4.4. Екологічні проблеми хімічної технології

Під безвідходним виробництвом розуміється створення оптимальних технологічних систем із замкненими матеріальними і енергетичними потоками. Таке виробництво не повинне мати стічних вод, шкідливих викидів в атмосферу і твердих відходів і не повинно споживати воду з природних водоймищ.

Поняття „безвідходне виробництво” має дещо умовний характер; це ідеальна модель виробництва, оскільки у реальних умовах не можна повністю ліквідовувати відходи і позбавитися впливу виробництва на навколишнє середовище. Точніше слід назвати такі системи маловідходними, такими, що дають мінімальні викиди, в яких у результаті самоочищаючої здібності природи зберігається екологічна рівновага. Тільки створення безвідходних виробництв служить радикальною мірою охорони природи і воно оптимально з погляду економіки хімічного виробництва, тобто дозволяє вирішити проблему охорони навколишнього середовища не тільки технічно, але і з економічно розумними витратами.

У схемі хіміко-технологічного процесу сировина – хімічні реакції – готовий продукт відходи утворюються: за рахунок домішок у сировині; за рахунок побічних хімічних реакцій і за рахунок неповноти перебігу хімічних реакцій. Всі шляхи зменшення відходів на кожній стадії технологічного процесу ведуть, як правило, до його інтенсифікації. Зараз промислові викиди не є неминучістю, вони лише наслідок недосконалості всього виробництва або його окремих ланок. Заводи майбутнього повинні працювати практично без зовнішніх викидів завдяки комплексному використанню всіх компонентів сировини, комбінуванню підприємств, корінній зміні технології зі створенням нових технологічних методів і систем (зокрема, замкнених систем) і застосуванню оптимальних технологічних режимів, цільових продуктів, що відповідають максимальному виходу.

Зараз визначилося декілька основних напрямів охорони біосфери, яка зрештою веде до створення безвідходної технології: розробка і впровадження принципово нових технологічних процесів і систем, що працюють за замкненим циклом, що дозволяють виключити утворення основної кількості відходів; створення безстічних технологічних систем і водооборотних циклів на базі найбільш ефективних методів очищення стічних вод; переробка відходів виробництва і споживання вторинної сировини; створення територіально – промислових комплексів із замкненою структурою матеріальних потоків сировини і відходів усередині комплексу.

Розробка і впровадження принципово нових технологічних процесів і систем, що працюють за замкненим циклом, які дозволяють виключити утворення основної кількості відходів, є основним напрямом технічного прогресу.

Значні успіхи у цьому напрямі досягнуті у чорній і кольоровій металургії, при переробці матеріалів для ядерної техніки, у хімічній промисловості. Екологічно нешкідливі металургійні (та інші) процеси, що здійснюються при високих температурах за допомогою плазми (інертний газ, нагрітий 3000 К у високотемпературній електричній дузі). Застосування плазмового нагрівання у металургійних плавильних агрегатах дозволить одержувати високоякісні метали практично без відходів.

У хімічній промисловості давно застосовують маловідходні рециркуляційні хіміко-технологічні системи з практично повним використанням вихідних реагентів. Це перш за все це каталітичні процеси у газовій фазі з невеликим виходом продукту за один цикл – синтез аміаку, синтез метилового і етилового спиртів та ін. Наприклад, при синтезі аміаку за оборотною екзотермічною реакцією:

N₂+3H₂↔2NH₃ – Н (4.1)

фактичний ступінь перетворення досягає не вище 14—20%.

Повне використання вихідних реагентів і наближення до безвідходної технології досягається багаторазовим поверненням азотоводневої суміші, що не прореагувала, у каталітичний реактор, тобто застосуванням замкненої (рециркуляційної) системи.

Принцип безвідходної технології прагнуть здійснити і у виробництвах, що здавна здійснюються за послідовним технологічним зв'язком, наприклад у виробництві сульфатної кислоти. У нових технологічних системах виробництва сульфатної кислоти використовується метод подвійного контактування, подвійної абсорбції, що дає можливість скоротити шкідливі викиди в атмосферу у 5 – 6 разів. Ще безпечніше екологічно рециркуляційна система виробництва сульфатної кислоти, що практично виключає викиди в атмосферу (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Рециркуляційна енерготехнологічна система виробництва сульфатної кислоти: 1—випарник сірки; 2–піч для спалювання парів сірки; 3–сепаратор–паровідокремлювач; 4–інжектор; 5–теплообмінник; 6–контактний апарат; 7–абсорбер оксиду сірки (VI); 8 – збірник сульфатної кислоти; 9 – кислотний насос; 10 – холодильник; I – водний конденсат; II – рідка сірка від насоса; III – технічний кисень; 1V – перегріта пара споживачу; V – циркуляційний газ; VI–газ на другий санітарний ступінь контакту і абсорбції; VII–продукційна сульфатна кислота

У рециркуляційній системі сульфатну кислоту одержують з сірки під тиском, при високій концентрації SO₂ у вихідному газі. Пари сірки окиснюють у SO₂ частково у випарнику і повністю у камерній печі. Оксид сірки (IV) з печі подається у контактний апарат спільно з циркуляційним газом за допомогою інжектора. У контактному апараті у зваженому шарі ванадієвого каталізатора відбувається окиснення SO₂ у SO₃; газова суміш надходить у теплообмінник і абсорбер, де оксид сірки (VI) поглинається концентрованою сульфатною кислотою з утворенням продукційної сульфатної кислоти, а газ, що не прореагував, і містить SO₂, знову подається у контактний апарат для окиснення. Основні апарати схеми–піч для спалювання сірки і контактний апарат – поєднують функції хімічного реактора і котла – утилізатора. У результаті за рахунок теплової енергії хімічних реакцій виробляється товарна перегріта пара і одночасно з зони реакції відводиться зайва теплота.

Створення безстічних технологічних систем і водооборотних циклів на базі найбільш ефективних методів очищення стічних вод – найважливіший напрям охорони гідросфери і зниження споживання природної води промисловістю. Це завдання вирішується широким впровадженням систем водообороту у промисловості. Споживання води у промисловості скорочується шляхом удосконалення технології і заміни водяного охолоджування повітряним. В Україні розроблені системи замкненого водообороту практично без стоків і витрати свіжої води.

Основні рішення, прийняті у варіантах комплексних схем очищення і повторного використання стічних вод, приблизно однакові і відрізняються лише набором і послідовністю очисних установок відповідно до складу стічних вод. Ці рішення такі: у всіх системах передбачені рецикли стічних вод в основних водоємних виробництвах з наявністю локальних очисних установок на певному рівні рециклу; у загальнозаводську каналізацію дозволене скидання лише тих стоків, які неможливо або невигідно повторно використовувати у даному виробництві, та які можна очистити на загальнозаводських очисних установках; усі стічні води розділені на самостійні потоки: господарсько–побутові, загально забруднені, сильно мінералізовані, слабко мінералізовані і зливові.

Господарсько-побутові і органічно забруднені стоки проходять спільне очищення на біологічних очисних спорудах; слабко мінералізовані стоки піддаються фізико – хімічному очищенню; сильно мінералізовані – фізико–хімічному очищенню, а потім термічному опрісненню. Дистилят установок опріснення використовується на ТЕЦ, а розсіл – як сировина для електролізу або підлягає захороненню. Для стоків, забруднених особливо токсичними речовинами, що містять біологічно нерозкладані сполуки, наприклад, „жорсткі” ПАР, або при необхідності суворого коректування складу оборотної води (флотація, електрохімічні виробництва), застосовують локальні прийоми тонкого очищення даного стоку. Для цього розроблені нові методи очищення стічних вод–радіаційні, фотохімічні, зворотний осмос, озонування та ін. Проте найбільш доцільний прийом знешкодження локальних стоків, що містять особливо токсичні, важко розкладені сполуки – це дослідження шляхів виключення такого стоку або його скорочення до мінімуму чисто технологічними прийомами.

Водооборотні цикли одночасно з очищенням води використовують і для її охолоджування у тих виробництвах, де вода нагрівається. Для цього стічні води після очищення охолоджують у градирнях, теплообмінниках повітряного охолоджування або інших теплообмінних пристроях, після чого знову повертаються у цикли.

Ряд заводів, наприклад, деякі нафтопереробні підприємства у маловодних районах, працюють без скидання стічних вод у водоймища, стічні води після біологічного і фізико–хімічного очищення повністю використовуються у замкненому циклі.

Переробка відходів виробництва і споживання як вторинної сировини – найпоширеніший спосіб зменшення промислових викидів. Розробкою окремих заходів щодо скорочення відходів і очищення викидів займаються багато науково–дослідних і проектних організацій, а також практично всі підприємства, що мають шкідливі викиди. Для зменшення кількості відходів на діючих підприємствах часто здійснюють повну або часткову утилізацію відходів шляхом хімічної переробки; іноді відходи виробництва знищують, а у деяких випадках піддають біологічній переробці в умовах, що моделюють природні. Існує багато способів утилізації відходів різних підприємств.

Найбільшу кількість відходів використовує як сировину промисловість будівельних матеріалів–цементу, цегли, плит, блоків, труб, будівельних розчинів. Сировиною для виробництва будівельних матеріалів у першу чергу слугують відходи видобування корисних копалин – вугілля, сланцевих руд (скельні породи, пісок), а також зола і шлаки перероблення твердого палива і металургійних підприємств. Гранульовані металургійні шлаки слугують традиційною сировиною виробництва портландцементу, бетону, труб, плит, цегли. Цементні заводи будують поблизу металургійних, в одному територіально–промисловому комплексі, виробляючи на основі відходів високоякісні будівельні матеріали.

Для виробництва цементу і інших будівельних матеріалів використовують багато відходів хімічної промисловості–нефеліновий шлам, колчеданні недогарки, фосфогіпс та ін. Фосфогіпс, тобто гіпс (CaSO₄∙2H₂O), що містить деяку кількість фосфатної кислоти, є відходом підприємств, що виробляють фосфатну кислоту і фосфатні добрива. Фосфогіпс утворюється у великих кількостях (1,5—1,4 т на 1 т фосфатної кислоти), займаючи величезні поверхні ґрунту (у тому числі і родючі площі). На складування фосфогіпсу витрачаються великі кошти. Фосфогіпс частково використовують для хімічної меліорації солончаків замість природного гіпсу, у виробництві гіпсових в’яжучих. Фосфогіпс переробляють на цемент і сульфатну кислоту, на сульфат амонію і крейду. Раціональне використання фосфогіпсу – задача великого народногосподарського значення.

Аміачний спосіб, домінуючий у світовому виробництві соди, дає величезну кількість рідких відходів–дистилерну рідину, що містить хлорид кальцію, натрієві і амонійні солі. Подальша доля аміачного способу залежить від утилізації цієї рідини, що накопичується довкола содових заводів у вигляді мертвих просторів (так званих білих морів) і проникає у природні водоймища. Екологічні недоліки аміачного способу виробництва поєднані малим коефіцієнтом використання основної сировини соди – хлориду натрію: натрій використовується всього на 70%, а хлор повністю потрапляє у відвал. Визначено декілька напрямів часткової утилізації дистилерної рідини. Найбільш ефективна її комплексна переробка у хлорид кальцію, хлорид амонію і кухонну сіль. На деяких заводах є цехи, які виробляють ці речовини як товарні продукти.

Часто тверді і рідкі промислові і побутові відходи спалюють і піддають їх термохімічній переробці. Ці прийоми застосовують у масштабах міст і великих промислових комплексів, при цьому утворюється при спалюванні теплова енергія, що використовується для опалювальних цілей або для вироблення електроенергії.

Створення територіально–промислових комплексів (ТПК) із замкненою структурою матеріальних потоків сировини і відходів усередині комплексу засноване на комплексному використанні сировини. Такі ТПК дозволяють одержувати з кожної складової частини добутої сировини цінні продукти і тому у значній мірі забезпечувати охорону навколишнього середовища. Об'єднання низки виробництв в єдиний комплекс полегшує переробку газів, що відходять, і стічних вод, дозволяє створити замкнені системи з повним використанням відходів і теплоти.

Комплексне енерготехнологічне використання низькосортного твердого палива (вугілля, сланці) може різко понизити забруднення навколишнього середовища викидами ТЕС і іншими відходами. Усе сказане приводить до висновку, що єдине радикальне рішення проблеми подальшої виробничої діяльності людства без порушення рівноваги у природі–це створення безвідходних або маловідходних виробництв, що працюють за замкненим циклом, без витрати свіжої води. Вся решта напрямів може розглядатися або як тимчасові, перехідні заходи, або як елемент безвідходної технології у межах даного підприємства або комбінованого територіального промислового комплексу. Безвідходна технологія не тільки єдиний надійний засіб охорони біосфери–вона забезпечує великі економічні переваги, зниження витрат на очисні споруди.