит из бункера через патрубок (3). Особенностью таких систем очистки является обязательная герметичность бункера, в противном случае из-за подсоса воздуха осаждаемые частицы пыли попадают в выходную трубу.
На практике используют разные системы подачи и удаления воздуха и пылеосаждения. Эффективность циклонов зависит от концентрации пыли и размеров ее частиц. Средняя эффективность обеспыливания газов составляет 98 % - при размере частиц 30-40 мкм, 80 % - при размере частиц 10 мкм, 60 % - при размере частиц 4 - 5 мкм.
Преимущества циклонов: простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей. Недостатки циклонов: затраты электроэнергии на вращение, большой абразивный износ частей аппарата пылью.
Кроме циклонов применяются другие типы сухих пылеуловителей: ротационные, вихревые, радиальные. При общих принципах действия они различаются системами пылеулавливания и способами подачи воздуха.
' 'Пыль
Рис. 1. Циклон
б) В)
Рис 2. Пылеотделители:
а — пылеосадочная простая камера; б — пылеосадочная лабиринтовая камера; в — центробежный пылеотделитель; 1, 2 — внутренний и наружный цилиндры; 3 - конус; 4, 5 - разгрузочное и впускное отверстия
Мокрые пылеуловители
Особенностью их является высокая эффективность очистки от мелкодисперсной пыли (менее 1 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов.
Принцип их работы заключается в осаждении частиц пыли на поверхности капель или пленки жидкости под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на: форсуночные скрубберы, скрубберы Вентури, аппараты ударно-инерционного типа, аппараты барботажного типа и др.
Наибольшее практическое применение находят скрубберы Вентури. Их эффективность 97 –98 %. Скруббер – аппарат для промывки жидкостью газов в целях извлечения из них отдельных компонентов.
Электрофильтры
Являются наиболее эффективными видом очистки газов от пыли. Основной принцип работы – ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между коронирующим (1) и осадительным (2) электродами. Загрязненные газы, попав между электродами, способны проводить электрический ток вследствие имеющейся частичной ионизации. При увеличении напряжения число ионов растет, пока не наступит предельное насыщение, и все ионы не окажутся вовлеченными в движение от одного электрода к другому. Отрицательно заряженные частицы движутся к осадительному электроду (+), а положительно заряженные частицы оседают на коронирующем электроде (-). Т. к. большинство частиц пыли получают отрицательный заряд, основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде, с которого пыль легко удаляется. Силовые линии (3) направлены от осадительного электрода к коронирующему.
Рис.3. Схема расположения
электродов в электрофильтре
Эффективность очистки газов электрофильтрами достигает 90 – 99 %, производительность до 1 млн. м3 /ч.
Фильтры
Для тонкой очистки промышленных выбросов. Работа их основана на фильтровании воздуха через пористую перегородку, в процессе которой твердые частицы примесей задерживаются на ней. В фильтрах применяются перегородки различных типов:
в виде зернистых слоев (например, гравий – неподвижные свободно насыпанные материалы);
гибкие пористые (ткани, войлоки, губчатая резина, пенополиуретан);
полужесткие пористые (вязаные сетки, прессованные спирали и стружка);
жесткие пористые (пористая керамика и др.);
Туманоуловители
Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры. Принцип действия их основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим их стеканием под действием гравитационных сил. В качестве материала фильтрующего элемента используются войлок, лавсан, полипропилен и другие материалы толщиной 5- 15 см. Эффективность туманоуловителей для частиц размером менее 3 мкм может достигать 99 %.
Методы и системы очистки от газообразных примесей
Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Абсорбент выбирают из условия растворения в нем поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов хлористого водорода, аммиака в качестве поглотителя применяют воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, ароматических углеводородов – вязкие масла.
Установки, реализующие метод абсорбции, называются абсорберами. Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления: чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции. Подобрав нужный сорбент, газ можно очистить от любых вредных веществ.
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений.
Метод адсорбции. Основан на поглощении газов или паров твердыми поглотителями – адсорбентами, которые имеют высокую пористость и большую удельную поверхность. К ним относятся активированные угли, силикагель, алюмогели, цеолиты и др.
Адсорбционные методы применяются при очистке больших объемов газов с невысокой концентрацией компонентов. Адсорбционные процессы осуществляются в аппаратах – адсорберах. После насыщения поглотителя его десорбируют, т.е. подвергают десорбции (нагревают). В результате происходит выделение поглощенного вещества, которое впоследствии можно использовать в качестве химического сырья, а сам генерированный адсорбент применять повторно в процессе очистки.
Газоочистное и пылеулавливающее оборудование постоянно совершенствуется.