Читать книгу Экскретология мусора - В. И. Романов - Страница 6

Временные характеристики элементарных и глобальных экскретов, включающие в себя времена их возникновения, трансформации, развития и деструкции, а также существования как самостоятельных объектов могут представлять как научный, так и прикладной интерес для так называемых «мусорных экскретов». В этой связи необходимо конкретизировать понятия экскреции.

В медицине термин экскреция используется довольно узко для обозначения процессов выделения живых организмов. Например, в Медицинской энциклопедии [51] можно прочитать: «Экскреция (лат. excerno, excretum, отделять, выделять; от экс– + cerno различать, просеивать; син. выделение) – совокупность физиологических процессов, направленных на освобождение организма от конечных продуктов обмена, чужеродных веществ, а также избытка воды, минеральных и органических веществ, поступивших с пищей или образовавшихся в организме в процессе метаболизма». В других справочных изданиях это понятие мало отличается от приведённого и просто выражается другими словами.

Применительно к экскретологии, как научному направлению, понятие экскреции можно толковать более расширенно, причисляя к нему и процессы последующего отторжения и деструкции рассматриваемого объекта. При этом времена возникновения, существования материального экскрета как конечного продукта выделения и время его деструкции (распада или разложения) можно трактовать так.

Время возникновения экскрета τ_↑ – это фактически продолжительность насильственного или самопроизвольного отторжения живого организма от среды обитания (гибель, умирание), связанное с прекращением физиологических обменных процессов. Времена τ_↑, как правило, одномоментны или составляют несколько минут.

Экскретные объекты неживой природы также имеют значения τ_↑ в близких пределах. Например, возникновение экскретов лавины или грязевого потока, вулканического выброса или приливной волны цунами. Эти и многие другие природные экскреты возникают, как правило, в результате «спускового» механизма освобождения от внутреннего напряжения и поэтому в масштабах суточного времени протекают быстро или очень быстро. Примерно такой же порядок величин имеют времена возникновения τ_↑ антропогенных экскретов.

Возникший однажды экскрет в зависимости от своего состава, физических и метеорологических условий окружающей среды может быстро исчезнуть или разрушиться (механически или химически распасться), а может существовать продолжительное время. Время существования экскрета τ_→ является важной характеристикой его влияния на объекты близкого окружения как в природе, так и в условиях человеческого общества. Дадим определение этой характеристики.

Время существования экскрета τ_→ – время его пребывания как окончательно выделенного целостного объекта в условиях конкретной окружающей среды после отторжения от биогеоценоза, прекращения функционирования или избавления за ненадобностью. Для некогда живых объектов и неживой – инертной материи эти понятия в деталях несколько различаются. Когда говорят о времени существования тела некогда живого объекта, имеют в виду время его распада, разрушения или разложения. Фактически процесс разложения таких экскретов начинается с момента их гибели, и довольно проблематично установить степень его механической целостности или химического разложения.

Корректным будет рассматривать только «мусорные» объекты инертной (не имевшей пространственно-временной активности) материи, включая органические и неорганические вещества, тела, изделия.

Отметим, что для органических экскретов время их дальнейшего после формирования «земного» существования τ_о→ заметно зависит от условий окружающей среды; для инертной неорганической материи (с временами существования τ_но→) такая зависимость также существует, но в меньшей степени.

В таблицах № 1 и № 2 по литературным источникам приводятся времена существования τ_о→ и τ_но→ некоторых экскретов в разных природных средах.

Таблица № 1

Времена существования τ_о→ на воздухе некоторых органических веществ

Приведём данные другого источника [52] о временах существования некоторых органических экскретов. Время разложения различных материалов в естественных условиях составляют:

хлопковая ткань – 1÷5 мес.;

бумага – 2÷5 мес.;

сигаретные «бычки» – 1÷12 лет;

полиэтиленовые пакеты – 10÷20 лет;

пластиковая тара, упаковка – практически не разлагается.

Известно, что доля полимерных материалов в упаковке в развитых странах составляет от 5 до 20 %, Причём, функциональная «жизнь» упаковки невелика, и она очень быстро отправляется на свалки, часто стихийные. Всё это создаёт огромную проблему, так как ежегодно население земного шара увеличивается на 1,5 ÷ 2 %, а объём мусорных свалок – на 6 %! Поэтому отмахиваться от решения вопросов экскретологии сегодня уже не приходится.

Времена существования на воздухе некоторых неорганических веществ приводится в следующей таблице.

Таблица № 2

Времена существования τ_но→ на воздухе некоторых неорганических веществ

Данные приведённых выше таблиц, заимствованные из Экосправочника [53], «не привязаны» к конкретным веществам, предметам, изделиям, а имеют некоторый обобщённый характер, поэтому их значения имеют скорее иллюстративный, а не научный характер. Кроме того, надо учитывать возможный субъективный характер исследований.

Если неорганические вещества являются частью какого-нибудь работающего изделия или механизма, то времена их существования, как правило, уменьшаются и определяются работоспособностью «слабого звена». Особенно показательна эта разница для металлов.

Отмечается [54], что продолжительность работы металлов в изделиях в среднем считается равной 22 годам и составляет, например, 30 лет для судов, 27 лет для железнодорожного оборудования, 17 лет для сельскохозяйственных машин, 16 лет для металлорежущего и другого промышленного оборудования, 10 лет для автомобилей и ручного инструмента, 5 лет для стиральных машин и домашнего электрооборудования.

Необходимо отметить, что приводимые в литературных источниках значения времён деструкции (разложения, ржавления, распада и т. п.) материалов не вполне корректны, так как не указаны внешние условия. На это обращено внимание и в работе [49]. Автор проанализировал имеющиеся в литературе данные по разложению бумаги в естественных условиях и обнаружил, что разные источники дают эти значения от месяца до 15 лет. Вполне вероятно, что эти столь разные значения соответствуют истине; их большой разброс объясняется различием условий, при которых происходило разложение.

Дело в том, что бумага состоит в основном из клетчатки (целлюлозы). Разложение клетчатки происходит под действием микроорганизмов, активность которых зависит от многих условий, в первую очередь от температуры и влажности. Например, в Антарктиде газетная бумага будет сохраняться, наверное, в течение столетий, а в тропиках её разложение произойдет в течение нескольких месяцев. Кстати, на свалках без поступления кислорода в слой мусора бумага способна, не разлагаясь, лежать десятки лет.

Такое же положение дел наблюдается и с другими веществами, изделиями, продуктами. При указании временных характеристик обязательно надо указывать условия окружающей среды – в первую очередь её температуру и влажность. В некоторых случаях следует учитывать наличие агрессивного химического окружения, электромагнитных и корпускулярно– полевых потоков.

Что касается времён существования выбывших из обращения антропогенных продуктов, веществ, изделий τ_а→, то не всегда эта характеристика соответствует реальному их «износу». Потребительские свойства антропогенных экскретов часто не соответствуют их физическому состоянию. Они могут быть в отличном физическом и техническом состояниях, однако субъективно – предметами вышедшими из моды, не того цвета, фасона, качества или фирмы-производителя, а также устаревшего технического образца. Поэтому их в качестве квазимусора уничтожают или выбрасывают на свалку.

Рис. 1.5.1. Статус и зависимость работоспособности изделия, предназначенного для уничтожения, от времени его содержания в месте хранения; t _гар – гарантийный срок хранения; t_физ – время существования изделия как функционально целого и работоспособного; t_пр – момент получения приказа об уничтожении изделия; t_исп– момент исполнения приказа

График рисунка 1.5.1. иллюстрирует зависимость работоспособности изделия, хранящегося на складе, от времени его содержания в месте хранения и предназначенного для уничтожения. Изделие квалифицируется квазимусором с момента получения (подписания) приказа о его уничтожении t_пр и до момента исполнения этого приказа t_исп. Из рисунка видно, что если изделие забирается для ликвидации в пределах времени его физического существования t_физ как функционально целого и работоспособного, то оно имеет статус квазимусора. При временах t > t_физ хранившееся изделие в любом случае потеряло свою работоспособность и превратилось в мусор. Более подробно эта тема обсуждается в готовящейся к печати книге.

Рассмотрим детальнее вопрос о критериях распада, разложения или деструкции тел на примерах конкретных мусорных экскретов. Главной трудностью в этом вопросе является определение степени разрушения объектов, начиная с которой их уже нельзя считать целостными и неразложившимися.

Например, консервные банки, изготовленные из оцинкованного или покрытого оловом железа. Разлагающиеся экскреты в виде консервных банок ядовиты для многих организмов, а острые края банок в природных средах травмируют животных. Под действием кислорода железо медленно окисляется до оксида железа Fe₂O₃ (ржавчины), который в некоторых условиях растворяется. Остатки цинкового или оловянного покрытия препятствуют его окислению.

Конечным продуктом разложения становятся мелкие куски ржавчины или растворимые соли железа. Приводимое в литературных источниках время разложения: на земле – несколько десятков лет, в пресной воде – около 10 лет, в солёной воде – 1÷2 года [20].

Заметим, что процесс ржавления происходит не одномоментно, а растянут по времени и только опытным путём можно установить точную граничную степень распада. Время существования этого экскрета должно определяться на основе экспертных значений некоторых критериев. Достижение определённого значения критериального коэффициента позволяет судить о целостности рассматриваемого объекта. Превышение или принижение (в зависимости от конкретного характерного физического параметра) таких коэффициентов позволяют считать объект либо ещё целостным, либо разрушившимся.

Продолжим рассмотрение экскрета в виде протяжённого объекта (например, консервной банки). Для изделия протяжённого, имеющего относительные размеры (длину – l и ширину – d) в соотношении d/l «1, очевидно целесообразно для суждения о деструкции изделия использовать критериальные коэффициенты

k = d_рж / d (1)

или

m = l_рж / l (2).

В этих выражениях:

d_рж и l_рж – толщина и длина проржавевшей поверхности металла банки.

Задавшись общепринятым экспертами значением, например, по относительной толщине банки k*, выясняем как оно соотносится с наблюдаемым значением k.

Если k > k*, то банка считается проржавевшей (потерявшей целостность), а соответствующее время её пребывания как экскрета считается временем его существования.

При k ≤ k* банка считается неповреждённой, и время существования экскрета – неопределённым.

Аналогичные подходы возможны и для других объектов, имеющих иные критериальные коэффициенты, например массовые. Подобным характерным объектом деструкции может служить объёмное изделие, изготовленное из металлолома железа или чугуна.

Разложение его экскрета происходит под действием растворённого в воде или находящегося в воздухе кислорода. Изделие медленно окисляется до оксида железа (ржавчины), который в некоторых условиях (кислые воды) растворяется. Конечным продуктом разложения будет порошок ржавчины или растворимые соли железа. Для таких изделий геометрические размеры имеют один порядок малости, то есть

d ≈ l ≈ h,

где h – высота изделия.

Скорость их разложения на земле – 1 мм в глубину за 10÷20 лет, в пресной воде – 1 мм в глубину за 3÷5 лет, в солёной воде – 1 мм в глубину за 1÷2 года [56]. Очевидно, что для таких объёмных изделий характерными параметрами степени их деструкции должны быть выбраны объёмные или массовые параметры. Если обозначит объём тела v, а его массу m, то характерными критериальными коэффициентами разрушения объекта будут

z = v_рж / v (3)

r = m _рж / m (4).

Соответствующие им экспертными значениями очевидно являются z* и r*. При z > z* или при r > r* – объёмный фрагмент металла считается утраченным и соответствующее время – время его существования; при z ≤ z* или при r ≤ r* – металлолом ещё годен для использования.

По аналогии с приведёнными выше примерами можно заключить, что фольга, металлические банки из-под напитков, а также пластиковые упаковочные и плёночные материалы и другие «плоские» экскреты характеризуются параметрами k и m, а объёмные – параметрами z и r. Экспертные коэффициенты этих параметров должны задаваться, исходя из особенностей конкретных изделий и материалов.

Приведём кратко литературные данные о характеристиках разложения некоторых указанных выше экскретов. Относительно плоские изделия:

Алюминиевая фольга

Под действием кислорода фольга медленно окисляется до оксида алюминия, который в некоторых условиях (кислые воды) растворяется. Конечный продукт разложения – оксид или соли алюминия. Время разложения на земле – несколько десятков лет, в пресной воде – несколько лет в солёной воде – 1÷2 года.

Банки из-под пива и других напитков.

Материал – алюминий и его сплавы. Пути разложения: под действием кислорода алюминий медленно окисляется до диоксида алюминия, который в некоторых условиях растворяется. Конечный продукт разложения: оксид и соли алюминия. Время разложения на земле – сотни лет, в пресной воде – несколько десятков лет, в солёной воде – несколько лет.

Упаковка для пищевых продуктов

Материал: бумага и различные виды пластмасс, в том числе хлорсодержащих, иногда – алюминиевая фольга. Ущерб природе: могут быть проглочены крупными животными, что вызывает гибель последних.

Пути разложения: медленно окисляется кислородом воздуха, очень медленно разрушается под действием солнечных лучей. Иногда используется в пищу некоторыми микроорганизмами. Время разложения экскретов зависит от конкретного состава изделия. Обычно – десятки лет, может быть больше.

Изделия из пластмасс, не содержащих хлора

К ним относятся прозрачные пакеты (полиэтилен), пористые обувные подошвы (полиуретан), пластмассовые бутылки (полиэтилентере-фталат), пенопласт, корпуса шариковых ручек, одноразовая посуда (полистирол).

Пути разложения: медленно окисляются кислородом воздуха, очень медленно разрушаются под действием солнечных лучей. Конечный продукт разложения – углекислый газ и вода. Время разложения: около 100 лет, может быть больше.

Объёмные изделия:

Кирпичи

Материал: обожженный алюмосиликат. Пути разложения: медленно растрескиваются и рассыпаются от перепадов температур. Конечным продуктом разложения является мелкая кирпичная крошка. Время разложения: на земле – несколько тысяч лет, в спокойной воде – несколько сотен лет, в полосе прибоя – несколько лет.

Электрические батарейки

Материалом вышедших из строя батареек служат: цинк, уголь, оксид марганца (IV). Соединения цинка и марганца, входящие в состав батареек, ядовиты для многих организмов. Это очень ядовитый мусор, наносящий заметный ущерб природе!

Пути его разложения: цинк медленно окисляется под действием растворённого в воде кислорода. Оксид марганца(IV) медленно восстанавливается под действием органических соединений и растворов. Уголь практически не разлагается. Конечный продукт разложения: соли марганца. Время разложения – несколько лет.

Отметим, что возможны критерии разрушения экскретов и по другим характерным параметрам, например, по скорости или интенсивности протекания в образце некоторых химических и радиационных процессов. Критерии существования (разрушения) жидких и газообразных экскретных объёмов могут быть массовыми или концентрационными, то есть использующими относительную массу или относительную концентрацию диффундирующего в окружающее пространство продукта. Степень деструкции экскретов можно определять также, используя изменение цвета или помутнение пластиковых или стеклянных предметов, растрескивание или охрупчивание твёрдых тел, связанные с изменениями в их кристаллической решётке, а также используя поддающиеся измерениям изменения физических или химических свойств образцов.

Время существования вышедших из строя изделий важно знать не только на земле, но и в околоземном космическом пространстве (ОКП). Орбитальные мусорные экскреты в качестве отходов могут быть повторно использованы путём их разборки на орбитах, ремонта узлов и агрегатов и повторного использования на других космических аппаратах [24]. Для планирования подобных работ надо знать время существования вышедшей из строя техники. Экспериментально установлено, что оно уменьшается по мере его освоения ОКП человечеством.

Замечено, что мусорные орбитальные экскреты – каждый отработавший ресурс летательный аппарат и каждый его фрагмент или обломок – всё меньше времени находятся на орбитах как самостоятельные целостные объекты. Время существования мусорных экскретов в околоземном космическом пространстве (ОКП) Земли τ_а→ из-за взаимных столкновений заметно сокращается, а их число увеличивается. Это видно из анализа графика изменения орбитальных мусорных экскретов в ОКП (Рис. 1.5.1.). Этот график иллюстрирует резкое увеличение их количества со временем.

Так если за десятилетний период с 1962 г. по 1972 г. количество мусорных фрагментов увеличилось на 2 тысячи, то с 2000 г. по 2010 г. уже на 4 тысячи штук, то есть скорость фрагментации мусорных обломков в ОКП увеличилась вдвое, а времена τ_а→ соответственно вдвое уменьшились. Причём количество экскретов растёт как за счёт общего увеличения числа разрушительных аварий космических аппаратов, так и из-за каскадного их «размножения» при столкновениях фрагментов друг с другом. При этом так называемый «прочий мусор», представляющий собой утерянные или выброшенные космонавтами предметы и изделия, практически не увеличивается.

Рис. 1.5.1. Изменение количества орбитальных мусорных экскретов разных видов в ОКП при освоении ближнего Космоса

Что касается скорости возрастания фрагментации мусора в ОКП, то она за указанные выше периоды наблюдений выросла с ≈ 200 фрагментов в год, до ≈ 1500 фрагментов в год. При такой скорости нарастания орбитального мусора остро возникает проблема «закрытия Космоса» [24].

Наряду с процессами деструкции экскретов живой и неживой природы в глобальных земных масштабах происходит их агломерация, выражающаяся в окусковании (укрупнении) мелких (элементарных) экскретов. Эти процессы присущи возникновению глобальных экскретов (смотри раздел 1.3. книги). Времена возникновения глобальных экскретов τ_↓ наряду со скоростями их протекания характеризуют процессы возникновения и развития почв, а также некоторых месторождений руды, нефти, а также минеральных и органических веществ природного происхождения. Скорости возникновения подобных глобальных экскретов составляют значения 10^-2 ÷ 10^-3 мм в год.