Химия и охрана окружающей среды
Общие сведения
Развитие химической промышленности, энергетики и транспорта неразрывно связано с глобальными экологическими проблемами. Основной ущерб окружающей среде наносится выбросами токсичных химических соединений, являющихся побочными продуктами крупнотоннажных технологических процессов и сжигания органического топлива. Ключевыми негативными последствиями загрязнения атмосферы являются парниковый эффект и образование кислотных дождей, которые критически повышают кислотность природных водоемов, делая осадки непригодными для использования живыми организмами. Наиболее масштабными источниками загрязнения биосферы выступают объекты черной и цветной металлургии, предприятия нефтедобывающей отрасли, целлюлозно-бумажной и химической промышленности. Огромную экологическую угрозу представляет автомобильный транспорт, доля выбросов которого в условиях глобальной автомобилизации двадцать первого века превысила объемы промышленного загрязнения атмосферы.
Классификация
В экологической химии проблемы загрязнения традиционно разделяются на две основные категории: охрана воздушного бассейна и охрана водного бассейна. Охрана воздушной среды связана с контролем выбросов газообразных соединений и твердых аэрозольных частиц, а охрана водной среды фокусируется на технологиях нейтрализации промышленных и бытовых стоков.
Сточные воды промышленных предприятий классифицируются по своему происхождению на несколько специфических типов. Реакционные воды образуются непосредственно как побочный продукт протекания химических реакций. Исходные воды выделяются из самого природного сырья, например, влага, присутствующая в каменном угле. Маточные водные растворы остаются после проведения физико-химических процессов (например, кристаллизации) в водной среде. Промывные воды образуются при регулярной очистке сырья, промышленного оборудования и транспортных емкостей. Охлаждающие воды массово используются в системах терморегуляции установок и реакторов. По своему базовому химическому составу сточные воды строго делятся на кислые, щелочные и нейтральные.
Методы промышленной очистки сточных вод фундаментально классифицируются на деструктивные и регенеративные. Деструктивные методы направлены на полное физико-химическое разрушение молекул токсичных примесей. Регенеративные методы предполагают извлечение ценных химических примесей из сточных вод для их последующего полезного использования в производственном цикле, что является более сложным, но экономически целесообразным и экологически оправданным подходом.
Способы получения
Образование (получение) основной массы загрязняющих веществ в атмосфере происходит в процессе сжигания углеводородного и угольного топлива на тепловых электростанциях, в металлургических печах и двигателях внутреннего сгорания. При неполном сгорании топлива вследствие недостаточной подачи кислорода активно образуются высокотоксичный монооксид углерода и мелкодисперсная сажа, что одновременно приводит к радикальному снижению коэффициента полезного действия энергетических установок. При высоких температурах горения инициируются цепные химические реакции окисления азота и серы, приводящие к синтезу вредных оксидов. В процессе высокотемпературного сжигания также образуются активные углеводородные радикалы, цианиды и сложные полициклические углеводороды, в частности высокотоксичный бензпирен.
Формирование загрязненных сточных вод происходит непрерывно в результате технологических циклов промышленности. В процессе эксплуатации энергетических объектов (крупных тепловых и атомных электростанций) ежесуточно расходуются и сбрасываются тысячи тонн воды. Поступая в водоемы, такие стоки обогащаются тяжелыми металлами и их соединениями (мышьяком, селеном, ртутью, свинцом, кадмием), а также сырой нефтью, органическими растворителями, концентрированными кислотами и щелочами.
Свойства
Свойства токсичных промышленных выбросов определяют разрушительный характер их воздействия на биосферу. Оксиды серы и азота обладают ярко выраженными кислотными свойствами; взаимодействуя с атмосферной влагой, они превращаются в сильные неорганические кислоты. Сложные органические соединения, содержащиеся в выхлопных газах и дымовых выбросах, обладают сильными канцерогенными свойствами, провоцируя клеточные мутации. Тяжелые металлы отличаются высокой токсичностью и специфической способностью к биоаккумуляции — постепенному накоплению в тканях живых организмов.
Технологические и химические свойства сточных вод количественно описываются рядом стандартизированных показателей. К ним относятся окисляемость (химическая потребность в кислороде для окисления растворенных органических веществ), общая жесткость, кислотность среды и водородный показатель. Эффективность нейтрализации этих свойств во многом зависит от восприимчивости загрязнителя к физико-химическому воздействию. Характерным свойством многих органических поллютантов является способность к электрохимической деструкции. Например, токсичный фенол в процессе электрохимического окисления способен разлагаться до относительно безопасного газообразного оксида углерода и малеиновой кислоты.
Применение
Достижения современной химии активно применяются для разработки передовых технологий защиты окружающей среды и снижения антропогенного воздействия. Для нейтрализации выбросов оксидов серы и азота на тепловых электростанциях применяются системы газоочистки, включающие химические адсорберы и установки каталитического восстановления. В качестве нейтрализующих реагентов в них широко используются известняк, сода, газообразный аммиак и оксид магния. В автомобилестроении массово внедряются каталитические дожигатели выхлопных газов и фильтры на основе силикагеля и активированного угля, существенно снижающие выбросы монооксида углерода и несгоревших углеводородов.
Для очистки сточных вод применяется широкий арсенал физико-химических и биологических методов. Удаление грубодисперсных примесей осуществляется путем гравитационного отстаивания, флотации (образования комплексов частиц с пузырьками газа) и фильтрования через слои песка, кварца, антрацита, доломита, мрамора или синтетических полимеров. Растворенные ионные примеси удаляются реагентными методами (химической коагуляцией с использованием извести, едкого натра, аммиака) и методами ионного обмена с пропусканием жидкости через катиониты и аниониты. Для извлечения органики применяются методы экстракции, перегонки (для летучих спиртов, таких как метанол) и адсорбции. Биологическая очистка подразумевает использование микроорганизмов и беспозвоночных, способных метаболизировать органические загрязнители.
Наиболее перспективным технологическим направлением является проектирование и применение замкнутых систем водооборота. Данная концепция полностью исключает сброс сточных вод во внешнюю среду за счет их глубокой регенерации и многократного возврата в производственный процесс, а также замены систем водного охлаждения на воздушные аналоги. Радикальным решением глобальных проблем энергетики считается применение водородного топлива. В водородной энергетике химическая энергия направленно преобразуется в электрическую, при этом единственным побочным продуктом реакции горения водорода выступает экологически чистая вода. Развитие технологий эффективного получения и хранения водорода, наряду с электромобилизацией транспортной инфраструктуры, составляет фундаментальную основу перехода цивилизации к экологически безопасной «зеленой» энергетике.