Читать книгу Прикладная химия - Роза Рыскалиева - Страница 3

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность, энергетика и транспорт. Энерговооруженность общества растет в основном за счет роста производства электроэнергии. Главный недостаток электроэнергии в том, что, несмотря на чистоту ее конечного потребления, использование первичных энергоресурсов для ее выработки неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Известно много способов ее получения, но основной остается реакция горения. Наибольшее количество электроэнергии (около 70 %) вырабатывается при сжигании угля, нефти и природного газа, которые называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов (за счет растительных и животных остатков, в результате дегазации глубоких недр Земли), всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам:

• условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит;

• человечество потребляет горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей необходимую для их образования.

Таким образом, запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис».

Состав топлива можно представить следующей обобщенной формулой:

C + H + O + N + S + W + Z = 100%

где соответствующими символами обозначены углерод, водород, кислород, азот и сера; W – содержание влаги; Z – содержание золы. Количественное соотношение элементов в топливе различно и зависит не только от типа, но и от места его залегания. Но в любом случае основная доля (в среднем до 80 %) приходится на углерод. Поэтому именно этот компонент определяет теплотворную способность топлива: С + О₂ → СО₂ + 393,5 кДж/моль. Основным продуктом горения топлива является углекислый газ СО₂, огромные количества которого выбрасываются в атмосферу заводами, теплоэлектростанциями (ТЭС), транспортом. Последствием этого является «парниковый эффект».

Реакция сгорания топлива требует значительных затрат кислорода. При недостатке кислорода О₂ не достигается основная задача – получение тепла, так как становится возможным эндотермический процесс: С + СО₂ → 2СО – 410 кДж/моль или процесс с выделением намного меньшего количества теплоты, чем в случае образования углекислого газа СО₂:

С + 1/2О₂ → СО + 110,5 кДж/моль. Параллельно образуется очень ядовитый угарный газ СО.

Опираясь на обобщенную формулу топлива, можно перечислить другие химические процессы, протекающие при его сгорании. Так, одной из самых вредных примесей в топливе является сера. В процессе сжигания топлива она выделяется в виде диоксида серы: S + О₂ → SО₂ + 296,9 кдж/моль. Известно, что диоксид серы SО₂ – один из источников «кислотных осадков». Кроме этого сера можно выделяться и в виде серосодержащих соединений, обладающих высокой токсичностью и коррозионным воздействием.

В значительных количествах содержится в топливах и азот. Высокие температуры способствуют образованию оксидов азота – NO_x:

N₂ + O₂ ↔ 2NO – Q (эндо); 2NO + O₂ ↔ 2NO₂ + Q (экзо).

NO_x – компоненты «кислотных осадков» и разрушители озонового слоя.

На ТЭС топливо сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, которая в турбогенераторе превращается в электрическую. Уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов; туда же в больших количествах непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляются высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова направляется в котлы. При этом происходит тепловое загрязнение водоема – охладителя. Кроме оксидов углерода, серы и азота при работе ТЭС в атмосферу выбрасывается огромная масса золы, пыли и дыма, содержащих до 25 элементов, в том числе тяжелых металлов. В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232. Все это поступает в окружающую среду.

Каждый вид топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Уголь: в зависимости от относительного содержания элементов различают бурые, каменные угли и антрациты. При переходе от бурых углей к антрацитам увеличивается доля углерода (от 65 % до 90 %) и соответственно снижается доля водорода и кислорода. Органическая масса углей включает в себя битумы (жидкие или твердые смеси и их кислородные, сернистые и азотистые производные), гуминовые кислоты (высокомолекулярные соединения с фенолгидроксильными, карбоксильными, аминогруппами) и остаточный уголь (полуароматические соединения). Теплотворная способность бурого угля – 12000 кДж/кг, каменного угля – 19000 кДж/кг, антрацита – 29000 кДж/кг. Добывают уголь открытым и подземным способами. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахты. При открытой разработке почва и горные породы над угольным пластом вскрываются гигантскими экскаваторами. При этом полностью уничтожаются наземные экосистемы. Хотя остающиеся карьеры и их отвалы можно рекультивировать, то есть разровнять, удобрить грунт и высадить на нем растения, прежде чем восстановиться экосистема пройдет много времени. Наиболее значительные экологические недостатки угля как топлива – загрязнения диоксидом серы SО₂, а также наличие больших зольных остатков. Кроме этого, отходы от сжигания угля в следовых количествах содержат мышьяк, свинец, ртуть, а также ряд радиоактивных веществ.

Торф и сланцы: теплотворная способность торфа и сланцев топлива 24000 кДж/кг. Но высокая зольность этих видов топлива, даже по сравнению с углем, делает их применение неэффективным, экологически сложным (зола составляет от 30 до 60 %).

Нефть: человечеству нефть известна с древнейших времен. Точных данных, когда именно впервые была обнаружена нефть, нет, но первая промышленная скважина глубиной 23 м была пробурена в 1859 г. в штате Пенсильвания в США. С 1880 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли свыше 3,2.10¹² л. Это смесь углеводородов трех типов – алканов (СnH2n + 2), циклоалканов (СnH2n) и аренов (СnH2n – ₆). Кроме этого, в нефти в наибольших количествах содержатся сера S – до 4 %, азот N – 1 % и немного меньше кислорода О. Эти добавочные элементы обычно входят в состав молекул углеводородов. В качестве микропримесей нефть содержит до 27 элементов (фосфор Р, ванадий V, марганец Mn, хром Cr, кобальт Co, бор B, магний Mg, никель Ni, железо Fe, алюминий A1 и другие). Всего в различных нефтях идентифицировано 805 индивидуальных химических соединений. Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения. Основное различие между нефтью, добытой в различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, что и влияет на химические и физические свойства сырой нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, другие имеют черную, янтарную или зеленую окраску. Некоторые нефтепродукты имеют приятный запах эфира, скипидара и камфары, а другие – очень неприятный запах, вызываемый присутствием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства различных углеводородов существенно различаются. Поэтому при оценке влияния компонентов нефти на окружающую среду необходимо знать состав определенного нефтепродукта.

Теплотворная способность нефтей высокая – 43000 кДж/кг, у продуктов нефтепереработки – до 46000 кДж/кг. Нефть практически лишена присущего твердым топливам недостатка – зольности. Но ее применение связано с одной специфической трудностью – транспортировкой. Химическая энергия, заключенная в нефти – самый «перевозимый» вид энергии. Почти вся нефть используется не там, где добывается. Добывается она там, где ее много и где добывать ее удобнее, а потребляется там, где есть развитая промышленность. В энергетическом балансе развитых стран главное место принадлежит нефти. Нефть универсальна в применении. Кроме того, что она используется в энергетике, в промышленности из нее получают более чем 3000 различных продуктов, в том числе в синтетические волокна, пластмассы, лекарства, красители и пестициды.

Углеводороды, находящиеся в составе нефти в месторождениях практически безвредны для окружающей среды. Но, попадая в атмосферу, почву, воду при использовании их человеком, нефть и нефтепродукты становятся загрязнителями природной среды. Легкокипящие фракции углеводородов являются огне- и взрывоопасными веществами и при попадании в атмосферу в больших количествах могут становиться виновниками взрывов и пожаров.

Особенно опасны последствия загрязнения гидросферы нефтью. Серьезное беспокойство вызывает загрязнение нефтью океанов в результате крушения танкеров и выбросов нефти на буровых скважинах, расположенных в открытом море. Такие примеры очень серьезны, но загрязнения нефтью вызванные ими, составляют лишь небольшую долю от общего количества загрязнений нефтяными углеводородами акватории мирового океана. Основная доля загрязнений приходится на транспортировку нефти (48 %, в то время как аварии около 5 %). В настоящее время более 58 % нефти перевозят морским путем, и ежегодно в морскую среду поступает до 3,5 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Почти такой же вклад в загрязнение океана нефтепродуктами дают реки и городские стоки. Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах крупных городов, попадая сюда из различных источников. К ним относятся системы отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки израсходованных смазочных материалов и т.д. Дожди вымывают эти остатки вначале в дренажные сооружения, а затем в воду. Периодически повторяющийся приток нефтепродуктов в воду даже в небольших количествах может привести к сокращению числа видов водных организмов, а в некоторых случаях – и к полному уничтожению жизни. В акваториях аккумуляции нефтепродуктов резко снижает содержание растворенного в воде кислорода, вызывая массовую гибель водных организмов не только в водной толще, но и в донных отложениях. Некоторые нефтяные продукты канцерогенны, и их накопление в трофической цепи может представлять опасность для человека. Загрязнение озерных вод нефтепродуктами губительно действует на водную растительность и плавающую птицу. Кроме того, нефтяные пленки на поверхности водоемов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между водой и атмосферой. Попавшая на поверхность воды нефть растекается на большие площади с расходом примерно 150 – 1000 л/км². Вода приобретает запах керосина при содержании нефти 0,2 – 0,4 мг/л, причем этот запах не устраняется даже при хлорировании и фильтровании воды.

После попадания в океан нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. В результате таких процессов, как испарение, растворение, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок, состав нефти постоянно меняется из-за разложения и трансформирования составляющих нефти. Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25 % нефтяного пятна исчезает в результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения (до 5 %), причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре. Тяжелые фракции нефти с температурой кипения выше 370⁰С остаются на поверхности и, постепенно уплотняясь, со временем оседают на дно. Не разлагающиеся и не осаждающиеся нефтяные остатки обнаруживаются на поверхности воды в виде смолистых шариков. Биохимическое воздействие бактерий на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения или растворения. Но нет какого-либо одного микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Большинство превращений углеводородов нефти под действием бактерий сводится к процессу:

Н3С(СН2)_nCH₃ + O₂ → H₃C(CH₂)_n-1COOH + CO₂ + H₂O

Нефтяные углеводороды подвержены также процессам химического окисления и фотоокисления. Подсчитано, что для полного окисления 4л сырой нефти требуется О₂, содержащийся в 1,5∙10⁶л морской воды, насыщенной воздухом при 60⁰С; это эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см с площадью 0,5∙10⁴м². Сокращение площадей, покрытых нефтяной пленкой за счет испарения, растворения, оседания, эмульгирования, биологического и химического окисления свидетельствует о больших способностях морей и океанов к самоочищению, но эти возможности не безграничны.

По наблюдениям со спутников, нефтяная пленка покрывает до 10-15 % поверхности Мирового океана или 36-54 млн. км². Эта пленка, будучи достаточно устойчивой, нарушает водо- и газообмен между океаном и атмосферой, угнетает процессы фотосинтеза, изменяет световой и температурный режим у поверхности воды. Интенсивность света под слоем нефти убывает до 90 %, испарение воды уменьшается на 60 %. Одна тонна пролитой нефти может загрязнить около 12 км² поверхности океана и погубить в нем все живое. Если загрязнение океана будет продолжаться, то это повлияет на кругообороты кислорода, диоксида углерода и воды. Многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так, под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бензо[а]пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.

Еще большую опасность нефть и нефтепродукты представляют для подземных вод. Когда углеводороды нефти попадают в подземную воду, они полностью сохраняют устойчивость, и не приходится рассчитывать на их бактериальное разложение или биохимическое окисление, что обусловлено недостатком бактерий и отсутствием кислорода, а также низкой температурой. Для загрязнения воды хватает совершенно незначительных количеств нефти, при содержании нефтепродуктов от 0,001 до 1 мг/л вода приобретает специфический запах и привкус. Восстановление первоначального состояния такой воды может происходить в течение длительного времени – даже столетий. А ведь подземные воды представляют собой не возобновляемые ресурсы пресной воды, которые необходимо сохранить для будущих поколений.

При аварийных разливах нефть проникает и в глубокие слои почвы, вплоть до грунтовых вод. Основные причины разливов нефти и нефтепродуктов – это коррозия и механические повреждения трубопроводов, нарушение герметичности резервуаров и аварии на нефтепромыслах. Разрыв только одного трубопровода может вызвать загрязнение территории площадью до 0,11 га. Реальные последствия для почв при накоплении в них различных нефтяных продуктов изучены далеко не полно. Поступление в почву компонентов нефти вызывает изменение физических, химических, биологических свойств и характеристик. Все это неизбежно вызывает снижение и даже полную утрату почвенного плодородия. Кроме того, углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенными свойствами, характеризующиеся стойкостью к микробиологическому расщеплению и способные переходить в растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и создает определенную угрозу для здоровья человека и животных. В загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели: изменяются содержание и состав гумуса, азота, фосфора, нарушается почвенно-поглощающий комплекс, снижаются порозность, аэрация и водопроницаемость, уменьшается доступная растениям влага.