Тиокритические основы защиты окружающей среды

Наибольшую опасность  для человека и живых организмов представляют компоненты, вызывающие раковые заболевания, это канцерогенные  вещества, представленные в дымовых  и выхлопных газах полициклическими ароматическими углеводородами (СХНY).К числу обладающих большей канцерогенной активностью, в первую очередь, следует отнести 3,4 бенз(а)пирен (С20Н12), который образуется при нарушении организации процесса горения. Наибольший выход канцерогенных веществ, в частности 3,4 бенз(а)пирена, наблюдается на нестационарных и переходных режимах.

Диоксид серы, или  сернистый ангидрид (сернистый газ).

Наиболее широко распространенное соединение серы – сернистый ангидрид (SO2) – бесцветный газ с резким запахом, примерно вдвое тяжелее воздуха, образующийся при сгорании серосодержащих видов топлива (в первую очередь угля и тяжелых фракций нефти).

Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости. У человека этот газ раздражает верхние дыхательные  пути, так как легко растворяется в слизи гортани и трахеи. Постоянное воздействие сернистого газа может  вызвать заболевание дыхательной  системы, напоминающее бронхит. Сам  по себе этот газ не наносит существенного  ущерба здоровью населения, но в атмосфере  реагирует с водяным паром  с образованием вторичного загрязнителя – серной кислоты (Н2SО4). Капли кислоты  переносятся на значительные расстояния и, попадая в легкие, сильно их разрушают. Наиболее опасная форма загрязнения  воздуха наблюдается при реакции  сернистого ангидрида с взвешенными  частицами, сопровождающейся образованием солей серной кислоты, которые при  дыхании проникают в легкие и  там оседают.

Оксид углерода, или  угарный газ.

Очень ядовитый газ без  цвета, запаха и вкуса. Он образуется при неполном сгорании древесины, ископаемого  топлива, при сжигании твердых отходов  и частичном анаэробном разложении органики. Примерно 50% угарного газа образуется в связи с деятельностью человека, в основном в результате работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей. В закрытом помещении (например, в гараже), наполненном угарным газом, снижается способность гемоглобина эритроцитов переносить кислород, из-за чего у человека замедляются реакции, ослабляется восприятие, появляются головная боль, сонливость, тошнота. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.

Взвешенные частицы.

Взвешенные частицы, включающие пыль, сажу, пыльцу и споры растений и пр., сильно различаются по размерам и составу. Они могут либо непосредственно  содержаться в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе (аэрозоли). В  целом за год в атмосферу Земли поступает около 100 млн. т. аэрозолей антропогенного происхождения. Это примерно в 100 раз меньше, чем количество аэрозолей естественного происхождения – вулканических пеплов, развеваемой ветром пыли и брызг морской воды. Примерно 50% частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и тепловых электростанциях. По данным Всемирной организации здравоохранения, 70% населения, живущего в городах развивающихся стран, дышит сильно загрязненным воздухом, содержащим множество аэрозолей.

Нередко аэрозоли бывают самой  явной формой загрязнения воздуха, так как они сокращают дальность  видимости и оставляют грязные  следы на окрашенных поверхностях, тканях, растительности и прочих предметах. Более крупные частицы в основном улавливаются волосками и слизистой  оболочкой носа и гортани, а затем  выводятся наружу. Предполагается, что частицы размером менее 10 мкм  наиболее опасны для здоровья человека; они настолько малы, что проникают  через защитные барьеры организма  в легкие, повреждая ткани дыхательных  органов и способствуя развитию хронических заболеваний дыхательной  системы и рака. Другие типы аэрозольного загрязнения осложняют протекание бронхитов и астмы и вызывают аллергические реакции. Накопление определенного количества мелких частиц в организме затрудняет дыхание  из-за закупорки капилляров и постоянного  раздражения органов дыхания.

Летучие органические соединения (ЛОС).

Это ядовитые пары в атмосфере. Они являются источником множества  проблем, в том числе мутаций, нарушений дыхания и раковых  заболеваний, и, кроме того, играют главную  роль при образовании фотохимических окислителей.Антропогенные источники выбрасывают в атмосферу множество ядовитых синтетических органических веществ, например, бензол, хлороформ, формальдегид, фенолы, толуол, трихлорэтан и винилхлорид. Основная часть этих соединений поступает в воздух при неполном сгорании углеводородов автомобильного топлива, на теплоэлектростанциях, химических и нефтеперегонных заводах.

Окислы азота  NO_x

Оксид (NO) и диоксид (NO2) азота  образуются при сгорании топлива  при очень высоких температурах (выше 650о С) и избытке кислорода. В дальнейшем в атмосфере оксид  азота окисляется до газообразного  диоксида красно-бурого цвета, который  хорошо заметен в атмосфере большинства  крупных городов. Основными источниками  диоксида азота в городах являются выхлопные газы автомобилей и  выбросы теплоэлектростанций (причем использующих не только ископаемые виды топлива). Кроме того, диоксид азота  образуется при сжигании твердых  отходов, так как этот процесс  происходит при высоких температурах горения. Также NO2 играет не последнюю  роль при образовании фотохимического  смога в приземном слое атмосферы.

В значительных концентрациях  диоксид азота имеет резкий сладковатый  запах. В отличие от сернистого ангидрида, он раздражает нижний отдел дыхательной  системы, особенно легочную ткань, ухудшая  тем самым состояние людей, страдающих астмой, хроническими бронхитами и  эмфиземой легких. Диоксид азота  повышает предрасположенность к  острым респираторным заболеваниям, например пневмонии. При растворении окислов азота в воде образуются кислоты, которые являются одной из главных причин выпадения так называемых «кислых» дождей, приводящих к гибели лесов. Образование в приземном слое озона также является одним из следствий наличия в нем окислов азота. В стратосфере закись азота инициирует цепочку реакций, приводящих к разрушению озонового слоя, защищающего нас от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца.

 

Озон О₃.

Озон образуется при расщеплении  либо молекулы кислорода (О2) либо диоксида азота (NО2) с образованием атомарного кислорода (О), который затем присоединяется к другой молекуле кислорода. В этом процессе участвуют углеводороды, связывающие молекулу оксида азота с другими веществами. Хотя в стратосфере озон играет важную роль как защитный экран, поглощающий коротковолновую ультрафиолетовую радиацию, в тропосфере он как сильный окислитель разрушает растения, строительные материалы, резину и пластмассу. Озон имеет характерный запах, служащий признаком фотохимического смога. Вдыхание его человеком вызывает кашель, боль в груди, учащенное дыхание и раздражение глаз, носовой полости и гортани. Воздействие озона приводит также к ухудшению состояния больных хроническими астмой, бронхитами, эмфиземой легких и страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Двуокись углерода СО₂

Неядовитый газ. Но увеличение концентрации техногенного углекислого  газа в атмосфере является одной  из главных причин наблюдающегося потепления климата, что связано с парниковым эффектом этого газа.

4.Методы снижения  выбросов загрязняющих веществ  от топливосжигающих установок

 На начало ХХI века для снижения вредного воздействия уходящих и выхлопных газов на окружающую воздушную среду разработаны и используются следующие мероприятия:

1) установка фильтров  и катализаторов на дымовых  и выхлопных трубах;

2)применение горелок  со сниженными оксидами азота  (NOx);

3) двухстадийное сжигание топлива;

4) рециркуляция дымовых  (выхлопных, отработавших, уходящих) газов; 

5) ввод в зону горения  воды или водяного пара;

6) ввод присадок в топливо  или в зону горения; 

7) химические методы очистки  уходящих газов. 

 К сожалению, используемые  сегодня указанные мероприятия  воздействуют в основном на  следствие, не устраняя причины  возникновения загрязнителей. Справедливости  ради следует отметить, что в  последнее время реализованы  мероприятия, устраняющие и часть  причин образования вредных газов.  8)Например, сжигание более экологически чистых видов углеводородного топлива (биологического топлива, водо-топливных аэрозолей, эмульсий и суспензий, жидко-топливных и предварительно очищенных пылеугольных смесей). Однако, по мнению авторов, этих мероприятий явно недостаточно, поскольку на сегодняшний день используемые топливные системы, реализующие технологический цикл подготовки этих топлив к сжиганию,

физически и морально устарели и достигли своего функционального  и конструктивного предела.

  Одним из перспективных  направлений по снижению газового  и теплового загрязнения воздушного  бассейна, по мнению авторов, является  устранение причин возникновения  вредных выбросов путем активного  воздействия на процессы их  образования. Или, говоря другими  словами, качественное и количественное  изменение механизмов формирования  опасных загрязнителей воздушного  бассейна. Как было указано выше, источниками вредных выбросов  являются производные химических  веществ, соединений и элементов,  содержащихся как в атмосферном  воздухе, так и в ископаемом  топливе. В связи с этим качественное и количественное снижение опасных элементов, веществ и соединений в дымовых газах может быть достигнуто, во-первых, путем уменьшения количества вредных составляющих в исходных топливе и воздухе, участвующих в процессе горения. 9)Во-вторых, организацией процесса сгорания топлива, при котором разности локальных температур сгорания топлива по объему горения были бы минимальными, а температура в локальных зонах объема горения была бы выровнена. В-третьих, изменением формы и размеров объема горения. И, в-четвертых, подачей в зону горения минимально возможного количества воздуха из атмосферы с температурой подогрева, при которой количество кислорода в его составе наибольшее.

 В реальных условиях  изменение механизмов формирования  опасных загрязнителей воздушного  бассейна в зоне горения может  быть достигнуто реализацией  следующих мероприятий: 

1. Совершенствование технологического  цикла топливоподготовки и внедрение  в него новых технологических  процессов обработки топлива,  таких, как струйно-кавитационная и роторно-пульсационная обработка, струйно-кавитационное смешение и т.д.

2. Замещение части топлива,  подаваемого в зону горения,  морской или пресной водой,  перекисями, серпентином, силамином или другими присадками, которые в условиях высоких температур выделяют атомарный кислород (О-2), атомарный водород (Н+), гидроксильную группу (ОН-) и другие атомы, ионы или радикалы, являющиеся активными центрами, ускоряющими цепную реакцию горения.

3. Аэрация (т. е. насыщение  кислородом) топлива непосредственно  перед его подачей в зону  горения.  Обязательным и необходимым  условием выполнения предложенных  мероприятий является сокращение  количества атмосферного воздуха  (т. е. молекулярного кислорода), подаваемого в зону горения. 

4. Применение горелок  с рассеянным микрофакельным горением.

 

 

5. Цепной механизм процесса горения углеводородов

Цепные реакции - сложные  реакции, протекающие в несколько стадий:

- зарождение цепей (инициирование), при котором образуются активные частицы

- продолжение цепей, при которой активные частицы вступают в химическое взаимодействие с исходными веществами, в результате чего образуются новые активные частицы

- обрыв цепей, при котором происходит «гибель» активных частиц с образованием конечных продуктов реакции.

Основную роль в процессах воспламенения и горения углеводородов играют следующие типы промежуточных соединений:

1. Углеводородные радикалы, представляющие собой молекулу углеводорода, у которой удалены один или несколько атомов водорода. Эти 
остатки называются алкилами (СНз - метил; С₂Н₅ - этил; С₃Н₇ - пропил и 
т.д.). Из-за высокой реакционной способности алкилы в свободном виде 
длительно не существуют. Присутствуют в пламенях в виде промежуточных продуктов. При взаимодействии с другими молекулами ведут себя 
как самостоятельная структурная группа. Углеводородные радикалы 
обычно изображают буквой R.

2. Перекиси - соединения общей формулы R-00-R'. 
3.Альдегиды - соединения типа

Простейшими альдегидами  являются муравьиный (формальдегид) и уксусный (ацетальдегид) . Эти вещества все-

гда присутствуют в продуктах неполного сгорания углеводородов.

Зарождением цепи при горении  углеводородов может стать любая  реакция, в которой образуются углеводородные радикалы. Это может быть реакция  разложения молекулы этана с образованием двух свободных метальных групп:

Продолжение цепей происходит в результате реакций образования  _| перекисей или гидроперекиси:

Разветвление цепей осуществляется при разложении гидроперекиси:

Приведенная последовательность реакций приводит к постепенному увеличению в реагирующей системе  концентрации перекисных соединений.

Одновременно с накоплением  перекисей, радикалов и начинают идти параллельные реакции:

и

Эти реакции экзотермичны; при их протекании выделяется большое количество тепла.

При повышении температуры  реагирующей смеси роль активных центров переходит от одних промежуточных  продуктов к другим в следующем порядке: гидроперекиси алкилов, ацильные гидроперекиси, фомальдегиды.

 

Заключение

 

Одним из перспективных направлений  по снижению газового и теплового  загрязнения воздушного бассейна является устранение причин возникновения вредных  выбросов путем активного воздействия  на процессы их образования. Или, говоря другими словами, качественное и  количественное изменение механизмов формирования опасных загрязнителей  воздушного бассейна. Как было указано  выше, источниками вредных выбросов являются производные химических веществ, соединений и элементов, содержащихся как в атмосферном воздухе, так  и в ископаемом топливе. В связи  с этим качественное и количественное снижение опасных элементов, веществ  и соединений в дымовых газах  может быть достигнуто, во-первых, путем  уменьшения количества вредных составляющих в исходных топливе и воздухе, участвующих в процессе горения. Во-вторых, подачей в зону горения мнимально возможного количества воздуха из атмосферы с температурой подогрева, при которой количество кислорода в его составе наибольшее.