Защита атмосферы (Вопрос 3)

Атмосфера (от. др.-греч.— пар и — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля. Толщина атмосферы — примерно 2000 — 3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха — (5,1—5,3)×10¹⁵ тонн.

Строение атмосферы:

- Тропосфера ( тропос – изменчивый, образовываются облака, циклоны и антициклоны)

- Стратосфера (стратос - слоистый)

- Мезосфера (мезо - между)

- Термосфера

- Экзосфера (сфера рассеяния).

Загрязняющие вещества: сернистый ангидрит, окись азота, углеводороды, твердые частицы (пыль, зола, сажа).

Специфические выбросы: хлор, молекулярный сероводород, аммиак, фтористые соединения, тяжелые металлы.

Токсические действия основных загрязняющих веществ.

Угарный газ СО: бесцветный газ не раздражает слизистой оболочки глаз и дыхательные пути. При вдыхании взаимодействует с гемоглобином крови, в следствии чего гемоглобин не способен держать кислород, поэтому угарный газ в высоких концентрациях вызывает удушение. Источники поступления: двигатели внутреннего сгорания, металлургические предприятия, котельные.

Сернистый ангидрид SO₂: бесцветный газ с резким неприятным запахом, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Образуется при сжигании газа и при переработке руд. Существует в атмосфере примерно 4 суток. Источники поступления: ТЭЦ, городские катальные, металлургические предприятия.

Окислы азота NO: образуется при сжигании топлива. Окись азота NO способствует разрушению азотного слоя атмосферы: NO+O₃ = NO₂+O₂ двуокись азота при контакте с влагой образует азотную кислоту, кислотные осадки 2NO₂+H₂O-HNO₃(азотная кислота)+HNO₂. Источники поступления: двигатели внутреннего сгорания, ТЭЦ, котельные, металлургические предприятия.

Углеводороды: вызывают головную боль. Возникают при сжигании топлива. Источники: нефтегазовые и нефтехимические предприятия.

Твердые частицы (пыль зола сажа) оказывают механическое воздействие, способные абсорбировать токсичные продукты сгорания.

Источники загрязнения атмосферы подразделяются на стационарные и не стационарные.

Стационарные: промышленные предприятия. Загрязнители промышленности:

1) Металлургическая промышленность. 27% от стационарных источников.

2) Энергетическая промышленность 21% выбросов от стационарных источников

3) Нефтегазовые 12%

4) Нефтехимическая 8%

Нестационарные источники – это транспорт, сжигание топлива населением и прочее. Ежегодно в атмосферу Р.Ф от нестационарных источников поступает более 30 млн. тонн загрязняющих веществ.

Состав автомобильных выбросов: 70% CO (угарный газ), 6% (окислы азота) а также сажа. В Москве выбросы автотранспорта примерно 1 млн. тонн в год, что составляет 90% антропогенных выбросов.

Классификация выбросов в атмосферу по ГОСТу:

1. По агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные).

2. По размерам частиц (<0,5 мкм, от 0,5 до 3 мкм, от 3 до 5 мкм, от 5 до 10 мкм, > 10 мкм)

3. По массе (<1кг/ч, от 1кг/ч до 10 кг/ч, от 10 кг/ч до 100 кг/ч)

4. По температуре (нагретые, холодные)

5. По высоте источника ( низкие < 20 метров, от 20-40 метров – промежуточное, высшее > 40 метров)

6. По организации отвода и контроля (это организованные через трубы, вентиляции, шахты, фонари. И неорганизационные в результате аварий, разгерметизаций)

7. По происхождению (первичные т.е. поступающие непосредственно от тех или иных источников. Или вторичные являющиеся продуктом образования первичных выбросов)

8. Технологические.

Методы очистки выбросов в атмосферу.

Очистка выбросов от пыли. Используют сухие и мокрые методы.

I. Сухие методы. Циклоны пылеуловители.

Схема цилиндрического пылеуловителя. Загрязненный воздух передается через входной патрубок (1) в направлении по касательной к стенке (2). Далее он совершает вращательно-поступательные движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в пыле сборник (3), откуда периодически удаляются. Поток воздуха разворачивается на 180 градусов и выходит в выхлопную трубу (4) Используются «циклоны» для предварительной чистки от крупной пыли.

Электрофильтры. Принцип работы основан на основе ионизации пылегазового потока у поверхности координирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду координирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли.

Сухие фильтры – представляют собой герметичную камеру с перегородкой из фильтрующего материала.

Разновидности сухих фильтров:

1) зернистые фильтры (галька, керамзит шлак) Используют для предварительной очистки сильнозагрязненного воздуха.

2) фильтры с гибкими пористыми перегородками (хлопчатобумажные, лавсановые, нейлоновые ткани) Используют для тонкой очистки воздуха.

3) фильтры с полужесткими пористыми перегородками (металлические сетки) Используют при повышенных температурах.

II. Мокрые фильтры. Основаны на связи пыли с жидкостью (турбулентные аппараты, скрубберы)

Схема скруббера Вентури. Внутри корпуса скруббера имеется расширяющаяся к низу труба – Вентури. Загрязненный воздух и вода подаются в самую узкую часть трубы. Связывание пыли осуществляется за счет сил инерции и броуновского движения. Высокая степень очистки (95,99%).

Очистка воздуха от токсичных газов и паров.

1) Сорбционные методы. Сорбция – процесс поглощения одного вещества (сорбита) другим веществом (сорбентом). Сорбция обратимый процесс при определенных условиях, если осуществляется десорбция – удаление поглощенного вещества из сорбента. Процесс сорбции сопровождается химической реакцией и является не обратимым, называется хемосорбцией.

АБсорбция – процесс поглощения вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом: вода, растворы щелочей/соды/аммиака) Осуществляется абсорбционных колоннах различных конструкций, а также скрубберах.

Схема абсорбционной колонны, насадочной конструкции. Внутри колонны имеются секции заполненные элементами насадок керамическими или стеклянными кольцами и т.д. Высокая эффективность очистки обеспечивается расширением абсорбирующей жидкости по элементам насадки и увеличением поверхности контакта между жидкостью связывающее загрязняющее вещество с воздухом. Для увеличения степени поглощения газов, в абсорбирующую жидкость добавляют реагенты, вступающие с поглощенным газом в химическую реакцию. Так осуществляется процесс хемосорбции, являющийся необратимым.

SO₂+NaOH → Na₂SO₃+H₂O сульфид натрия

2NH₃+H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ карбонат натрия

АДсорбция – процесс поглощения жидкости или газа ТВЕРДЫМ адсорбентом, осуществляемый на границе раздела фаз. Адсорбенты – активированный уголь, окись алюминия и др. Адсорбцию осуществляют в адсорбтных колоннах различных конструкций – периодическим или непрерывным методом. Адсорбцию используют для очистки воздуха от паров органических растворителей токсичных и радиоактивных газов – это рекуперационный (??) метод, позволяющий выделить загрязняющее вещество с поверхности адсорбента и повторно его использовать.

Рассмотрим стадии адсорбции на примере рекуперации толуола:

1) Адсорбция – поглощение толуола активированным углем до насыщения адсорбента

2)Десорбция – удаление толуола из адсорбента путем обработки адсорбента перегретым водяным паром.

3)Сушка адсорбента.

4)Охлаждение адсорбента.

Дожигание

Это — высокоэффективный метод, используется для очистки воздуха от паров органических расстворителей и CO.

Может осуществляться открытым способом (в факелах сгорания) при температуре 1100-1300 градусов.

Недостаток метода — образование вторичных загрязнений — окислов азота.

Так же дожигание проводят в камерах сгорания. Воздух сначала подается в камеру предворительного воспламенения и далее в камеру сгорания, где при температуре 1100 градусов без катализатора или 300-600 градусов с присутствием катализатора происходит окисление примесей до углекислого газа и воды.

Химические методы

Очистка воздуха от окислов азота.

Используется некаталитическое гамогенное восстановление при температуре 970+-50 градусов, или каталитическое гетерогенное восстановление при температуре 450+-50 градусов:

2NO⁺² + 2NH₂⁺³ + ½ O₂  2N₂⁺ + 3H₂O

Очистка выбросов от сернистого ангидрида.

Загрязненный воздух подается в реактор, в котором при температуре 390 градусов происходит хемосорбция сернистого ангидрида (SO2) твердым оксидом меди, с образованием медного купороса

SO₂ + CuO + ½ O₂  CuSO₄

2NO + 2NH₃ + ½ O₂  2N₂ + 3H₂O

Далее осуществляют регенерацию адсорбента, восстанавливая медь молекулярным водородом и окисляя затем кислородом.

CuSO₄ + 2H₂  Cu + SO₂ + 2H₂O

Cu + ½ O₂  CuO

Выделяющийся при этом сернистый ангидрид окисляют до серного ангдрида, который используют для получения серной кислоты.

SO₂ + ½ O₂  SO₃

SO₃ + H₂O  H₂SO₄