1.3. Меры по предотвращению загрязнения воздуха.

Роль химии и химической технологии

Очевидно, что безотходные технологии – всего лишь пока перспективные направления в решении производственных задач. Основным источником загрязнения атмосферы в нашей стране являются: предприятия топливно-энергетического комплекса (32%), автотранспорт (26%), предприятия черной и цветной металлургии (20%), а также стройиндустрии (10%). От предприятий химической промышленности поступает в атмосферу значительно меньше вредных веществ (5%), однако по многообразию и степени токсичности они порой затмевают вредные выбросы перечисленных выше источников.

Наиболее массовыми загрязняющими веществами атмосферы, как уже отмечалось, являются: SOx, CO, NOx, CxHy, пыль. На их долю приходится до 85% от общего количества выбросов. Особый вид загрязнений воздушного бассейна – радиоактивные вещества, поступление которых возможно при авариях АЭС или испытании ядерного оружия.

Для защиты атмосферы от загрязнений используют разнообразные методы. Улавливание пылевых частиц (аэрозольных загрязнений) осуществляется в пылеулавливающих аппаратах: сухих, мокрых и электростатических. К сухим пылеулавливающим аппаратам относят пылевые камеры, циклоны, жалюзийные аппараты, тканевые и волокнистые фильтры. К мокрым – скрубберы (полые, насадочные, центробежные и мокропрутковые), мокрые циклоны, барботажные и пенные аппараты, аппараты Вентури, струйные газопромыватели и др. Электростатическую очистку проводят электро-фильтрами.

Механизм пылеулавливания проявляется в виде действия различных сил: тяжести, инерции, центробежных сил, броуновской и турбулентной диффузии, электрического поля. Методы очистки отходящих газов от твердых частиц представлены на рис 1.8.

Пылевые камеры предназначены для предварительного удаления крупных частиц размером 30-40 мкм из газового потока под действием силы тяжести.

Жалюзийные аппараты относятся к инерционным пылеуловителям. В них осаждение пыли достигается за счет резкого изменения направления газового потока.

Циклоны работают по принципу действия центробежных сил на пылевые частицы размером более 8 мкм.

Скрубберы относятся к абсорбционным аппаратам, используемым в качестве ступени предварительной очистки газов. Различают: пленочные (скрубберы с различного рода насадками), барботажные и распыляющие скрубберы (аппарат Вентури, струйные газопромыватели, полые и др.). Последние имеют наибольшее применение в промышленности.

В насадочных скрубберах течение жидкости по насадке носит пленочный характер. Газы и орошаемая жидкость движутся противотоком. Их успешно используют для поглощения серосодержащих компонентов. В полых скрубберах запыленные газы подвергаются очистке при движении через водяную завесу, образующуюся при распылении жидкости. Они могут обеспечивать высокую степень очистки – 90-92%. Наряду с пылеулавливанием их применяют для охлаждения газов.

К скоростным газопромывателям относятся аппараты Вентури с предварительным дроблением орошающей жидкости и эжекторные (струйные газопромыватели). Процесс пылеулавливания происходит в два этапа: осаждение пылевых частиц на каплях орошающей жидкости, затем выделение капель из газового потока в каплеуловителе. Эффективность улавливания пыли в таких аппаратах очень велика – выше 95%. Их можно применять также для абсорбции (хемосорбции) различных компонентов из дымовых газов.

Электрофильтры работают при пропускании постоянного тока высокого напряжения (до 90 кВ). При прохождении запыленного газа между электродами аэрозольные частицы разряжаются и осаждаются на осадительных электродах. Для удаления осажденных частиц электроды встряхивают. Электрофильтры используют для доочистки газов. Эффективность улавливания пылевого уноса в электрофильтрах достигает 96%.

Аппараты, применяемые для очистки выбросов от газовых примесей (частиц молекулярных размеров), подразделяются на абсорбционные и аппараты каталитического окисления. Разработка, а тем более усовершенство-

Очистка газов от

твёрдых частиц

Мокрая очистка Осаждение под Фильтрование

Осаждение под Осаждение под путём промывки действием электро-

действием действием инер- статических сил

тяжести ционных сил

Пылеосади- Инерцион- Циклоны Скрубберы Струйные Электро- Рукавные Керамичес-

тельная камера ные пыле- скрубберы фильтры фильтры кие фильтры

уловители Вентури

Масляные

Механические Механические Пенные фильтры

вращающиеся вращающиеся уловители

сухие пылеуловители мокрые пыле-

уловители

Рис 1.8. Методы очистки газовых выбросов от твердых частиц

вание этих методов базируется на достижениях химии. Здесь химия выступает как союзник.

В качестве примера можно привести методы уменьшения выбросов диоксида серы ТЭС. Как отмечалось выше, это один из наиболее опасных загрязнителей атмосферы. Предварительное удаление серы из твердого и жидкого топлива требует больших затрат. Поэтому предпочтительней удалять SO₂, образующийся при сжигании топлива. Принципиально возможных методов удаления SO₂ довольно много. Наиболее распространенные из них – связывание серы в процессе сжигания мазута в кипящем слое частиц известняка и очистка дымовых газов от SO₂.

В первом из этих методов в камеру сгорания вдувается известковая пыль. Известняк (карбонат кальция) разлагается на негашеную известь (СаО) и диоксид углерода:

CaCO₃ тв. CaO тв. + CO₂ г. (1.39)

Далее негашеная известь реагирует с SO₂, образуя сульфит кальция:

CaO тв. + SO₂ г. CaSO₃ тв. (1.40)

За счет реакции (1.40) удаляется приблизительно половина SO₂ . Для того, чтобы удалить образующийся СaSO₃ и непрореагировавший SO₂, печные газы промывают водным раствором негашеной извести. Недостатками данного метода являются накопление значительных количеств твердых отходов (СaSO₃, СaSO₄ и т.д.) и, кроме того, снижение теплотворной способности топлива.

Очистка дымовых газов от SO₂ представлена на рис.1.9. Охлажденный до 100°С газ насыщают водяным паром в скруббере Вентури 1. Здесь же происходит обеспыливание газа. Брызги орошающей жидкости задерживаются в циклоне 2, после чего газы проходят через увлажненный водой слой активированного угля 3. При этом диоксид серы адсорбируется, окисляется присутствующим в газе кислородом и превращается в серную кислоту, которая собирается в сборнике 4. Затем с помощью насоса 5 раствор кислоты подают на орошение горячих газов.

Для поглощения SO₂ и в качестве катализаторов используют также щелочные растворы или твердые щелочи, карбонаты, фосфаты щелочных металлов, аммиак, известковое молоко и т.д. Значительное снижение выбросов SO₂ достигнуто за счет разработки и внедрения катализаторов жидкофазного окисления SO₂ до SO₃ при повышенных температурах. В качестве катализаторов используют Pt, Mg, на Al₂O₃ или более активные и устойчивые ванадийоксидные, например, бариево-алюмованадиевый V₂O₅ × 12SiO₂ × × 0,5Al₂O₃ × 2K₂O × 3BaO × KCl. Степень улавливания в этом процессе близка к 100%.

3

Газ

Очищенный

1 газ Очищенный

2

3 Вода 5 4 Кислота Рис 1.9. Схема очистки газов от диоксида серы: 1 – скруббер Вентури; 2 – циклон; 3 – адсор-беры с неподвижным слоем адсорбента; 4 – сборник кислоты; 5 – циркулярный насос

Применение каталитических методов позволяет осуществлять: 1) реакции окисления (углеводородов, др. органических веществ, SO₂ , оксидов азота); 2) реакции восстановления (SO₂ , оксидов азота и т.д.) При этом образуются либо безвредные, либо ценные продукты, которые можно утилизировать.

Так, один из перспективных методов утилизации диоксида углерода, наиболее крупнотоннажного загрязнителя атмосферы, заключается в получении в качестве вторичного сырья метанола:

kat

5/2 H₂ + CO₂  CH₂OH + H₂O (1.41)

Метанол рассматривается как альтернатива природному газу в недалеком будущем. Варьируя катализаторы в этом процессе, можно качественно менять состав продуктов. Так, метанол получают на оксидных катализаторах. Никелевые, кобальтовые или рутениевые катализаторы используют для синтеза метана и других углеводородов. Внедрение метода будет зависеть от успехов химиков в решении проблемы получения водорода из воды.

Гетерогенный катализ играет важную роль в очистке автомобильных выхлопов. Наиболее опасные компоненты выхлопных газов – оксиды азота, углеводороды, монооксид углерода. К сожалению, даже самый совершенный двигатель, работающий на тщательно подобранном горючем, не позволяет снизить содержание этих загрязнителей в выхлопных газах до приемлемого уровня. Для этой цели используют каталитические преобразователи (нейтрализаторы). Решение этой, на первой взгляд, не очень сложной задачи – одна из насущных проблем экологической химии.

Каталитический преобразователь в автомобиле должен выполнять две функции: 1) окислять CO и несгоревшие углеводороды до CO₂ и H₂O; 2) вос-станавливать оксиды азота до газообразного азота. Для выполнения этих функций требуется применение двух совершенно различных катализаторов.

Кроме того, катализаторы должны быть устойчивыми к отравлению различными примесями, содержащимися в бензине, и, наконец, обладать механической прочностью, чтобы противостоять турбулентному течению выхлопных газов и сотрясениям во время движения автомобиля. Наиболее активным ядом для катализаторов является свинец, входящий в антидетонационные присадки к топливу. Одна из проблем, возникающих при разработке каталитических преобразователей, связана с тем, что при восстановлении оксидов азота вместе с азотом образуется аммиак:

2NO г. + 2H₂ г.→ N₂ г. + 2H₂O г. (1.42)

2NO г. + 5H₂ г. → 2NH₃ г. + 2H₂O г. (1.43)

Аммиак окисляется кислородом на поверхности катализатора снова до оксидов азота, снижая эффективность работы преобразователя.

Другая проблема связана с образованием H₂SO₄ . В любом бензине имеется небольшое количество серы, которая появляется в выхлопных газах в виде SO₂ . Диоксид серы затем каталитически окисляется до SO₃. Последний, растворяясь в воде, образует серную кислоту, способствующую коррозии и резкому увеличению кислотности городского воздуха.

Несмотря на достижения в создании систем газоочистки, все больше внимания уделяется разработке и внедрению технологий, позволяющих минимизировать вредные выбросы. Решение этой задачи также требует основательных химических исследований. Установление кинетических закономерностей процессов позволяет разрабатывать мероприятия по снижению количества образующихся вредных веществ, выбирать оптимальный режим работы технологического агрегата и т.д.

Разработка мероприятий, предусматривающих сокращение количества и токсичности выбросов в окружающую среду, осуществляется по нескольким направлениям: внедрение принципиально новых технологических схем, замена токсичных реагентов, создание замкнутой структуры производства. Последнее предполагает использование методов утилизации и переработки вторичных ресурсов, в частности, методов регенерации (извлечение из первичных отходов остатков сырья и восстановление его первоначальных свойств с целью использования в этом же процессе) и рекуперации (извлечение отходов на различных стадиях процесса и их использование).

Так, для снижения выбросов оксидов азота на ТЭС стремятся снизить уровень максимальных температур в топке, уменьшить концентрацию кислорода в зоне реагирования и сократить время пребывания газов в зоне высоких температур. Для реализации этих требований применяют рециркуляцию газов, двухступенчатое сжигание, уменьшение избытка воздуха, рассредоточение зоны горения в объеме топки и повышение скорости охлаждения факела, снижение прогрева воздуха, уменьшение нагрузки котлоагрегата, впрыск воды и пара.

Сжигание ископаемого топлива – традиционная химическая технология, с помощью которой получают в настоящее время около 92% всей потребляемой энергии. Как известно, КПД такого способа получения энергии крайне низок. К тому же сжигание углеродсодержащего сырья не только опасно для окружающей среды, но и расточительно.

Существуют еще два химических способа извлечения энергии из органического топлива – газификация и ферментация, эффективность которых по сравнению с традиционным сжиганием оспаривается в настоящее время. Как бы то ни было, истощение запасов нефти и газа, накопление отходов, проблема транспортировки угля и т.д. диктуют необходимость создания малоэнергоемких и производительных технологий переработки твердых топлив (угля, сланцев, торфа, древесины) с целью получения водорода, оксида углерода, искусственной нефти и нефтепродуктов. Такой способ превращения топлива называется газификацией (гидрогенизацией в случае получения жидкого топлива).

Превращение угля в газообразное топливо может быть осуществлено непосредственно в местах его залегания – под землей. Впервые эту идею высказал Д.И. Менделеев. Себестоимость такого газа ниже себестоимости угля, добываемого шахтным способом, не говоря о преимуществах в экологическом плане. Газификации могут также подвергаться нефтяные остатки (мазут, гудрон и т.д.). Весьма существенно, что при этом утилизируются минеральные компоненты, в частности, цветные металлы, а также осуществляется очистка продуктов газификации от серы.

Ферментация – химический процесс, протекающий под действием биологических катализаторов – ферментов. Ферментации могут подвергаться самые разнообразные органические вещества. При этом получают спирты и используют их как топливо или как сырье для производства синтетического бензина. Для ферментативного получения спиртов годятся отходы сельскохозяйственного производства, главным образом растениеводства. А вот отходы животноводческого комплекса, птицефабрик и бытовые можно ферментацией превратить в биогаз.

Альтернативой современным ТЭС считаются АЭС. Не оспаривая этот тезис, следует отметить, что без современных достижений химии атомная энергетика немыслима. Все процессы на предприятиях ядерного топливного цикла, связанные с добычей, обогащением, переработкой сырья, а также переработкой, концентрированием, обезвреживанием радиоактивных отходов, – чисто химические.

Преобразование экологически чистой солнечной энергии – фотоэлектри-ческое, фотобиологическое и фотохимическое – также требует химических знаний.

Для того, чтобы сократить потери энергии при транспортировке, решить проблему хранения энергии и при этом сделать энергетику экологически чистой, химики ведут поиск универсального энергоносителя. Лидером среди многих предлагаемых веществ оказался водород. Именно применение водородного топлива в состоянии примирить цивилизацию с окружающей средой. Главная проблема, над которой работают сегодня химики, – проблема получения водорода из воды.

Многочисленные исследования химиков посвящены разработке более совершенных химических источников тока (гальванических элементов, аккумуляторов, топливных элементов). По сути, это еще один способ извлечения энергии. Только топливом здесь могут быть кроме углеродсодержащих веществ еще и металлы, водород и т.д. Важно, что при этом энергия химическая непосредственно превращается в электрическую. КПД таких источников энергии приближается к 100%, а “отходом” топливных элементов является чистая вода.

Одно из важнейших направлений в решении энергетических проблем – разработка энергосберегающих технологий. Эта задача также не может быть решена без участия химиков.