Рациональное использование воздуха

Содержание

I. Строение и состав атмосферы

II. Загрязнение атмосферы:

1) Качество атмосферы и особенности ее загрязнения;

2) Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу.

III. Методы и средства защиты атмосферы:

1) Основные методы защиты атмосферы от химических примесей;

2) Классификация систем очистки воздуха и их параметры.

IV. Список литературы

I. Строение и состав атмосферы

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся на высоту более 100 км. Она имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер и расположен­ные между ними паузы. Масса атмосферы составляет 5,91015 т, объ­ем – 13,2-1020 м³. Атмосфера играет огромную роль во всех природ­ных процессах и, в первую очередь, регулирует тепловой режим и общие климатические условия, а также защищает человечество от вредного космического излучения.

Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и углекислый газ (0,03%). Газовый состав атмосферы меняется с высотой. В при­земном слое из-за антропогенных воздействий количество угле­кислого газа возрастает, а кислорода снижается. В отдельных ре­гионах в результате хозяйственной деятельности в атмосфере уве­личивается количество метана, оксидов азота и других газов, вызывающих такие неблагоприятные явления, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смог.

Циркуляция атмосферы влияет на режим рек, почвенно-растительный покров, а также экзогенные процессы рельефообразования. И, наконец, воздух – необходимое условие жизни на Земле.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной по­верхности, носит название тропосферы. Толщина ее составляет: на средних широтах 10-12 км, над уровнем моря и на полюсах 1-10 км, а на экваторе 16-18 км.

Из-за неравномерности нагрева солнечной энергией в атмо­сфере образуются мощные вертикальные потоки воздуха, а в приземном слое отмечается неустойчивость его температуры, относи­тельной влажности, давления и т.п. Но при этом температура в тропосфере по высоте является стабильной и уменьшается на 0,6°С на каждые 100 м в диапазоне от +40 до -50°С. В тропосфере содержится до 80% всей влаги, имеющейся в атмосфере, в ней об­разуются облака и формируются все виды осадков, которые по своей сути являются очистителями воздуха от примесей.

Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними на­ходится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней заряжен, влажность его невысока, при этом темпера­тура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уров­нем моря постоянна (около -50°С), а затем она постепенно по­вышается до +10°С на высоте 50 км. Под воздействием космиче­ского излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, располагаемый до 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетовых лучей.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а температура на высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет -70°С. Рез­кий перепад температур между стратосферой и мезосферой объ­ясняется наличием озонового слоя.

II. Загрязнение атмосферы

1) Качество атмосферы и особенности ее загрязнения

Под качеством атмосферы понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физических, хими­ческих и биологических факторов на людей, растительный и жи­вотный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит от ее загрязненности, причем сами загрязнения могут попадать в нее от природных и ан­тропогенных источников. С развитием цивилизации в загрязнении атмосферы все больше и больше превалируют антропогенные ис­точники.

В зависимости от формы материи загрязнения подразделяют на вещественные (ингредиентные), энергетические (параметрические) и вещественно-энергетические. К первым относят механические, химические и биологические загрязнения, которые обычно объединяют общим понятием «примеси», ко вторым — тепловые, акустические, электромагнитные и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона; к третьим — радионуклиды.

В глобальном масштабе наибольшую опасность представляет загрязнение атмосферы примесями, так как воздух выступает посредником загрязнения всех других объ­ектов природы, способствуя распространению больших масс за­грязнения на значительные расстояния. Промышленными вы­бросами, переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменя­ют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

Численность населения Земли и темпы его роста являются предопределяющими факторами повышения интенсивности за­грязнения всех геосфер Земли, в том числе и атмосферы, так как с их увеличением возрастают объемы и темпы всего того, что добывается, производится, потребляется и отправляется в отходы. Наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в городах, где обычные загрязнители — это пыль, сернистый газ, оксид углерода, диоксид азота, сероводород и др. В некоторых городах в связи с особенностями промышленного производства в воздухе содержатся специфические вредные вещества, такие, как серная и соляная кислота, стирол, бенз(а)пирен, сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат. Всего в городах насчитывается несколько сотен различных загрязнителей воздуха.

Особую тревогу вызывают загрязнения атмосферы вновь создаваемыми веществами и соединениями. ВОЗ отмечает, что из 105 известных элементов таблицы Менделеева 90 используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 новых химических соединений, почти 10% из которых вредные или особо вредные.

2) Основные химические примеси,

загрязняющие атмосферу

Различают естественные примеси, т.е. обусловленные природными процессами, и антропогенные, т.е. возни­кающие в результате хозяйственной деятельности человечества (рис. 1). Уровень загрязнения атмосферы примесями от естест­венных источников является фоновым и имеет малые отклонения от среднего уровня во времени.

Рис. 1. Схема процессов выбросов веществ в атмосферу и трансформации

исходных веществ в продукты с последующим выпадением в виде осадков

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием ви­дов примесей и многочисленностью источников их выброса. Наиболее устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности че­ловека. Установлено, что каждые 10-12 лет объем мирового про­мышленного производства удваивается, а это сопровождается примерно таким же ростом объема выбрасываемых загрязнений в окружающую среду. По ряду загрязнений темпы роста их выбро­сов значительно выше средних. К таковым относятся аэрозоли тяжелых и редких металлов, синтетические соединения, не суще­ствующие и не образующиеся в природе, радиоактивные, бакте­риологические и другие загрязнения.

Примеси поступают в атмосферу в виде газов, паров, жидких и твердых частиц. Газы и пары образуют с воздухом смеси, а жид­кие и твердые частицы - аэрозоли (дисперсные системы), которые подразделяют на пыль (размеры частиц более 1 мкм), дым (разме­ры твердых частиц менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10 мкм). Пыль, в свою очередь, может быть крупнодисперс­ной (размер частиц более 50 мкм), среднедисперсной (50-10 мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм). В зависимости от размера жидкие частицы подразделяются на супертонкий туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсный туман (0,5-3,0 мкм), грубодисперсный ту­ман (3-10 мкм) и брызги (свыше 10 мкм). Аэрозоли чаще полидисперсные, т.е. содержат частицы различно­го размера.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмо­сферу, являются следующие: оксид углерода (СО), диоксид углерода (СО₂), диоксид серы (SO₂), оксиды азота, озон, углеводороды, соединения свинца, фреоны, промышленные пыли.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загряз­нений воздуха являются теплоэлектростанции (ТЭС), потребляю­щие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, метал­лургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэро­зольные частицы от этих источников отличаются большим химическим разнообразием. Чаще всего в их составе обнаружива­ются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды ме­таллов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, ко­бальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

К постоянным источникам аэрозольного загрязнения отно­сятся промышленные отвалы – искусственные насыпи из переот­ложенного материала, преимущественно вскрышных пород, об­разующихся при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Произ­водство цемента и других строительных материалов также являет­ся источником загрязнения атмосферы пылью.

Сжигание каменного угля, производство цемента и выплав­ка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн т/г.

Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с во­дяным паром. К опасным факторам антропогенного характера, способст­вующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует от­нести ее загрязнение радиоактивной пылью. Время пребывания мелких частиц в ниж­нем слое тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхнем – 20-40 суток. Что касается частиц, попавших в страто­сферу, то они могут находиться в ней до года, а иногда и больше.

III. Методы и средства защиты атмосферы

1) Основные методы защиты атмосферы

от химических примесей

Все известные методы и средства защиты атмосферы от хими­ческих примесей можно объединить в три группы.

В первую группу входят мероприятия, направленные на сни­жение мощности выбросов, т.е. уменьшение количества выбра­сываемого вещества в единицу времени. Во вторую группу входят мероприятия, направленные на защиту атмосферы путем обра­ботки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки. В третью группу входят 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 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 и оксидов азота в выбросах, могут сильно различаться между собой, по­этому введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах, который отражает степень вредного воздействия на че­ловека.

Сжигание топлива по особой технологии (рис. 2) осуществ­ляется либо в кипящем (псевдоожиженном) слое, либо предвари­тельной их газификацией.

Рис. 2. Схема тепловой электростанции с использованием дожигания

топочных газов и впрыскиванием сорбента: 1 - паровая турбина; 2 - горелка;

3 - бойлер; 4 - электроосадитель; 5 - генератор

Для уменьшения мощности выброса серы твердое, порошко­образное или жидкое топливо сжигают в кипящем слое, который формируется из твердых частиц золы, песка или других веществ (инертных или реакционно-способных). Твердые частицы вдува­ются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно пере­мешиваются и образуют принудительно равновесный поток, ко­торый в целом обладает свойствами жидкости.

Предварительной газификации подвергаются уголь и нефтя­ные топлива, однако на практике чаще всего применяют газифи­кацию угля. Поскольку в энергетических установках получаемый и отходящий газы могут быть эффективно очищены, то концен­трации диоксида серы и твердых частиц в их выбросах будут ми­нимальными.

Одним из перспективных способов защиты атмосферы от хи­мических примесей является внедрение замкнутых производст­венных процессов, которые сводят к минимуму выбрасываемые в атмосферу отходы, вторично используя их и потребляя, т. е. пре­вращая их в новые продукты.

2) Классификация систем очистки воздуха и их параметры

По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделя­ются на пыли, туманы и 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 (рис. 3) делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также элек­трофильтры и фильтры.

Рис. 3. Системы и методы очистки вредных выбросов

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, называе­мых туманоуловителями.

Средства защиты воздуха от газопарообразных примесей зави­сят от выбранного метода очистки. По характеру протекания фи­зико-химических процессов выделяют метод абсорбции (про­мывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (про­мывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.

Все процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают, как правило, 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 собственно и классифицируются все пылеуловители. Однако вторая операция несмотря на кажущуюся простоту связана с преодолением ряда технических трудностей, часто оказывающих решающее влияние на эффективность очист­ки или применимость того или иного метода.

Выбор того или иного пылеулавливающего устройства, кото­рое представляет систему элементов, включающую пылеулови­тель, разгрузочный агрегат, регулирующее оборудование и вен­тилятор, предопределяется дисперсным составом улавливаемой частицы промышленной пыли. Поскольку частицы имеют раз­нообразную форму (шарики, палочки, пластинки, игла, 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, рабо­тающих по принципу:

- инерционного осаждения путем резкого изменения направ­ления вектора скорости движения выброса, при этом твердые частицы под действием инерционных сил будут стремиться дви­гаться в прежнем направлении и попадать в приемный бункер;

- осаждения под действием гравитационных сил из-за раз­
личной кривизны траекторий движения составляющих выброса
(газов и частиц), вектор скорости движения которого направлен
горизонтально;

- осаждения под действием центробежных сил путем прида­ния выбросу вращательного движения внутри циклона, при этом твердые частицы отбрасываются центробежной силой к сетке, так как центробежное ускорение в циклоне до тысячи раз больше ус­корения силы тяжести, это позволяет удалить из выброса даже весьма мелкие частицы;

- механической фильтрации – фильтрации выброса через по­ристую перегородку (с волокнистым, гранулированным или по­ристым фильтрующим материалом), в процессе которой аэрозольные частицы задерживаются, а газовая составляющая полно­стью проходит через нее.

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. Гидравлическое сопротивление определяется как разность давления на входе и выходе из системы. Производительность систем очистки показывает, какое коли­чество воздуха проходит через нее в единицу времени (м³/ч).

Список литературы

1) Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т.Медведева. – М.: Гардарики, 2002. – 687 с.

2) Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник / Под ред. Н.И.Иванова, И.М.Фадина. – М.: Логос, 2003. – 528 с.

3) Родзевич Н.Н., Пашканг К.В. Охрана и преобразование природы. – М.: Просвещение, 1986. – 288 с.