Энергоресурсы и окружающая среда в химии

Метаморфические газы образуются в процессе превращения ископаемых углей и других горных пород под действием теплоты и давления, содержат CH, CO, H, различные углеводороды, H S, CO и другие.

Газы воздушные, находящиеся в недрах земли, состоят из N и инертных газов, свободный кислород в них отсутствует. Газы химического происхождения образуются при химическом взаимодействии между газообразными веществами, водными р-рами и горными породами как при нормальных условиях, так и при повышенных температурах и давлениях, существующих на разных глубинах земной коры. При этом могут образоваться H, CO, CO, H S, N, а также CH и другие углеводороды. В результате радиоактивных процессов и термоядерных реакций образуется гелий, аргон, ксенон и другие газы.

К газам природным относятся также горючие газы, скопляющиеся в породах-коллекторах в виде самостоятельных газовых залежей или же сопутствующие нефтяным, а также горючие газы, заключенные в угольных пластах. Происхождение природных горючих газов обусловлено биохимическим разложением органического вещества и дальнейшим метаморфизмом последнего под воздействием геохимических факторов. Кроме того, горючие газы образуются при взаимодействии паров воды с карбидами металлов, а также CO и H. Основным газом самостоятельных газовых залежей и угольных пластов является метан. В газах, сопутствующих нефти, кроме метана, содержатся значительные количества его гомологов. В таблице дан примерный состав газовых залежей разных месторождений.

Месторождение	CH	C H	C H	C H	N +CO
Елшанское	93,2	0,7	0,6	0,6	3,9
Бугурусланское	76,8	4,4	1,7	0,8	12,3
Абрамовское	98,32	0,0	0,0	0,0	1,68
Дашавское	97,8	0,5	0,2	0,1	1,4
Ставропольское	98,0	0,4	0,15	0,03	1,42
Шебелинское	92,5	2,78	0,65	0,56	3,51

В некоторых случаях горючие газы содержат повышенное количество гелия.

Газы природные горючие и газы попутные добываются как ценное полезное ископаемое. Газы угольных пластов извлекаются при разработке угольных месторождений с целью предотвратить их выделение в горные выработки. В некоторых

Странах (Бельгии, Германии, Китае и др.) угольный газ используется как топливо. В относительно небольших количествах газы природные содержатся в пористых или трещиноватых породах, вмещающих рудные и нерудные полезные ископаемые, и мешают добыче последних, выделяясь в рудничную атмосферу.

1.4 Кислород

Кислород самый распространенный элемент на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), а ведь она покрывает 2/з поверхности земного шара, образуя его водную оболочку гидросферу. Кислород вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли атмосферы, где на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). Кислород входит в состав многочисленных минералов твердой оболочки земной коры литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

Как вы уже знаете, обычный кислород существует в форме О2. Это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твердом синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород.

а) В составе простых веществ.

Кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами, кроме галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично реагирует с металлами: щелочными, образуя оксиды М2О и пер оксиды М2О2; с железом, образуя железную окалину Ге3О4; с алюминием, образуя оксид А12О3.

Реакции неметаллов с кислородом протекают очень часто с выделением большого количества тепла и сопровождаются воспламенением реакции горения. Вспомните горение серы с образованием SО2, фосфора с образованием Р2О5 или угля с образованием СО2.

Почти все реакции с участием кислорода экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азота с кислородом: это эндотермическая реакция, которая протекает при температуре выше 1200 °С или при электрическом разряде:

N2 + O2 2NO -Q

в) в составе сложных веществ

Кислород энергично окисляет не только простые, но и сложные вещества, при этом образуется оксиды элементов, из которых они построены.

СН4 + 2О2 = 2Н2О + СО2

Метан

2Н2S + ЗО2 = 2SО2 + 2Н2О

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.

Кислород участвует и в процессах медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных.

Растения также поглощают атмосферный кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный ему процесс -- фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений.

Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде.

В своей группе у кислорода самая маленькая орбита. Принять электроны ему легче всех, отдать труднее. Самая маленькая орбита у него потому, что он стоит во 2 периоде и следовательно у него меньше всех электронных слоев. Принять недостающих электрон легче потому что, у него лучше связь атома с электроном, чем у остальных элементов этой группы. И отдать труднее потому что, тоже связь с электрона с ядром на последнем слое сильней, чем у остальных элементов этой группы.

У кислорода ядро меньше чем у Li, Be, B, C, N, но больше чем у F, потому что число элекроных слоев у них одинаковы, а количество электронов на последнем слое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядром больше и радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающий электрон ему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающий электрон еще легче, чем кислороду.



2.5 Этиловый спирт

Этиловый спирт С8Н6О-бесцветная жидкость со своебразным законом, легче воды Р=0,8г/см, кипит при t-78,3 С, хорошо растворяется в воде и сам является растворителем многих неорганических и органических веществ. Зная молекулярную формулу спирта и валентность элементов, попытаемся изобразить его строение.

Напишем две структурные формулы.

Н Н Н Н

Н-С-О-С-Н (1) Н-С-С-О-Н

Н Н Н Н

Сопоставляя формулы, мы замечаем, что если справедливая первая из них, то в молекуле спирта все атомы водорода соединены с молекулами углерода, и можно предполагать, что они одинаковы по свойствам. Если же истинна вторая формула, то один атом водорода в молекуле соединён с атомом углерода через кислород и он, по-видимому, будет отличаться от других водородных атомов. Оказывается, можно проверить опытом, одинаковы или различны по свойствам атомы в спирте.

Поместим в пробирку со спиртом (не содержащий воды) кусочек натрия. Начинается реакция, сопровождающаяся выделением газа. Нетрудно установить, что это водород. При помощи другого, более сложного опыта можно определить, сколько атомов водорода выделяется при реакции из каждой молекулы спирта. В колбу с мелкими кусочками натрия (рис.1) приливается по каплям из воронки определённое количество спирта

Выделяющийся из спирта водород вытесняет воду из двугорлой склянки в цилиндр. Объем вытесненной воды в цилиндре соответствует объёму выделившегося водорода. Опыт показывает, что из 0,1 моль спирта удаётся получить 1,12л. водорода. Это означает, что из 1 моль спирта натрий вытесняет 1,12л. т.е. 0.5моль водорода.

Иначе говоря, из каждой молекулы спирта натрием вытесняется только один атом водорода. Формула (1) не даёт объяснения такому факту. Согласно этой формуле все атомы водорода равноценны. Наоборот, формула (2) отражает наличие одного атома, находящегося в особом положении: он соединён с атомом углерода через кислород; можно заключать, что именно этот атом водорода связан менее прочно. Он и вытесняется натрием. Следовательно вторая из приведенных формул и будет структурной формулой этилового спирта. Чтобы подчеркнуть, что в молекуле спирта содержится гидроксильная чруппа-ОН, соединённая с углеводородным радикалом, молекулярную формулу этиловогоспирта часто пишут так:

СН3-СН2-ОН или С2Н5ОН

Очивидно, здесь мы снова встречаемся с влиянием атомов друг на друга. Чтобы понять сущность этого влияния, обратимся к электроному строению молекулы. Характер связей С-СuC-Н нам уже хорошо известен - это ковалентные q -связи. Атом О2 образует с атомом “H” и с углеводородным радикалом такие же связи, при этом его наружный электронный слой дополняется до октета.

Формула спирта в таком случае можно изобразить так:

Н Н

Н С С О Н

Н Н



Однако распределение электронной плотности в молекуле спирта не такое равномерное, как в углеродах. Связь О-Н полимерная, так как наибольшая электронная плотность её смещена к атому О2, как элементу более электроотрицательному. Атом “Н” оказывается как бы более свободным от электронов, менее связаным с молекулой и поэтому может сравнительно легко вытесняется натрием. Смещение электронной плотности можно показать в формуле следующим образом

Н Н

Н-С-С-О Н

Н Н

О пространственном расположении атомов в молекуле спирта дают представление модели, изображённые на (рисунки 2) Как видим, атом кислорода образует ковалентные связи с другими атомами под некоторым углом друг к другу, а не по прямой линии. Вспомним, что в наружном электронном слое наряду с двумя спаренными S-электронами и двумя спареными р-электронами имеются два неспареных р-электрона. Оси этихэлектронных облаков взаимно перпендикулярно. В направлении их и образуются ковалентные связи атома кислорода с другими атомами (фактически вследствие гибридизации и действия других факторов валентный угол несколько отклоняется от прямого). Мы знаем, что молекуле воды имеет подобное пространственное строение.

ПРИМЕНЕНИЕ

Перспективным считается использование метилового спирта в качестве моторного топлива т.к. добавка его к бензину повышает актановое число горючей смеси и снижает образование вредных веществ в выхлопных газах. Этиловый спирт в больших количествах идёт на производство синтетического каучука. Окислением спирта получают пищевую уксусную кислоту. Путём его дигидратации готовят диэтиловый (медицинский) эфир, с взаимодействием с хлороводородом получают хлорэтан, для местной анестозии. Спирт применяется при изготовлении многих лекарств. В парфюмерии он идёт на изготовление духов и адеколонов.

Охрана окружающей среды.

Спирты оказывают негативное воздействие на организм. Особенно ядовит метиловый спирт. Самое незначительное количество его при приёме внутрь разрушает зрительный нерв и вызывает необратимую

слепоту. 5-10 мл спирта вызывает сильное отравление организма, а 30 мл могут привести к смертельному исходу. Этиловый спирт-наркотик, при приёме внутрь он вследствие высокой растворимости быстро всасывает в кровь и сильно действует на организм. Под влиянием спиртного у человека ослабляется внимание затормаживается

реакция нарушается корреляция движения, появляется развязанность,

грубость в поведении и т.д., всё это делает его неприятным в обществе. Но вследствии употребления алкоголя ещё более опасны, т.к. у пьющего человека появляется привыкание, погубное пристрастие

к нему и в конце в концов он тяжело заболевает алкоголизмом. Спирт поражает слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, что

ведёт к возникновению гастрита язвенной болезни желудка, двенадцатой кишки. Печень, где должно происходить разрушение спирта, не справляясь с нагрузкой, начинает перерождаться в результате возможен цирроз. Проникая в головной мозг спирт отравляюще действует на нервные клетки, что проявляется в нарушении сознания, речи, умственных способностей, в появлении, тяжёлых психических растройств и ведёт к деградации личности. Особенно опасен алкоголь для молодых людей, так как в растущем организме интенсивно протекают процессы обмена веществ и они особенно чувствительны к алкоголическому воздействию. Поэтому у молодых быстрея, чем у взрослых, может появиться заболевание - алкоголизм.

2.6 Водород

В "Таинственном острове", опубликованном в 1874 г., Жюль Верн говорит о том, что уголь и другие ископаемые будут заменены новым топливом - водой, состоящей из водорода и кислорода, которые и станут неиссякаемыми источниками теплоты и света. Обнаружил горючесть водорода Я. ван Гельмонт. Это свойство делает водород основным претендентом на звание топлива будущего. При его сгорании в чистом кислороде достигается температура до 2800оС. Такое пламя легко плавит кварц и большинство металлов. Теплота сгорания водорода в кислороде равна 142650 кДж/кг.

Химическое производство сейчас основной поставщик водорода, но бесперспективный, так как цена сырья, а им чаще всего являются углеводороды, неумолимо растёт. Электролиз наиболее прямой метод получения чистого водорода. Конкурентоспособность электролиза определяется наличием дешёвой электроэнергии. Существует ещё множество разработанных технических предложений получения водорода, но наибольшие надежды возлагаются на энергию ядерных электростанций.

Если сравнить энергию, полученную химическим путём, с энергией, полученной от эквивалентниго количества вещества в ходе цепных реакций деления тяжёлых элементов (плутония, урана). Энергия сгорания 1 г древесины достаточна для того, чтобы электрическая лампочка в 100 Вт горела 1 мин, а энергии сгорания 1 г угля хватит для двух таких лампочек. Для освещения в течение часа города с 60 000 жителей хватит энергии 1г урана-235. Энергия, заключается в 1 г тяжелого водорода - компонента топлива реакции термоядерного синтеза, в 7,5 раза больше, чем в 1 г урана-235. На год работы АЭС мощностью 1 млн. кВт необходимо 30 - 50 т уранового топлива, а для теплоэлектростанции такой же мощности требуется 1,6 млн.т мазута или 2,5 млн.т угля.

Сейчас ядерная энергетика развивается по пути широкого внедрения реакторов на быстрых нейтронах. В таких реакторах используется уран, обогащённый изотопом 235U (не менее чем на 20%), а замедлителя нейтронов не требуется. Ядерная реакция - деление 235U - высвобождает нейтроны, которые вступают в реакцию с 238U:

238U+ 1n р 239U+g

92 0 92

Изотоп урана, являющийся продуктом этой реакции, быстро распадается (Т1/2= 23 с), превращаясь в изотоп нептуния (Т1/2= 50 ч), а тот, в свою очередь, в изотоп плутония:

239 239 0 -

92U р 93 Np + 1 e

239 239 0 -

93Np р 94Pu + 1e

239Pu гораздо более стабильный изотоп, чем два его предшественника. Его, как и некоторые другие изотопы плутония, образующиеся в реакторе, можно использовать в качестве ядерного горючего, в том числе в реакторах на быстрых нейтронах.

В настоящее время ядерная энергетика и реакторостроение - это мощная индустрия с большим объёмом капиталовложений. Для многих стран она важная статья экспорта. Для реакторов и вспомогательного оборудования требуются особые материалы, в том числе высокой частоты. Задача химиков, металлургов и других специалистов - создание таких материалов. Над обогащением урана тоже работают химики и представители других смежных профессий.

Сейчас перед атомной энергетикой стоит задача вытеснить органическое топливо не только из сферы производства электроэнергии, но так же из теплоснабжения и в какой-то мере из металлургической и химической промышленности путём создания реакторов энерготехнологического значения.

АЭС в перспективе найдут ещё одно применение - для производства водорода. Часть полученного водорода будут потребляться химической промышленностью, другая часть послужит для питания газотурбинных установок, включаемых при пиковых нагрузках.

Важнейший воспроизводимый источник энергии на планете - энергия Солнца. Роль химиков в освоении этой энергии - это и создание материалов для солнечных батарей и преобразователей, и разработка способов консервации энергии, в том числе термохимических способов её накопления в виде горючего с высокой калорийностью, например водорода, а также разработка солевых систем - накопителей энергии.

Ядерная и солнечная энергетика тесно смыкаются с водородной энергетикой, под которой понимают использование водородного горючего, например не транспорте.

Водород встречается в свободном состоянии на Земле лишь в незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических извержениях, а также из буровых скважин при добыче нефти. Но в виде соединений водород весьма распространен. Это видно уже из того, что он составляет девятую часть массы воды. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных газов и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду и воздух, приходится около 1%. Однако при пересчете на проценты от общего числа атомов содержание водорода в земной коре 17%.

Водород самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около половины массы Солнца и большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвездном газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии. Скорость процесса, т. е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в одном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому и количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема, мало. Однако, вследствие огромности массы Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой Солнцем, очень велико. Оно соответствует уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т в секунду.

Получение водорода

Наиболее старый способ получения водорода - электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями. Чаще для получения водорода используют технологию горячей переработки водяного пара при температуре 700-900 °С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего кислород. Это тоже дорогой способ. Существует несколько проектов дешевого получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку. Другие проекты - использование энергии атомных и специальных солнечных электростанций для получения водорода путем электролиза воды.

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без огромных затрат энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют адсорбированные и закрепленные на поверхности ферменты с высокой специфичностью каталитического действия. Они способны расщеплять одну-единственную связь в одном из веществ при очень высокой активности в обычных условиях. Иммобилизованные ферменты могут быть использованы для получения водорода. Представьте себе горсть порошка с иммобилизованным на частицах ферментом. Порошок засыпают в банку с водой, стоящую на солнце, и в ней начинается активное выделение водорода. Уже делаются попытки создания такого "магического порошка".

Возможен также микробиологический способ получения водорода. В почве существует ряд микроорганизмов, которые выделяют водород в виде побочного продукта. В случае решения задачи дешевого получения водородного топлива и разработки технологии его накопления, хранения и транспортировки человечество получит неиссякаемый источник экологически чистого энергоносителя, встроенного в естественную систему круговорота воды. Наиболее старый способ получения водорода - электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями. Чаще для получения водорода используют технологию горячей переработки водяного пара при температуре 700-900°С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего кислород. Это тоже дорогой способ. Существует несколько проектов дешевого получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку. Другие проекты - использование энергии атомных и специальных солнечных электростанций для получения водорода путем электролиза воды.

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без огромных затрат энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют адсорбированные и закрепленные на поверхности ферменты с высокой специфичностью каталитического действия. Они способны расщеплять одну-единственную связь в одном из веществ при очень высокой активности в обычных условиях. Иммобилизованные ферменты могут быть использованы для получения водорода. Представьте себе горсть порошка с иммобилизованным на частицах ферментом. Порошок засыпают в банку с водой, стоящую на солнце, и в ней начинается активное выделение водорода. Уже делаются попытки создания такого "магического порошка".

Возможен также микробиологический способ получения водорода. В почве существует ряд микроорганизмов, которые выделяют водород в виде побочного продукта. В случае решения задачи дешевого получения водородного топлива и разработки технологии его накопления, хранения и транспортировки человечество получит неиссякаемый источник экологически чистого энергоносителя, встроенного в естественную систему круговорота воды.

Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции

21Н + 31Н 42He + n0 + 17,6 Мэв.

Эта реакция начинается при десяти миллионах градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское' по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба -- сулит смерть...

Но когда-нибудь настанет время,-- и это время не за горами,--когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас триста литров бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света...



2. Влияние переработки энергетических ресурсов на окружающую среду

Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс производства тепловой энергии, транспортировки, рассматривает основные условия производства энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных.

Процесс производства тепловой энергии осуществляется на тепловых электрических станциях (ТЭС) и тепловых электрических централях (ТЭЦ). Эти два вида предприятий на данный момент являются основными поставщиками тепловой, а также электрической энергии, поскольку эти виды энергоресурсов очень тесно связаны. В настоящее время широкое применение находит способ поместная система снабжения тепловой энергией, которая применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и для отопления жилых площадей.

В соответствии с установившейся терминологией, теплоэнергетика включает в себя получение, переработку, преобразование, переработку, хранение и использование энергоресурсов и энергоносителей всех типов.

Согласно определению, теплоэнергетика обладает развитыми внешними и внутренними связями и её развитие неотделимо от всех направлений жизнедеятельности человека, связанных с использованием энергии (в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в быту).

Развитие теплоэнергетики характеризуется ускорением темпов роста, изменением всех количественных показателей и структуры топливно-энергетического баланса, глобальным охватом всех видов ресурсов органического топлива, вовлечением в сферу использованием ядерного горючего.

В общем случае различаются четыре основные стадии трансформации первичных тепловых ресурсов (от их природного состояния, находящегося в динамическом равновесии с окружающей средой, до конечного использования).

1. Извлечение, добыча или прямое использование первичных природных ресурсов тепловой энергии.

2. Переработка (облагораживание) первичных ресурсов до состояния, пригодного для преобразования или использования.

3. Преобразование связанной энергии переработанных ресурсов в тепловую энергию на тепловых станциях (ТЭС), централях (ТЭЦ), на котельных.

Использование энергии

Несмотря на единство всех этих стадий, каждая из них основана на различных физических, физико-химических и технологических процессах, различающихся по масштабам, времени функционирования и другим признакам.

Развитие теплоэнергетики оказывает воздействие на различные компоненты природной среды: на атмосферу (потребление кислорода воздуха (О2), выбросы газов, паров, твёрдых частиц), на гидросферу (потребление воды, переброска стоков, создание новых водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов), на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение водного баланса, изменение ландшафта, выбросы на поверхности и в недра твёрдых, жидких и газообразных токсичных веществ). В настоящее время это воздействие преобретает глобальный характер, затрагивая все структурные компоненты нашей планеты.

Важнейшими факторами функционирования окружающей среды является живое вещество биосферы, которое играет существенную роль в естественном круговороте почти всех веществ. Однако в большинстве процессов мы не можем проследить прямых воздействий теплоэнергетики на живое вещество, но должны учитывать это влияние в результате воздействия на отдельные компоненты окружающей среды и животный мир, где воздействие теплоэнергетики складывается со всеми другими антропогенными воздействиями.

Взаимодействие теплоэнергетики и окружающей среды происходит во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добыче, переработке, транспортировке, преобразование и использование тепловой энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафты литосферы, потребление и загрязнение вод морей, озёр, рек, изменением баланса грунтовых вод, выделением теплоты, так и использованием тепловой энергии от источников.

В первую очередь при анализе взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды должны быть рассмотрены элементарные процессы происходящие при сжигании топлива (в особенности органического), так как при его сжигании образуется большое количество вредных соединений (оксиды азота, серы, сажа, соединения свинца, водяной пар).

Различные компоненты продуктов сгорания топлива, выбрасываемые в атмосферу, гидросферу, литосферу и во время пребывания ведущие себя по-разному (изменяется t, свойства)называются примесными выбросами.

При выходе в атмосферу, выбросы содержат продукты реакций в твёрдой, жидкой и газообразной фазах. Изменение состава выбросов

После их выпадения могут проявляться в виде: осаждения тяжёлых фракций, распада на компоненты по массе и размерам, химических реакций с компонентами воздуха, взаимодействием с воздушными течениями, с облаками, с атмосферными осадками, фотохимические реакции. В результате, состав выбросов может существенно измениться, могут появиться новые компоненты, поведение и свойства которых (в частности, токсичность, активность, способность к новым реакциям) могут значительно отличаться от данных.

Газообразные выбросы образуют соединения углерода, серы и азота.

Оксиды азота практически не взаимодействуют с другими веществами в атмосфере и время их существования почти не ограничено. Сернистый ангидрид (SO2)один из токсичных газообразных выбросов теплоэнергоустановок, с небольшой продолжительностью пребывания в атмосфере, в присутствии кислорода воздуха (О2) доокисляется до SO3 и, вступая в реакцию с водой(Н2О)образует слабый раствор серной кислоты (Н2SO4). В процессе горения в атмосфере кислорода воздуха азот, в свою очередь образует ряд соединений:N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5.

В присутствии влаги NO2 легко вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, образуя азотную кислоту (НNO3).

Неуклонный рост поступлений токсичных веществ в окружающую среду, прежде всего, отражается на здоровье населения Земли, ухудшает качество продукции сельского хозяйства, снижает урожайность, оказывает влияние на климатические условия отдельных регионов мира, состояние озонового слоя Земли, приводит к гибели флоры и фауны.

Можно выделить несколько основных групп наиболее важных взаимодействий теплоэнергоустановок с конденсированными компонента ми окружающей среды.

а). Водопотребление и водоиспользование, обуславливающее изменение естественного материального баланса водной среды (перенос солей, питательных веществ).

б). Осаждение на поверхности твёрдых выбросов продуктов сгорания органических топлив из атмосферы, вызывающее изменение свойств воды, её цветности, альбедо.

в). Выпадение на поверхности в виде твёрдых частиц и жидких растворов продуктов выброса в атмосферу, в том числе: кислот и кислотных остатков, металлов и их соединений, канцерогенных веществ.

г). Выбросы непосредственно на поверхность суши и воды продуктов сжигания твёрдых топлив(зола, шлаки), а также продуктов продувок, очистки поверхностей нагрева (сажа, зола).

д). Выбросы на поверхность воды и суши твёрдых топлив при транспортировке, переработке, перегрузке.

е). Выбросы твёрдых и жидких радиоактивных отходов, характеризуемых условиями их распространения в гидросфере и литосфере.

ж). Выбросы теплоты, следствиями которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоёме, временное повышение температуры, изменение условий ледосостава, зимнего гидрологического режима, изменение условий паводков, изменение распределения осадков, испарений, туманов.

з). Создание водохранилищ в долинах рек или с использованием естественного рельефа поверхности, а также создание искусственных прудов-охладителей, что вызывает: изменение качественного и качественного и количественного состава речных стоков, изменение гидрологии водного бассейна, увеличения давления на дно, проникновение влаги в разломы коры и изменение сейсмичности, изменение условий рыболовства, развития планктона и водной растительности, изменение микроклимата, изменение условий отдыха, спортивных занятий, бальнеологических и других факторов водной среды.

и). Изменение ландшафта при сооружении разнородных теплоэнергетических объектов, потребление ресурсов литосферы, в том числе: вырубка лесов, изъятие из сельскохозяйственного оборота пахотных земель, лугов, взаимодействие берегов с водохранилищами.

к). Воздействие выбросов, выносов и изменение характера взаимодействия водных бассейнов с сушей на структуру и свойства континентальных шлейфов.

Примесные загрязнения могут суммарно воздействовать на естественный круговорот и материальные балансы тех или иных веществ между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Из анализа общих схем взаимодействия теплоэнергетических установок с окружающей средой, следует, что основным фактором взаимодействия ТЭЦ и ТЭС с водной средой является потребление воды системами технического водоснабжения, в том числе безвозвратное потребление воды. Основная часть расхода воды в этих системах на охлаждение конденсаторов паровых турбин. Остальные потребители технической воды (системы золо- и шлакоудаления, химводоочистки, охлаждения и промывки оборудования) потребляют 7% общего расхода воды, являясь при этом, основным источником примесного загрязнения.

АЭС воздействуя на водный бассейн, в то же время влияют на некоторые растения и вещества (растворённые в воде и содержащиеся в данных отложениях), некоторые из них накапливают радиоактивные изотопы в концентрациях, на несколько порядков превышающих равновесные в окружающей воде. При существующих условиях воздействия ядерной теплоэнергетики на гидросферу (и методах контроля выбросов) освоенные типы ядерных теплоэнергетических установок не представляют собой угрозы нарушения локальных и глобальных равновесных процессов в гидросфере и её взаимодействие с другими оболочками Земли (за исключением аварийных ситуаций, вызывающих загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами). Все другие виды воздействия АЭС на гидросферу и литосферу, не связанные с радиоактивностью (влияние систем водоснабжения, фильтров), качественно не отличаются от аналогичных воздействий ТЭС и ТЭЦ.

Учёными доказано, что основными видами примесных выбросов энергетических объектов, поступающими на поверхность гидросферы и литосферы, являются твёрдые частицы, выносимые в атмосферу дымовыми газами и оседающие на поверхность (пыль, зола, шлаки), а также горючие компоненты продуктов обогащения, переработки и транспортировки топлив. Весьма вредными загрязнениями поверхности гидросфер и литосфер является жидкое топливо, его компоненты и продукты его потребления и разложения.

Выбросы теплоты являются одним из основных факторов взаимодействия теплоэнергетических объектов с окружающей средой, в частности с атмосферой и гидросферой. Выделение происходит на всех стадиях преобразования химической энергии органического вещества или ядерного топлива для выработки тепловой энергии. Большая часть теплоты, получаемой охлаждающей водой в конденсаторах паровых турбин, передаётся в водоёмы, водотоки, а оттуда в атмосферу (t воды в месте сброса нагретой воды повышается, что ведёт к повышению средней.

Температуры поверхности водоёма, атмосферный воздух над теплоэнергетической установкой повышается, вследствие энергии, выделенной этой установкой в атмосферу).

Современные представления о допустимых условиях загрязнения атмосферы, воды, земных ландшафтов основаны на сведении о вредном воздействии веществ на здоровье людей, животных, на растительность, на материальные ценности. Всемирной организацией по вопросам здравоохранения при ООН в 1963 году рекомендовано определение критерия чистоты воздуха (предельно допустимая концентрация вредных веществ ПДК) по четырём уровням:

Уровень №1. -Невозможно обнаружить прямое или косвенное влияние на человека, животных или растительность.

Уровень №2. -Возможно раздражение органов чувств, вредное воздействие на растительность, уменьшение прозрачности воз духа.

Уровень №3. -Нарушение жизненно важных функций и возникновение хронических заболеваний у человека и животных.

Уровень №4. -Возникновение острых заболеваний, ведущих к гибели людей и животных.

Изменения в окружающей среде под влиянием антропогенных воздействий.

Естественное ограничение процессов, определяющих механизмы саморегулирования окружающей среды, неизбежно ведёт к накоплению результатов антропогенных воздействий. В результате этого происходит изменение тех или иных характеристик окружающей среды.

Изменения в атмосфере: рост содержания углекислого газа (СО2) (пропорционален росту потребления органического топлива), концентрации водяного пара, уменьшения озонового слоя (вследствие воздействия фреонов), и как следствие всему этому - изменение состава атмосферы, сто отражается на её прозрачности, ведущее к изменению температуры по сравнению с естественным уровнем.

Изменения в гидросфере и литосфере (так как они тесно взаимосвязаны, то изменения в них рассматриваются совместно), образование водохранилищ и новых русел сопровождается изъятием земель и ускоренной водной эрозией почв, смывом прилегающих слоёв, размыванием, что в свою очередь ведёт к загрязнению водоёмов водотоков, изменению теплового режима гидросферы, равновесного состава и других, уже рассматриваемых ранее, шероховатость поверхности литосферы, изменение её теплового режима и теплообмена поверхности (из-за осушения болот, расчистки лесов, разработки шахт, асфальтирования дорог), изменение состава атмосферного воздуха ведёт к изменения взаимодействия воздуха с растительным покровом литосферы и условий жизнедеятельности биосферы, одним из последних воздействий является изменение сейсмичности, а также радиационной обстановки биосферы, накопление в организме человека твёрдых частиц.

В результате промышленной деятельности человека в области производства тепловой энергии в окружающей среде наблюдается целый ряд существенных изменений. Вот лишь некоторые из них, особо ощутимые:

1. Наличие частиц, являющихся ядрами конденсации в 10 раз больше.

2. Наличие в воздухе газовых примесей увеличено 5-25 раз.

3. Количество облаков увеличивается на 5-10%.

4. Количество туманов зимой на 100% больше, летом на 30%.

5. Число осадков в различные периоды года на 5-10% больше.

6. Относительная влажность уменьшена летом на 2%, зимой на 8%.

7. Солнечное излучение уменьшено 3-20%.

8. Температура повышается на 1-2 градуса Цельсия.

9. Скорость ветра 5-30% больше.

Способы снижения загрязняющих выбросов.

При сжигании выбросов соединений серы, при сжигании органического топлива, принципиально существуют два подхода: сероочистка дымовых газов и удаление серы из топлива до его сжигания. Существуют следующие методы: известняковый, известковый, двухцикличный щелочной, каталитического окисления, газификации топлив, пиролиз.

Снижение выбросов твёрдых частиц с продуктами сгорания ведётся с помощью следующих способов: использование золоуловителей (инерционные или мокрые), тканевых и электрофильтров.

Снижение загрязняющих выбросов АЭС: создание специализированных систем по обезвреживанию и удалению радиоактивных отходов (коагуляция, выпарка, сорбция на ионообменных смолах).

Одним из способов снижения вредных воздействий энергоустановки на окружающую среду является совершенствование её тепловых схем, развитие теплофикации (одновременная выработка тепла и энергии), укрупнение установок теплоэнергетики, использование вторичных энергетических ресурсов, внедрение новых термодинамических циклов, развитие систем аккумуляции энергии, использование возобновляемых источников энергии (солнечная, электростанции, геотермальная энергия).

Влияние вредных выбросов ТЭС и ТЭЦ на атмосферу.

Атмосферавоздушная среда. Является наиболее уязвимой составляющей окружающей среды. Без нее невозможна жизнедеятельность человека, существование и развитие животного и растительного мира, так как в ней содержится основная часть кислорода воздуха, имеющегося на планете. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется огромный и невосполнимый ущерб. Вследствие тесной и неразрывной взаимосвязи всех природных составляющих окружающей среды, загрязнение атмосферы неизбежно отражается на других средах: гидросфере, литосфере, биосфере. Выбросы вредных веществ в атмосферу постоянно растут с ростом урбанизации, строительством новых заводов и фабрик.

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, уголь).

Одним из основных и самых крупномасштабных источников загрязнения атмосферы являются ТЭС и ТЭЦ. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Кроме этого в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бензопирен (С20Н12).

При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах ТЭС и ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы (SO2), оксидов азота.

Перевод установок на жидкое топливо уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как в мазуте содержится менее 2% серы.

Современные ТЭС и ТЭЦ мощностью 2, 4 млн. кВт. расходуют до 20 тысяч тонн угля в сутки и выбрасывают в атмосферу: 680 тонн SO2 и SO3, 200 тонн оксидов азота, 120-240 тонн золы, пыли, сажи, (данные числовые значения приведены для процентного содержания серы в исходном топливе 1, 7% и при эффективности системы пылеулавливания 94-98 %.

Исследования показали, что вблизи мощных станций и централей, в атмосферу выбрасывается 280-360 тонн SO2 в сутки. Максимальная концентрация диоксида серы с подветренной стороны на расстояниях: 200-500, 500-1000, 1000-2000 метров соответственно составляет: 0, 34, 9; 0, 7-5, 5; 0, 22-2, 8; мГ/м3. Из этого следует, что диоксид серы очень хорошо разносится на расстояние и естественно наблюдается пропорциональное уменьшение его концентрации при удалении от очага загрязнений.

При сжигании каменного угля остаётся очень большое количество зольных отходов, которые вывозятся за город на золоотвалы. Золоотвалы, >в большинстве своём, очень плохо оборудованы и зола разносится на значительные расстояния. Кроме того, что зола загрязняет атмосферу, оседая на землю она скапливается, покрывая поверхность почвы плотным слоем. Это способствует образованию техногенных пустынь.

Учёными подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями. Причиной загрязнений такого масштаба является развитие экологически несостоятельных технологических процессов, то есть таких, которые создают удовлетворение потребностей человека в тепловой и электрической энергии, но одновременно с этим и недопустимое загрязнение окружающей среды. Эти процессы развиваются без принятия эффективных мер, предупреждающих загрязнение атмосферы.

Особенно опасны сернистый ангидрид, диоксид серы и оксиды азота, выделяемые в атмосферу ТЭС и ТЭЦ, поскольку они переносятся на большие расстояния и осаждаются, в частности, с осадками на поверхность земли, загрязняя гидросферу и литосферу. Одним из особенно ярких проявлений этой картины являются кислотные дожди. Эти дожди образуются вследствие поступлений от сгорающего топлива и уходящих в атмосферу на большую высоту дымовых газами в, основном двуокиси серы и окислов азота. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осадков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника выделения.

Кроме того, загрязнение атмосферы ТЭС и ТЭЦ привело, как полагают учёные, к новому явлению поражению некоторых видов мягких пород деревьев, а также к быстрому и одновременному падению скорости роста по меньшей мере шести видов хвойных деревьев.

ТЭС и ТЭЦ являются причиной возникающего в крупных промышленных городах смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком наружной воздушной среды, вследствие выделения в неё указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях.



Заключение

Я рассказал далеко не о всех направлениях решения энергетической проблемы учёными мира, а только об основных. В каждой стране она имеет свои особенности: социально-экономические и географические условия, обеспеченность природными богатствами, уровень развития науки и техники.

Любой способ извлечения энергии (в любом виде) из недр Земли представляет собой совокупность положительных и отрицательных черт, и как мне кажется, преобладают далеко не положительные. На мой взгляд, существует только один практически безопасный способ добычи энергии: активное использование энергии Солнца и ветра, исключая использование энергии вод Мирового Океана.



5. Список использованной литературы и источников:

1. «Химия и научно технический прогресс». И.Н. Семенов, А.С. Максимов, А.А. Макареня.

2. «Природные ресурсы земли и охрана окружающей среды.» Н.С. Подобедов.

3. «Химия вокруг нас». Ю.Н. Кукушкин.

4.Большой энциклопедический словарь

5. «Основы общей химии» Г.И. Новиков - Москва, 1988г.

6. «Высшая школа» Справочник по химии 8-11 кл.

Учебное пособие для химико-технологических специальных ВУЗов

7. «Вариации на тему одной планеты», Франц Шебек Москва, 1977г.

8. «Семь чудес и другие», В.З. Черняк - Москва, 1990г.

9. Н.Л. Глинка. Общая химия. Изд-во «Химия», 1972.-712 с.

10. Химическая энциклопедия. Даф-Мед. Изд-во «Сов.энциклопедия», 1990. - 671с.

11. Краткая химическая энциклопедия. М. Сов.энциклопедия, 1967. - 1184 с.

12. Э.Гроссе, Х. Вайсмантель. Химия для любознательных. Л. Химия, 1987. - 392с.

13. В.Д. Войлошников, И.А. Войлошникова. Книга о полезных ископаемых. М. Мир, Недра. - 1991. - 175с.