Читать книгу Қолданбалы химия - Роза Рыскалиева - Страница 3

Энергошикізаттың негізгі тұтынушылары өнеркәсіп, энергетика және транспорт болып табылады. Қоғамның энергоқуаттылығы негізінен электр энергиясы өндірісінің өсуіне байланысты артады. Электр энергиясының негізгі кемшілігі, ол оны өндіру барысында қоршаған ортаға тигізетін кері әсерінде. Оны алудың көптеген тәсілдері белгілі, бірақ негізгісі болып жану реакциясы қолданылады. Электр энергиясының ең көп мөлшері (шамамен 70 %) көмір, мұнай және табиғи газды жағу арқылы өндіріледі, оны қазба отын деп атайды. Осы минералдар биологиялық үдерістердің (өсімдіктер мен жануарлар қалдықтары арқылы, Жердің терең қыртыстарының газсыздануы нәтижесінде) нәтижесінде түзілсе де, оларды пайдалану барысында мөлшерін толықтыру екі себеппен мүмкін болмайды:

• Жер бетінде органикалық заттар айтарлықтай жинақталмайтындай жағдайда өзгерген;

• адамзат жанғыш қазбаларды олар түзіліп үлгермей жатып жылдам тұтына бастаған.

Осылайша қазба отынның ресурстары шектеулі бола бастады. Көптеген елдер қазірдің өзінде «энергетикалық дағдарысқа» ұшырауда.

Отынның құрамын төмендегідей жалпылама формуламен сипаттауға болады:

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

мұндағы көміртек, сутек, оттек, азот және күкірт өзіне сай таңбалармен белгіленген; ал W – ылғал мөлшері; Z – күл мөлшері. Отынның құрамындағы элементтердің сандық қатынасы әртүрлі және оның типінен ғана емес, сонымен қатар оның пайда болу орнына да байланысты өзгеріп отырады. Бірақ барлық жағдайда да оның негізгі бөлігі (орташа 80 %) көміртектен тұрады. Сондықтан да тек осы компонент отынның жылу беру мүмкіншілігін анықтайды:

С + О₂ → СО₂ + 393,5 кДж/моль

Отын жануының негізгі өнімі көміртек диоксиді CO₂, оның өте көп мөлшері атмосфераға жылу электр станциялары (ЖЭС), көліктер және заводтар арқылы түседі. Мұның салдары «парниктік әсерге» әкеледі.

Отынның жану реакциясы оттектің айтарлықтай мөлшерін талап етеді. О₂ мөлшері жеткіліксіз болғанда негізгі міндет – жылуды алу орындалмайды, себебі эндотермиялық процесс мүмкін болады:

С + СО₂ → 2СО – 410 кДж/моль

немесе көмірқышқыл газының СО₂ түзілу процесі жағдайымен салыстырғанда жылудың мөлшері неғұрлым аз мөлшерде бөлінетін процесс орын алады:

С + 1/2О₂ → СО + 110,5 кДж/моль

Осымен қатар өте улы көміртек (II) оксиді СО түзіледі.

Отынның жалпылама формуласына сүйене отырып, оның жануы кезінде жүретін басқа да химиялық процестерді атауға болады. Мысалы, отынның ең зиянды қоспаларының бірі күкірт. Отынды жағу барысында ол күкірт диоксиді түрінде бөлінеді:

S + О₂ → SО₂ + 296,9 кДж/моль

Күкірт диоксиді SО₂ – «қышқыл жаңбыр» көздерінің бірі екені белгілі. Сонымен қатар күкірт коррозиялық және улылығы жоғары күкіртқұрамды қосылыстар түрінде де бөлінеді.

Отынның құрамында біршама мөлшерде азот кездеседі. Жоғары температуралар азот оксидтерінің – NO_x түзілуіне мүмкіндік береді:

N₂ + O₂ ↔ 2NO – Q (эндо);

2NO + O₂ ↔ 2NO₂ + Q (экзо)

NO_x – «қышқыл жаңбыр» компоненттері және озон қабатын бұзушылар.

ЖЭС–ларында булы қазандықтарда отын жағылғанда оның химиялық энергиясы будың жылу энергиясына айналады. Бу құбырында бу энергиясы механикалық энергияға айналады да, ол электр құбырының генераторында электр энергиясына айналады. Көмір оның шаңына дейін үгітіледі және үздіксіз қазандық пешке беріледі; осы жерге тазалығына жоғары талаптар қойылған судың көп мөлшері жұмсалады. Бу құбырларында пайдаланылған бу суытылып, суға айналады да, қайтадан қазандықтарға бағытталады. Бұл жағдайда салқындатқыштың-су қоймасының жылулық ластануы жүзеге асады. ЖЭС-ның жұмысы кезінде атмосфераға көміртек, күкірт және азот оксидтерінен басқа құрамында ауыр металдары да бар 25-ке жуық элементтері бар күл, шаң және түтіннің орасан көп мөлшері тасталынады. Соңғы жылдары көмірмен жұмыс істейтін жылу станцияларының жанында радиациялық ластану табиғи радиация аясынан орташа есеппен 100 есе артатыны анықталды. Бұл жағдай жай көмірдің құрамында әрқашан уран-238, торий-232 микрокомпоненттерінің болуына байланысты келеді. Осылардың барлығы қоршаған ортаға түседі.

Отынның әрбір түрінің өзінің артықшылықтары және кемшіліктері бар.

Көмір-элементтердің салыстырмалы мөлшеріне байланысты қоңыр көмір, тас көмір және антрацит деп бөлінеді. Қоңыр көмірден антрациттерге өткенде көміртектің үлесі (65 %-дан 90 %-ға дейін) артады және осыған сай сутек және оттектің үлесі кемиді. Көмірдің органикалық массасына битум (сұйық немесе қатты қоспалар және олардың оттекті, күкіртті және азотты туындылары), гумин қышқылдары (фенолгидроксилді, карбоксилді, амин топтары бар жоғары молекулалы қосылыстар) және қалдықты көмір (жартылай ароматты қосылыстар) кіреді. Қоңыр көмірдің жылу сақтау мүмкіншілігі – 12000 кДж/кг, тас көмірдікі – 19,000 кДж/кг, антрациттікі – 29000 кДж/кг. Көмірді ашық және жер асты әдістерімен өндіреді. Жер асты арқылы көмірді өндіргенде шахта көміліп қалмас үшін оның жартысына жуығын сол орында қалдырып кетуге тура келеді. Ал ашық әдіспен өндіргенде көмір қатпарларына дейінгі тау жыныстары мен топырақты орасан зор экскаваторлардың көмегімен қопарып ашады. Бұл кезде толығымен жер үстіндегі экожүйе жойылады. Қалған карьерлер мен олардың шұңқырларын рекультивациялауға, яғни тегістеп жауып және ол жерді тыңайтып, өсімдіктер отырғызуға болғанымен, алайда мұндай экожүйені орнына келтіру үшін көп уақыт қажет болады. Көмірдің отын ретінде қолданылуының ең маңызды экологиялық кемшілігі – оның күкірт диоксидімен SО₂ ластануы, сонымен қатар күлді қалдықтардың өте көп мөлшерде қалуы. Сонда-ақ, көмірді жаққаннан кейінгі қалдықтардың құрамында күшән, қорғасын, сынап және бірқатар радиоактивті заттардың іздері болады.

Шымтезек және сланецтер. Отынның шымтезегі мен сланецтерінің жылу сақтау мүмкіншілігі 24000 кДж/кг болады. Алайда бұл отын түрлерінің жоғары күлділігі, тіпті көмірмен салыстырғанның өзінде оларды қолданудың тиімсіз, экологиялық тұрғыдан күрделі екенін көрсетеді (күлдің мөлшері 30-дан 60 % дейін).

Мұнай адамзатқа көне заманнан бері белгілі. Оның мұнай ретінде табылғаны туралы нақты деректер жоқ, бірақ тереңдігі 23 м болатын алғашқы өнеркәсіптік бұрғы 1859 жылы Америка Құрама Штаттарының Пенсильвания штатында бұрғыланған болатын. Ал 1880 жылдан бастап мұнай өндіру геометриялық прогрессиямен өсіп келеді, ал қазіргі уақытта Жер қойнауынан жыл сайын 3,2.10¹² л аса мұнай шығарып алынады. Бұл көмірсутектердің үш түрінің – алкандар (С_nH_{2n + 2}), циклоалкандар (С_nH_2n) және арендердің (С_nH_2n – ₆) қоспалары. Сонымен қатар, мұнайдың құрамында көп мөлшерде күкірт S – 4 %-ға дейін, азот N – 1 %-дан артығырақ және одан сәл кемірек мөлшерде оттек бар. Бұл қосымша элементтер әдетте, көмірсутек молекулаларының бір бөлігі болып табылады. Мұнайдың құрамында микромөлшерде 27 ге жуық элементтер (фосфор Р, ванадий V, марганец Mn, хром Cr, кобальт Co, бор В, магний Mg, никель Ni, темір Fe, алюминий Аl және т.б.) болады. Әртүрлі мұнай құрамында барлығы 805 жеке химиялық қосылыстар анықталған. Мұнай – өзіне тән иісі бар ашық түсті қоңырдан қараға дейін түсі бар майлы сұйықтық. Ол суға қарағанда сәл жеңілірек және онда іс жүзінде ерімейді. Мұнай әртүрлі көмірсутектердің қоспасы болғандықтан, оның белгілі бір қайнау температурасы жоқ. Әр түрлі географиялық аудандарда өндірілген мұнайдың арасындағы негізгі айырмашылық оның химиялық құрамы емес, ол шикі мұнайдың физикалық және химиялық қасиеттеріне әсер ететін жеке компоненттерінің мөлшерінде болып табылады. Кейбір мұнай өнімдері түссіз келсе, ал басқалары қара, сары немесе жасыл түсті де болып келеді. Кейбір мұнай өнімдері жағымды эфир иісін берсе, ал кейбіреулерінің иісі жағымсыз скипидар және камфор иісіне сай келеді, бұл олардың құрамындағы күкіртқұрамды компоненттердің болуына байланысты. Әртүрлі көмірсутектердің биологиялық және химиялық қасиеттері де әртүрлі болып келеді. Сондықтан да қоршаған ортаға мұнай компоненттерінің әсерін бағалағанда берілген мұнай өнімінің құрамын білу керек.

Мұнайдың жылу сыйымдылығы өте жоғары – 43000 кДж/кг құрайды, ал мұнайды қайта өңдеу өнімдерінікі –46000 кДж/кг дейін болады. Мұнайда қатты отындарға тән кемшілік – күлділік болмайды. Алайда оны қолдануда тасымалдау кезіндегі қиындық орын алады. Мұнайдағы химиялық энергия – энергияның ең «тасымалданатын» түрі. Мұнайдың барлығына жуығы өндірген жерінде қолданылмайды. Ол қай жерде көп болса, сонда өндіріледі, ал өндіріс орындары дамыған жерлерде қолданылады. Дамыған елдердің энергетикалық балансында негізгі орынды мұнай алады. Мұнай жан жақты қолданылады. Ол энергетика саласында, өнеркәсіпте қолданылады, одан 3000 аса әртүрлі өнімдер алынады, оның ішінде синтетикалық талшықтарды, пластмассаларды, дәрі-дәрмектерді, бояғыштарды және пестицидтерді атап айтуға болады.

Кен орындарындағы мұнайдың құрамындағы көмірсутектердің қоршаған ортаға зияны жоқ. Алайда, адамның қолдануы барысында бұл мұнай және мұнай өнімдері атмосфераға, топыраққа, суға еніп, табиғи ортаның ластағыштары болады. Көмірсутектердің жеңіл қайнайтын фракциялары жанғыш және жарылғыш заттар болып табылады және олар атмосфераға көп мөлшерде түскен жағдайда жарылыстар мен өрттің себепкері бола алады.

Мұнаймен әсіресе гидросфераның ластануы қауіпті болып табылады. Танкерлердің құлауы нәтижесінде ашық теңізде орналасқан бұрғылау ұңғымаларынан мұнай мен мұнай өнімдерінің төгілуі нәтижесінде мұхиттардың мұнаймен ластануы елеулі алаңдаушылық тудырады. Мұндай мысалдар өте көп, алайда олардан туындаған мұнаймен ластану әлемдік мұхит акваторийіндегі мұнай көмірсутектерімен ластанудың жалпы мөлшерінің тек аз ғана бөлігін құрайды. Ластанудың негізгі үлесі шикі мұнайды тасымалдау кезіне тиесілі (48 %, ал апат әсері шамамен 5 %).

Қазіргі уақытта мұнайдың 58 % астамы теңіз арқылы тасымалданады, ал теңіздік ортаға жыл сайын 3,5 млн тонна мұнай және мұнай өнімдері түседі. Өзендер мен қалалық ағындар арқылы да дәл осындай мөлшерде мұнай өнімдері мұхиттың ластануына өз үлесін қосады. Мұнай көмірсутектерінің үлкен үлес салмағы ірі қалалар аумағына шоғырланған. Оларға мұнаймен жұмыс істейтін жылыту жүйелерін, көлiк құралдарына техникалық қызмет көрсету операцияларын, қолданылған жағармай материалдарының керексіз бөлшектері және т.б. жатады. Жаңбыр сулары бұл қалдықтарды бірінші дренажды құбырларға шаяды да, тек сосын суға түсіреді. Суға мұнай өнімдерінің жиі қайталанып аз мөлшерде болса да түсе беруі сулы ағзадер түрлерінің санының қысқаруына, ал кейбір жағдайларда – толық жойылуына әкеледі. Кейбір мұнай өнімдері өте улы келеді, олардың трофикалық тізбекте жинақталуы адам үшін өте қауіпті. Көл суларының мұнай өнімдерімен ластануы су өсімдіктеріне және жүзетін құстарға үлкен қауіп төндіреді. Сонымен қатар, су қоймаларының беткі қабатында түзілетін мұнай қабықшалары атмосфера мен су арасындағы газ, ылғал, жылу және энергия алмасуын бұзады. Су бетіне түскен мұнай үлкен аудандарға шамамен 150 – 1000 л/км² дейін жайылады. Мұнай мөлшері 0,2 – 0,4 мг/л құрайтын судан керосин иісі шығады, бұл иісті суды хлорласа да, сүзсе де кетпейді.

Мұнай мұхитқа түскен соң желдер, ағымдар, толқындар әсерінен жайыла бастайды. Мұндай булану, еру, тірі ағзаларға сіңіру және тұнбаға тұндыру сияқты үдерістер нәтижесінде мұнай құрам бөліктерінің ыдырауы мен трансформациялануы салдарынан мұнай құрамы үнемі өзгереді. Мұнайдың барлық түрлері тез буланатын жеңіл қайнайтын компоненттерден тұрады. Бірнеше күн ішінде мұнай дағының 25 % булану нәтижесінде жоғалады. Төмен молекулалық компоненттер мұнай дағынан негізінен еру нәтижесінде (5 %) шығарылса, оның ішінде бірдей температурада н-парафинге қарағанда ароматты көмірсутектер тез ериді. Қайнау температурасы 370⁰С-дан жоғары мұнайдың ауыр фракциялары беткі қабатында қалып, жаймен нығыздалып, уақыт өте келе түбіне тұнады. Ыдырамайтын және тұнбаға түспейтін мұнай қалдықтары су бетінде шайырлы дөңгелекшелер түрінде табылады. Мұнай компоненттеріне бактериялардың биохимиялық әсері неғұрлым ауқымды және булану мен еру үдерістерімен салыстырғанда әртүрлі заттарды қамтиды. Алайда мұнай компоненттерінің барлығын бұзуға мүмкіндігі бар қандай да бір микроағза жоқ. Бактерия әсерінен мұнай көмірсутектерінің көптеген айналымдарын төмендегі үдеріспен сипаттауға болады:

Н3С(СН2)nCH3 + O2 → H3C(CH2)n-1COOH + CO2 + H2O

Мұнай көмірсутектері де химиялық тотығу және фото-тотығу процесіне ұшырайды. 4 л шикі мұнай толық тотығу үшін 60⁰С-да ауамен қаныққан 1,5∙10⁶ л теңіз суындағы О₂ қажет екені есептелген; бұл ауданы 0,5 ∙ 10⁴ м² тереңдігі 30 см болатын теңіз суының мөлшеріне тең. Булану, еру, тұну, биологиялық және химиялық тотығу нәтижесінде мұнай қабықшасымен жабылған ауданның кемуі теңіздер мен мұхиттардың өздігінен тазару қабілеті бар екенін көрсетеді, бірақ бұл мүмкіндіктер шексіз емес.

Жер серігінен бақылаулар бойынша мұнай қабықшасы 36-54 млн км² немесе Әлемдік мұхит бетінің 10-15 %-на дейін қамтиды. Бұл қабықша өте тұрақты болып келеді, ол мұхит пен атмосфера арасындағы су және газ алмасуын бұзады, фотосинтез үдерісін тежейді, су бетінде жарық және температуралық жағдайды өзгертеді. Мұнай қабатының астындағы жарық қарқындылығы 90 %-ға төмендейді, ал су булануы 60 %-ға азаяды. Төгілген мұнайдың бір тоннасы мұхитты шамамен 12 км² ластайды және ондағы барлық тіршілікті жоя алады. Егер мұхиттың ластануы жалғасатын болса, онда ол оттек, көмірқышқыл газы және су айналымдарына өз әсерін тигізеді. Теңіз суында, қабықшада болған көптеген ароматты қосылыстар канцерогенді қасиеттері бар улы заттарға айналады. Мысалы, кейбір теңіз өсімдіктерінің әсерінен мұнайдың ароматты көмірсутектерінен теңіз шөптері мен балдырларда жиналатын бензо[а]пирен қатарының конденсацияланған полициклді қосылыстары түзіледі.

Мұнай және мұнай өнімдері жер асты суларына да үлкен қауіп төндіреді. Мұнай көмірсутектері жерасты суларына түскенде, олар толық тұрақтылығын сақтайды және оттектің болмауы мен бактериялардың жетіспеушілігіне байланысты, сондай-ақ төмен температура болғандықтан олардың бактериялық ыдырауы мен биохимиялық тотығуы болмайды. Судың ластануы үшін мұнай өнімдерінің 0,001-ден 1 мг/л мөлшерінің өзі жеткілікті, судың бұл жағдайда ерекше иісі мен дәмі болады. Мұндай суды бастапқы күйіне келтіру үшін ұзақ уақыт қажет, кейде ғасырлар кетеді. Жер асты сулары тұщы судың жаңартылмайтын шикізаты болып табылады, оны болашақ ұрпақ үшін сақтау қажет.

Мұнайдың абайсызда төгілуі барысында ол топырақтың терең қабаттарына еніп, жер асты суларды да ластайды. Мұнай және мұнай өнімдерінің төгілуінің негізгі себебі – мұнай өнеркәсібіндегі апаттардың орын алуы, резервуарлардың герметикалығының бұзылуы, құбырлардың механикалық зақымдануы және коррозияға ұшырауы болып табылады. Бір ғана мұнай құбырының зақымдануы 0,11ga дейінгі аймақтың ластануына әкеледі. Әртүрлі мұнай өнімдерінің топырақта жинақталуының әсері толық зерттелмеген. Топыраққа мұнай компоненттерінің түсуі оның физикалық, химиялық және биологиялық қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі. Бұл факторлардың барлығы топырақтың құнарлылығының төмендеуіне және толығымен жойылуына әкеледі. Сонымен қатар, мұнайдың көмірсутектері трансформациясы кезінде өсімдікке өтетін микробиологиялық ыдырауы қиын, канцерогенді қасиеттері бар улы қосылыстар түзе алады. Бұл жануарлар мен аңдарға үлкен қауіп төндіреді.

Мұнаймен ластанған топырақта маңызды генетикалық көрсеткіштер бұзылады: азоттың, фосфордың, гумустың құрамы өзгереді, топырақты-сорғыштық кешен бұзылады, өсімдіктерге қажетті ылғал төмендейді. Топырақ- өсімдік – тірі ағза тізбегінің геохимиялық миграциясы үдерісінде мұнайдың улы химиялық заттары топырақтың генетикалық қасиеттерін бұзады, өсімдіктерге тежеуіш әсер береді, ми жасушаларында, тірі ағзаның қан құрамында үлкен өзгерістер жасайды, онкологиялық ауруларға себепші болады. Атмосфералық ауа мен топырақтың мұнай қалдықтарының улы химиялық заттарымен ластану деңгейінің жоғарылауы тұрғындардың туберкулез және тыныс алу жолдарының ауруына шалдығуына, гепатит ауруының ауыр формаларына шалдығуына әкеледі.

Газ тәрізді отын. Оған табиғи газ, мұнай өндіруде шығатын газдар, сонымен қатар көмір химиясының, мұнай өңдеу мен мұнай химиясының көптеген үдерістерінде түзілетін газдар (кокс және генератор газдары, крекинг және пиролиз газдары, органикалық синтез өндірісінен бөлінетін газдар) кіреді. Табиғи газдар метанға (95 %) бай және олардың құрамында қанықпаған көмірсутектер болмайды. Мұнай кен орындарының ілеспе газдары пропанмен және бутанмен байытылған. Жанғыш газдарда қоспалар ретінде циклды және ароматты көмірсутектер, аз мөлшерде азот N₂, сутек H₂, аргон Ar, гелий He болады; сирек жағдайларда аз мөлшерде күкіртсутек Н₂S, меркаптандар және көмірқышқыл газы СО₂ бар. Құрамына байланысты газдарды шикізат ретінде химия өнеркәсібінде, сонымен қатар өндірістік және тұрмыстық отын ретінде қолданады. Табиғи газдың жылу сыйымдылығы 34000 кДж/м³ болады. Қатты және сұйық отынмен салыстырғанда газдардың құрамында қажетсіз қоспалар аз мөлшерде болады, ал күлділігі тіптен болмайды. Алайда оның жарылғыштық қаупі бар, газ құбырларында, ғимараттарда және т.б. жерлерде авариялар болуы мүмкін.

Транспорт шамамен 100 % сұйық отынмен қамтамасыз етілген, ал электр қуатын өңдеу үшін көмір қолданылады, ал тұрмыста газ пайдаланылады. Алайда қазба отынның мөлшері шектеулі. Сондықтан қазіргі уақытта синтетикалық отын алу мүмкіншілігі қарастырылуда. Отынның барлық түрлерінің құрамы ұқсас келеді. Олардың арасындағы айырмашылық – сутектің мөлшерінде. Яғни, химиялық жолмен мысалы, көмірден мұнайға ұқсас сұйық көмірсутектер жиынтығын алу мүмкіндігі бар.