Экологические чтения_2013

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

является очистка загрязненного воздуха, содержащего различные виды производственной пыли и токсичные газы [1].

Токсичные вещества, содержащиеся в воздухе, могут вызвать раздражающее, удушающее или легкое наркотическое действие, что может привести к органическим повреждениям внутренних органов, кроветворной и нервной систем, а также к острым или хроническим воспалительным процессам дыхательных путей.

Адсорбционный метод является одним из самых распространенных средств защиты атмосферного воздуха от загрязнений. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах. Адсорбционный метод основан на извлечении компонентов отходящего газа за счет их поглощения пористыми адсорбентами. Наиболее часто используемыми адсорбентами являются активные угли (АУ), алюмогели, силикагели, цеолиты и иониты.

Несмотря на широкое использование углеродных адсорбентов в жидкофазных и газофазных процессах, к недостаткам адсорбционных методов извлечения можно отнести их низкие физико-механи- ческие свойства. Сделать сорбционные материалы более технологичными можно, прежде всего, за счет выбора или разработки недорогих сорбентов.

Подходящим сырьем для получения дешевых, но эффективных адсорбентов могут рассматриваться отходы производства известкового молочка – микрокристаллический гидроксид кальция (МГК). Ориентировочно количество отходов составляет от 3 до 7 % в год. Аналитики российского рынка считают, что в перспективе общий объем потребления извести в сфере промышленной газоочистки может составить около 100 тыс. тонн в год. Следовательно, ежегодный объем образования МГК = 3–7 тыс. тонн, что может обеспечить промышленную потребность ряда отраслей страны.

Целью настоящей работы является определение сорбционных свойств МГК по отношению к оксидам и ионам тяжелых металлов, сравнение показателей сорбционной способности МГК с АУ.

Для определения сорбционных свойств МГК была создана и апробирована экспериментальная установка на мусоросжигательном заводе г. Москвы.

111

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

Схема установки для определения сорбционной способности МГК:

1 – газоход между печью сжигания отходов и абсорбером; 2 – входной патрубок установки с системой переходников; 3 – первая задерживающая фильтрующая перегородка; 4 – вторая задерживающая фильтрующая перегородка; 5 – проба (порошок МГК); 6 – труба-переходник со змеевиком; 7 – емкость; 8 – охлаждающая жидкость (вода); 9 – шланг; 10 – дымосос

В качестве места измерения было выбрано сечение газоносного тракта, расположенное выше по потоку газоочистных аппаратов. Как показано на рисунке, установка состоит из трубки диаметром 56 мм, во входной патрубок 2 которой диаметром 68 см поступает дымовой газ из печи 1 с температурой 210–230 оС под воздействием работы дымососа 10. Во входном патрубке установлена мелкая металлическая сетка 3 для задержания первичной пыли. После металлических переходников трубка имеет диаметр 22 мм. Внутри трубки установлен образец 5 – порошок гидроксида кальция, закрепленный с двух сторон мелкой металлической сеткой 4 и минераловатной тепло-

и звукоизоляцией KNAUF INSULATION, марка DIY Tepmo Poll 044,

толщиной 50 мм. Для исключения возможности перегрева дымососа установлен змеевик, который находится в емкости 7 с холодной водой 8.

Для экспериментов были приготовлены навески МГК марки «Кальций гидроксид Са(ОН)2, чда» по 2 г каждая.

Анализ селективной сорбционной способности МГК проводился по химическим элементам и соединениям весовым методом по разнице масс навесок до и после эксперимента. Определение концентрации микроэлементов в пробах выполнено методом рентгенофлуоресцент-

112

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

ного анализа (РФА) на вакуумном спектрометре последовательного действия. При калибровке спектрометра использованы отраслевые и государственные стандартные образцы химического состава горных пород и минерального сырья.

Анализ был выполнен по методикам НСАМ ВИМС, обеспечивающим получение результатов III категории точности количественного анализа по ОСТ РФ 41-08-205–99. Данная категория точности применяется для массового анализа проб минеральных веществ, контрольных анализов и подсчете запасов МПИ.

Подготовка образцов, предварительно высушенных при 110 оС, к измерениям в спектрометре проводилась следующим образом. Для анализа главных элементов были изготовлены стеклообразные диски путем индукционного плавления прокаленного материала проб с боратами лития при температуре 1200 оС. Прокаленный материал проб получали после определения потерь при прокаливании при температуре 950 оС. Препараты для анализа микроэлементов были изготовлены методом холодного прессования сухого вещества пробы с добавлением пластикового наполнителя (полистирол). Общее содержание железа вне зависимости от действительного валентного состояния дано в форме Fe2O3, что является особенностью примененного метода анализа.

Согласно результатам химического анализа в исследованном диапазоне параметров потока и продолжительности измерений, масса сорбируемых МГК элементов увеличивается при увеличении времени нахождения навески в газоходе, т. е. сорбционного насыщения МГК по оксидам и ионам тяжелых металлов не наступает. В отличие от навесок МГК с продолжительностью экспериментов 1, 4 и 5 мин, после

40 мин на МГК сорбировались Ba, U, Th, Nb, Mo, W, Ta, Se, Ag, Sb, Sn, Te, In, Cd, Bi. Также были обнаружены следы Zr (0,001%), Y (0,0003%), Sc (0,0003%), Ga (0,0003%). По-видимому, этот факт и дальнейшие результаты объясняются различными скоростями сорбционных реакций. После 40 мин эксперимента содержание Cl– в образце по сравнению с МГК до начала эксперимента увеличилось в 5 раз, содержание Zn – в 16 раз, содержание SO3 – в 17 раз; в 1 г МГК после 40 мин эксперимента сорбировано 0,000062 г элементов V, Cr, Ni, и особенно Pb, которых не содержалось в МГК до начала эксперимента.

По данным количественного химического анализа был сделан расчет массы примесей, сорбированных одной из проб МГК в процессе пропускания через него потока дымовых газов. Усредненная по всем экспериментам масса навески МГК до экспериментов: 1,968

113

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

(основа) + 0,032 (примеси) = 2 г; масса навески МГК после 40 мин эксперимента: 1,968 (основа) + 0,0732 (примеси) = 2,0412 г; таким образом, 0,0412 г сорбатов было уловлено за 40 мин эксперимента из потока отходящих газов.

Для определения сорбционных свойств МГК и сравнения с АУ был сделан расчет сорбционной емкости сорбентов по отношению к Cl– , F2, S и сумме металлов. Масса сорбатов после 40 мин эксперимента – 0,0732 г, это 3,6592 % от 2 г пробы МГК. Следовательно, примеси составляют 1,8296 % от пробы 1 г МГК, из которых 0,16 % – Cl– ; 0,34 % – SO 3; 0,03 % – F 2; 0,0179 % – сумма металлов (Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn). За 40 мин в 1 г МГК сорбировано 0,00129 г Cl– ; 0,00128 г S; 0,0003 г F2; 0,000142 г металлов.

В таблице приведено сравнение сорбционных характеристик МГК и АУ. Сорбционная способность АУ была рассчитана, используя данные экспериментов [2, 3].

Сорбционные характеристики сорбента МГК и АУ

Ксорбции= (mсорбента + mсорбата) / mсорбента.

Как известно [4], поглотительная способность порошковых адсорбентов зависит от величины удельной поверхности частиц порошка. При этом АУ за счет высокой пористости частиц (45–55 м2/г [5]) является сорбентом окклюзивного типа. МГК – белые кристаллы в форме гексагональных пластин со слоистой структурой. Согласно существующим представлениям [6–8] сорбционные свойства МГК определяются в основном хемисорбционными взаимодействиями с сорбатами. Однако приводимая в литературе [5] величина их удельной поверхности – 35 м2/г не соответствует данным наших экспериментов по сорбции с позиции хемосорбции. Отсюда следует, что в сорбционных процессах на МГК заметную роль играют поры в кристаллах [9]. Причиной возникновения пор могут быть либо примес-

114

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

ные ионы, например Fe, Mg, Si, что соответствует теории Френкеля – Киркендалла, либо микротрещины в кристаллах при их росте [10]. В таком случае при анализе сорбционных эффектов на МГК необходимо учитывать и БЭТ-сорбцию, что позволит объяснить большую сорбционную способность МГК по сравнению с АУ по ряду элементов (см. таблицу). Полученные данные свидетельствуют о том, что для повышения сорбционных свойств МГК процесс гидратации извести необходимо проводить так, чтобы общая поверхность микрокристаллов была максимальной.

На основании проведенных экспериментальных исследований и сравнения показателей сорбционной способности можно сделать вывод, что МГК может использоваться как сорбент в газовых средах для улавливания кислых оксидов, а также тяжелых металлов. Показатели МГК по фтору и металлам в значительно степени превосходят АУ.

Проведенные исследования позволяют говорить о перспективности дальнейшей работы в области использования МГК. МГК, с одной стороны, органично решает проблему утилизации отходов известкового молочка, а с другой – служит источником дешевого сырьевого материала для получения сорбента, который, в свою очередь, может использоваться для улучшения экологической ситуации.

Библиографический список

1. Чубаров Д.Н. Адсорбционные методы очистки газов / Д.Н. Чу-

баров // Advances in current natural sciences. – 2012. – № 6. – С. 192.

2.Активные сорбенты в производстве фосфорной кислоты. Современные тенденции и области применения / С.П. Кочетков [и др.] //

Мир серы, N, РиК. – 2007. – № 3. – С. 3–14.

3.Удаление хлора и хлорамина на активированном угле [Элек-

тронный ресурс]. – Режим доступа: http://aquaboss.ru/page/faq/

Udalenie_hlora_i_hloramina_na_aktivirovannom_ugle/.

4.Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники / Н.В. Кельцев. –

М. : Химия, 1976.

5.Котельников Ю.В. Особенности карбонатного сырья Крупенниковского месторождения для производства высококачественной гашеной и негашеной извести / Ю.В. Котельников : докл. конф.

BALTIMIX-2006.8.

6. Получение известкового хемосорбента в форме листа и его вторичное использование / Н.Ф. Гладышев [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2012. – Т. 18,

№ 4. – С. 936–941.

115

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

7.Канализация. Яковлев С.В. [и др.]. – 5- изд., перераб. и доп. –

М. : Стройиздат, 1975. – 632 с.

8.Патент 2281157 РФ, МПК B01J20/04 . Сорбент для обезвреживания и утилизации токсичных нефтемаслоотходов / М.И. Рудник

№2004136530/15, заяв.: 14.12.2004; опубл. 10.08.2006. – 8 с.

9.Гонопольский А.М. Исследование микрокристаллического гидроксида кальция для очистки отходящих газов промышленных предприятий / А.М. Гонопольский, О.Э. Паповян // Экология и промышленность России. – 2012. – № 2. – С. 22–23.

10.Гонопольский А.М. Исследование сорбента на основе микрокристаллического гашеной извести для очистки отходящих газов промышленных предприятий / А.М. Гонопольский, О.Э. Паповян // Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии : сб. материалов 8-й Междунар. науч.-практ. конф. – М., 2012. – С. 18–25.

УДК 502.175

К.В. Ремизова г. Омск, БОУ «Гимназия № 69 им. И.М. Чередова»

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МИКРОРАЙОНА «ЧКАЛОВСКИЙ» Г. ОМСКА

МЕТОДОМ ИНВЕНТАРИЗАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ

Мировой автопарк увеличивается ежегодно на 10 миллионов автомобилей. В России прирост транспорта составляет примерно 5%

вгод. Вредные вещества, вносимые автотранспортом в атмосферу

вначале 70-х годов ХХ века, составляли 13% всех загрязнений [1]. Сейчас эта цифра увеличилась до 50%. При этом, при сжигании нефтяного топлива в двигателях автомобилей в отработанных газах содержится около 280 компонентов. Особую группу среди них занимают канцерогенные вещества, включая самый опасный для здоровья бенз(а)пирен [2]. Кроме того, в составе выхлопных газов содержатся углерод, СО, оксиды азота и серы, формирующие городской смог. Средние концентрации вредных примесей в большинстве городов России превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в 2–8 раз. В связи с этим есть объективная необходимость изучения экологической обстановки, сложившейся в крупном мегаполисе в результате техногенной нагрузки, и математического моделирования с целью

116

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

прогнозирования экологических ситуаций и рисков и принятия правильных решений в области экологической безопасности.

Целью работы являлось исследование нагрузки автотранспорта на состояние воздушной среды микрорайона «Чкаловский» г. Омска.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Двигаясь со скоростью 80–90 км/ч, в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300– 350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода, 40 кг оксидов азота и более 200 кг различных углеводородов. Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30–40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы [3].

Среди тяжелых металлов, входящих в состав загрязняющих воздух, многие в высоких дозах канцерогенны. Обычно считается, что их следовые количества в атмосфере значительной доли раковых заболеваний у людей. В табл. 1 представлены содержание по объему основных компонентов выхлопных газов, а также токсичность и не токсичность того или иного компонента.

117

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

Загрязнение воздуха определяется по значениям средних и максимальных разовых концентраций примесей. Степень загрязнения оценивается при сравнении фактических концентраций с ПДК.

ПДК − предельно допустимая концентрация примеси для населенных мест, установленная Минздравсоцразвития России [4]. Для оценки загрязнения воздуха диоксидом азота с 2006 г. используется новое значение ПДКм.р. [5, 6]. Для некоторых веществ значения ПДК, с учетом рекомендованных Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), в разные годы различны.

В России нет критериев для оценки средних годовых концентраций. Поэтому средние концентрации сравниваются с ПДК среднесуточными, максимальные из разовых концентраций − с ПДК максимальными разовыми.

При таком подходе всегда присутствует занижение степени загрязнения воздуха, поскольку значение «ПДКчеловек» (если бы оно было установлено) может быть равным или ниже ПДК среднесуточного.

ПДК загрязнений в атмосферном воздухе населенных мест устанавливают на основе лимитирующего показателя, такой концентрации, которая оказывается наименьшей при проведении исследований на запах и раздражающее действие, а также не вызывает специфических проявлений организма. Концентрация вредного вещества не должна оказывать прямого или косвенного вредного воздействия на организм человека [7].

В районе перекрестка выбрасывается наибольшее количество вредных веществ автомобилем за счет торможения и остановки автомобиля перед запрещающим сигналом светофора и последующим его движением в режиме «разгона» по разрешающему сигналу светофора. Это обусловливает необходимость выделить на выбранной автомагистрали участки перед светофором, на которых образуется очередь автомобилей, работающих на холостом ходу в течение времени действия запрещающего сигнала светофора [8].

Для того чтобы узнать насколько загрязнена местность, нужно подсчитать интенсивность движения автомобилей (легковые, грузовые, Газели, автобусы, троллейбусы) за единицу времени, например 1 час. Для точного определения загазованности района обследования необходимо отследить интенсивность движения транспортных средств на участке магистрали в рабочий, выходной, а также в праздничный день утром (8:00–10:00), днем (13:00–14:00) и вечером (18:00–20:00), определить общую длину и ширину трассы, а также

118

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

провести инвентаризацию древесно-кустарниковой растительности вдоль магистрали.

Основными методами исследования в данном случае являлись метод расчетной инвентаризации выбросов и математического расчета. Анализ загруженности транспортом проводят в двухдневный срок (выходные, начало недели) [9, 10].

Количество выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта в атмосферу, было оценено расчетным методом [11, 12]. Исходными данными для расчета количества выбросов являлись:

–число единиц автотранспорта, проезжающего по выделенному участку автотрассы в единицу времени;

–нормы расхода топлива автотранспортом согласно общепринятым методикам (табл. 2);

–значения эмпирических коэффициентов (К), определяющих выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего [10].

Результаты исследований свидетельствуют, число единиц автотранспорта, проходящего по автомагистрали проспект Космический ОАО г. Омска, значительно отличается как в разные дни недели, так и

вразное время суток. Интенсивность движения автотранспорта по автомагистрали отражена в табл. 2.

Проспект Космический является основной магистралью микрорайона «Чкаловский», и наиболее интенсивному движению он подвержен в час-пик рабочих дней недели: с понедельника по пятницу. Несмотря на то, что исследуемая магистраль густо засажена древеснокустарниковой растительностью, нельзя недооценивать влияния выбросов в составе автомобильных выхлопных газов на жилые микрорайоны. Ядовитые вещества могут распространяться потоками ветра на различные территории поселка в целом.

Анализирую полученные данные, можно сделать следующие выводы:

- наиболее интенсивное движение автотранспорта по пр. Космический осуществляется в час-пик рабочих дней недели: с понедельника по пятницу;

- из токсичных веществ, основными являются: окись углерода (выбросы составляют 3432 г/час), оксид азота (IV) (285,7 г/час), оксид серы (IV) (11,4 г/час), тетраэтилсвинец (2,9 г/час), бенза(а)пирен

(287,1 г/час).

В ходе проведенных исследований было произведено математи-

ческое моделирование на основе существующих методик [13] и прогнозирование экологической обстановки в жилых микрорайонах

119

Всемирный день охраны окружающей среды (Экологические чтения – 2013):

материалы Международной научно-практической конференции

на территории ОАО г. Омска (вдоль проспекта Космический) в связи с возрастающей автотранспортной нагрузкой.

Таблица 2

Интенсивность движения автотранспорта по проспекту Космический

В основу создания модели была положена модель дифференцированного подхода к нагрузке на атмосферу. При этом было учтено, что максимальное количество загрязняющих веществ поступает в атмосферу в течение суток в час-пик (всего 4 часа: с 7:00 до 9:00 и с 16:00 до 18:00). Также было принято, что за 1 час до час-пик и после час-пик в течение 1 час нагрузка составляет 0,8 от максимальной; в ночное время – 0,2 (6 ч), в остальное время – 0,5 нагрузки от нагрузки в час пик

(10 ч).

120