Естественный состав и основные виды техногенных загрязнений атмосферы (аэродисперсные системы, газы, пары)

Промышленная и санитарная очистка газовоздушных выбросов

Лекция №3 (4ч).

План лекции:

1. Естественный состав и основные виды техногенных загрязнений атмосферы (аэродисперсные системы, газы, пары).

2. Поступление загрязняющих веществ в атмосферу Мордовии

3. Основы газоочистки.

4. Пылеулавливающее оборудование.

5. Очистка газовоздушных выбросов.

6. Обезвреживание газовоздушных вы­бросов.

Атмосфера Земли – газовая оболочка Земли, имеющая сложный неоднородный состав, строение, свойства. Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, предохраняет ее от чрезмерного нагревания и охлаждения. Если бы Земля не была окружена газовой оболочкой, то в течение только одних суток амплитуда колебаний температуры ее поверхности достигала бы 200^ОС. Газовая оболочка Земли защищает все живое от губительного ультрафиолетового излучения, а также других видов космического излучения. Благодаря атмосфере не достигают поверхности Земли «звездные осколки» - метеориты. Наличие воздушной оболочки обусловливает голубой цвет неба. Атмосфера является той средой, где распространяется звук. По массе 99% атмосферы сосредоточено в слое высотой до 40 км, 50% - в слое высотой до 5,5 км.

Естественный состав атмосферы формировался на протяжении всего длительного периода существования планеты Земля. При этом первоначально атропогенные воздействия на атмосферу отсутствовали полностью или были пренебрежимо малы. В результате течения сложных физических, химических, биосферных процессов сформировался приземный слой атмосферы практически постоянного состава, включающий два вида газов: постоянные газы и переменные газы. К первым относятся: азот (около 78% по объему), кислород (около 21%), благородные газы (около 1%). Содержание постоянных газов практически не зависит от того, в какой точке земного шара взята проба сухого воздуха. К переменным газам относятся: водяной пар (до 3%), углекислый газ (0,02 – 0,04%), озон (» 10-6 %). В приземном слое атмосферы могут находиться следовые количества водорода, метана, аммиака, СО, оксидов азота, оксидов серы, сероводорода. Помимо различных газов, в атмосфере содержится некоторое количество пыли. Постоянство естественного состава атмосферы обусловлено тем, что она обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ.

Миллионы лет в атмосферу поступали загрязняющие вещества в результате извержений вулканов, природных пожаров, пыльных бурь, т.е. от источников природного происхождения.

Загрязнения из природных источников рассеивались в атмосфере, переносились с воздушными массами на большие расстояния, оседали или выпадали с осадками на землю. Затем почвенные микроорганизмы превращали их в безвредные соединения. В результате совокупности всех этих процессов содержание естественных загрязняющих веществ (углекислого газа, метана, аммиака, СО, оксидов азота, оксидов серы, сероводорода) в атмосфере поддерживались на таком уровне, что негативные последствия их воздействия на биоту не возникали. Живые организмы способны без вреда для себя переносить присутствие в среде обитания определенных количеств загрязняющих веществ. Однако способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если концентрации загрязнений превысят некоторые пороговые значения, то полное самоочищение атмосферы становится невозможным. Развитие общественного производства и потребления повлекло за собой увеличение общей массы выбросов газообразных веществ, паров, аэрозолей, загрязняющих атмосферу.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания, тепловые электрические станции, промышленные предприятия. По расчетам вклады выбросов различных источников в загрязнение атмосферы составляют: загрязненные промышленные газовые выбросы – 30%, автотранспорт – 40%, теплоэнергетика – 30%.

В состав выбросов автотранспорта и теплоэнергетики входят такие загрязняющие атмосферу вещества, как азот, оксиды азота, оксид углерода (I) и оксид углерода (II), водяной пар, оксид серы (IU), циклические, углеводороды, твердые частицы (сажа, соединения свинца) и другие вещества. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество различных загрязняющих веществ, пыли. Состав промышленных выбросов в атмосферу весьма разнообразен и определяется технологическим процессом производства. В таблице 1 приводится состав наиболее значительной части выбросов в атмосферу химического предприятия, аналогичного по технологическому процессу ПО «Азот».

Многочисленные загрязнения атмосферы из различных источников можно объединить в три группы:

1) аэродисперсные системы, состоящие из твердых или жидких дисперсных частиц взвешенных в воздушной среде (пыль, дым, туман);

2) газообразные вещества (SO2, SO3, H2S, оксиды азота, оксиды углерода, аммиак и др.);

3) пары веществ (летучие растворители, углеводороды и их галогенопроизводные, ароматические углеводороды и др.).

Аэродисперсные системы

Пыль образуется при многих технологических процессах, связанных с измельчение твердых материалов; состоит из твердых частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии. В инженерной практике пылью называют также сами твердые пылевые частицы, в том числе осевшие или выделенные каким-либо способом в виде порошка. Твердые частицы пыли имеют различные размеры, неправильную форму. Размеры частиц пыли характеризуют величиной эффективного диаметра d, который определяется как диаметр сферической частицы того же объема, что и частица пыли. Пыль – полидисперсная система, размеры частиц могут сильно различаться.

Таблица 1 Вещества, выбрасываемые в атмосферу предприятием химической промышленности (ПО «Азот»)

Наименование вещества	Выброс загрязняющих веществ в атмосферу
	г/сек	т/год
Ванадия пятиокись (аэрозоль)	0,035	0,368
Сода кальцинированная (пыль)	41,618	952,90
Известь (аэрозоль)	0,695	5,234
Азота диоксид (газ)	59,097	1296,39
Аммиак (газ)	70,060	1585,616
Аммиачная селитра (аэрозоль)	32,409	357,237
Серная кислота (аэрозоль)	0,517	14,078
Сернистый ангидрид (газ)	33,007	517,594
Пыль серы	0,011	0,074
Сероводород (газ)	0,009	0,262
Углерода оксид (газ)	1942,96	2442,506
Циклогексан (пары)	38,369	631,915
Бензол (пары)	3,245	43,339
Циклогексанол (пары)	4,917	84,309
Циклогексанон (пары)	6,919	107,893
Карбамид (аэрозоль)	28,397	558,760

В зависимости от размеров, частицы пыли по-разному ведут себя в атмосфере. Частицы диаметра более 75 мкм быстро осаждаются вблизи источника выбросов. Частицы диаметра 5-75 мкм медленно осаждаются, могут переноситься воздушными массами на относительно большие расстояния от источника выбросов, границы зоны рассеивания зависят от атмосферных условий, а также технических условий выброса в атмосферу (от высоты трубы, температуры, скорости ветра и т.п.). Частицы диаметра менее 5 мкм переносятся с воздушными массами на большие расстояния от источника выбросов, долгое время могут оставаться в атмосфере.

Дымом называют аэрозоли, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой – атмосферный воздух. Дымы образуются, например, при плавке металлов и их сварке в результате конденсации паров, при возгонке органических и неорганических веществ. Дым может содержать некоторое количество жидких аэрозольных частиц. Например, при сгорании топлива образуется дым, содержащий как твердые частицы, так и мельчайшие капли воды.

Туманом называют аэрозоли с жидкими частицами дисперсной фазы, взвешенными в дисперсионной среде – атмосферном воздухе. Туманы могут образоваться при конденсации пересыщенных паров жидкостей или при распылении жидкостей, например, при помощи форсунок. Смесь дыма, тумана, паров воды и газообразных загрязняющих веществ в атмосфере принято обозначать термином «смог».

Газообразные вещества и пары

К газообразным загрязняющим веществам относят вещества, которые при температурах и давлениях, обычных для приземного слоя атмосферы, находятся в газообразном состоянии. Основными газообразными загрязнениями являются оксиды серы SO2, SO3, сероводород H2S, оксиды азота NO, NO2, оксиды углерода СО, СO2, аммиак NH3.

В атмосфере загрязняющие вещества могут взаимодействовать с кислородом, водой, между собой с образованием опасных для биосферы продуктов. В частности, такое явление, как кислотные дожди (кислотные осадки), обусловлено присутствием в атмосфере главным образом оксидов серы и азота. Болезни и усыхания лесов при воздействии кислотных дождей наблюдались еще в 1841 году в районе промышленного центра Германии – города Рура. Термин «кислотные дожди» впервые применил в 1872 году английский химик Смит, изучавший выбросы промышленных предприятий в районе Манчестера. В настоящее время более широким является термин «кислотные осадки».

В отсутствие любых загрязнений у дождевой воды обычно слабо кислая реакция (рН=5,6), что обусловлено растворением в ней углекислого газа из воздуха с образованием слабой угольной кислоты:

СO2 + Н2О = Н2СО3

Оксиды серы и азота в загрязненной атмосфере постепенно реагируют с парами воды, образуя кислоты, которые выпадают на поверхность земли в виде кислотных осадков:

4NO2 + O2 + 2Н2О = 4НNO3

2SO2 + O2 = 2SO3

SO3 + Н2О = Н2 SO4

Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, рН которых имеет значение 5,5 и менее. Обычно кислотность осадков на две трети обусловлена серной кислотой и на одну треть – азотной кислотой. Значение рН осадков зависит от количества как кислот, так и воды, в которой они растворены. Туман и роса могут быть более кислыми, чем дождь. В туманах кислоты растворены в относительно небольшом количестве влаги. К кислотным осадкам относят также выпадение из атмосферы сухих кислых частиц. Так кислоты могут адсорбироваться на частицах оседающей пыли. Если такие сухие отложения накапливаются на поверхности растений, то при смачивании небольшим количеством влаги, например при выпадении росы, на загрязненной поверхности образуются сильные кислоты. Потому к кислотным осадкам можно отнести и кислотную росу.

Присутствие в атмосфере аммиака приводит к подщелачиванию осадков вследствие образования слабого основания – гидроксида аммония:

NH3 + Н2О = NH4ОН

Продукты реакций, образующиеся при взаимодействия загрязнений в атмосфере (вторичные загрязнения), в результате течения различных биосферных процессов переносятся в другие природные среды, воздействуют на живые организмы, являются часто причиной экологических кризисов. Загрязненный атмосферный воздух является значимым экологическим фактором, оказывающим глубокое влияние на состояние растительных организмов. Исследования разных авторов позволяют расположить некоторые из изученных газообразных загрязнений в следующий ряд по мере увеличения их негативного воздействия на растения: СО2 < СО < NxOy < SO2 < CI2 < F2.

Газообразные загрязняющие вещества и пары ряда органических веществ при попадании в атмосферу могут вызывать разрушение озонового экрана – тонкого слоя озона, находящегося в стратосфере на высоте около 25 км от поверхности земли. Озоновый экран защищает поверхность земли от воздействия ультрафиолетового излучения. Если бы все ультрафиолетовое излучение, падающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь. К азоноразрушающим загрязнениям относится оксид азота NO:

NO + O2 ® NO2 + O

O + O3 ® 2 O2

Разрушение озона может также проходить при попадании в атмосферу хлорфторуглеводороды (фреонов), широко используемых в технике и быту.