Мониторинг кислотных осадков

В США при установлении стандарта на содержание фотохимических окислителей в воздухе были использованы многочисленные эксперименты на лабораторных животных. В присутствии окислителей в воздухе мыши оказывались более восприимчивыми к бактериальным инфекциям; эритроциты и клетки сердечной мышцы деформировались. Длительное воздействие озоном приводило к снижению веса у крыс и нарушению биохимии их физиологических процессов. У хомячков при кратковременных воздействиях низких концентраций окислителей обнаруживались повреждения хромосом лейкоцитов. Все эти эксперименты показывают возможность того, что фотохимические окислители дают какой-то дополнительный, гораздо более опасный эффект.

Задолго до того как было подтверждено влияние окислителей на здоровье людей, исследователи обнаружили их разрушающее воздействие на растения. Уже в сороковых годах на листьях растений были обнаружены небольшие темные пятна, наподобие штриховой исчерченности. Штриховая исчерченность - результат воздействия высоких концентраций озона.

Лабораторные исследования показали, что практически все растения повреждаются озоном и ПАН, содержащимися в воздухе. Озон также влияет на цитрусовые, что приводит к чрезмерно раннему созреванию плодов и опадению их до достижения нормальных размеров. Ущерб, наносимый сельскому хозяйству развитых стран (то есть стран, где велика доля загрязнителей, в том числе фотохимических) лишь одним озоном, оценивается в миллиарды долларов.

Парниковый эффект. Уже три четверти столетия ученые осознают, что концентрация двуокиси углерода в атмосфере повышается. Впервые предположение о влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат было высказано Каллендером в 1938 г. В 70-е гг. было доказано, что другие газы в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парниковый эффект. В 70 - 80-е гг. были поставлены численные эксперименты, в том числе и в СССР, которые показали, что при удвоении концентраций углекислого газа возможно потепление глобального климата на 2-4єC, а в полярной области Северного полушария - на 6-8єC. Впоследствии было сформулировано и определение парникового эффекта. Оно звучало следующим образом: парниковый эффект - это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности. У парникового эффекта есть множество других определений, но все они сводятся к единому смыслу

Сущность парникового эффекта можно представить следующим образом. Солнечная энергия достигает земной поверхности практически беспрепятственно (поскольку двуокись углерода прозрачна для видимого света), и поверхность земли нагревается. Однако длинноволновое инфракрасное излучение, уходящее от земли, задерживается и поглощается двуокисью углерода. В результате земля разогревается. Как уже отмечалось выше, помимо двуокиси углерода развитию парникового эффекта способствуют и другие газы, такие как метан и фреоны.

К настоящему времени сложился стереотип парникового эффекта и его влияния на глобальный климат, который состоит в следующем:

1. Происходит постоянное и нарастающее увеличение выбросов в атмосферу «парниковых» газов, прежде всего диоксида углерода.

Выбросы диоксида углерода особенно резко увеличилось за последние 30-35 лет в главных промышленных центрах мира: США, Западной Европе, бывшем СССР.

Еще более быстрыми темпами увеличиваются выбросы других газов, усиливающих парниковый эффект, - метана, оксидов азота, галоген-углеводородов. По некоторым оценкам, на последние годы приходится 15-20% парникового эффекта. Только в 1988 г. в атмосферу попало 5,5 млрд. тонн углерода вследствие уничтожения тропического леса. Если такая нагрузка будет сохраняться, то с 2010 г. в атмосферу будет ежегодно поступать в среднем 10 млрд. тонн углерода.

2. В результате выбросов в атмосферу на планете возросла и продолжает увеличиваться среднегодовая температура. По некоторым оценкам, в 1890-е гг. для мира в целом она составила 14,5єC, а в 1980-е гг. - 15,2єC. Изменения температуры происходят неравномерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940 - 1970 гг. показатель оставался стабильным, однако всего за 7-8 лет в 80-е гг. он сразу возрос до названной величины.

Конечно, увеличение температуры на 0,7єC за 90 лет не кажется значительным, но опасность может таиться в самой тенденции роста. По прогнозам, в 2030 - 2050 гг. среднегодовая температура в мире может оказаться на 1,5-4,5єC выше нынешней, т.е. на Земле будет теплее, чем за последние 2 млн. лет. По данным МГЭИК (Международная группа экспертов по изменению климата), наиболее вероятно, что к 2100 г. станет теплее на 3,5єC. Однако темпы потепления в первой половине XXI века могут стать в 5-10 раз выше, чем в прошлом столетии.

3. Последствия потепления для населения и экономики разных стран могут оказаться различными и иметь как отрицательные, так и положительные стороны. Обсуждается, что и где возьмет верх. В глобальном масштабе чрезвычайно высокие темпы изменений, которые прогнозируются в настоящее время, чреваты трудностями или даже невозможностью достаточно быстрой адаптации к новым условиям. Так, может оказаться, что уровень океана поднимется на 0,5-1 м к середине и на 2 м - к концу XXI века, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. По данным МГЭИК, к 2100 г. подъем среднего уровня моря может составить 15-95 см, скорее всего примерно 50 см. Увеличится число метеокатастроф. Все это отразится на биоте: может резко сократиться видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.

Степень неопределенности прогнозов климата очень велика. Принципиально важные неопределенности связаны со многими причинами, но одной из наиболее существенных считают нерешенность проблемы глобального круговорота углерода, особенно в части усвоения антропогенных выбросов океаном и функционирования биосферы суши как источника или стока углерода.

Для всех параметров моделей характерен широкий диапазон оценок. Расхождения результатов вычислений с использованием различных моделей достигают 300%. Так, подъем уровня океана, который пока составил 10 см, по одним оценкам, достигнет к середине следующего столетия 30 см, по другим, - 150 см и даже 2 м.

Существует точка зрения, что парниковый эффект полезен, так как потепление будет способствовать расцвету сельского хозяйства, увеличению атмосферных осадков и т.п. Ясно, однако, что последствия будут различными в разных регионах мира. Для России положительным считается тот факт, что уже сейчас все реже наблюдаются продолжительные холодные зимы и среднегодовая температура возрастает. В этой связи потребность в топливе снизится. В сельском хозяйстве последствия для России будут неоднозначными. Погодные аномалии в теплом климате могут стать более продолжительными. За последние десятилетия содержание водяного пара в приземной атмосфере возросло на несколько процентов; все реже на территории РФ происходят засухи. Негативными последствиями считают фактор, связанный с вечной мерзлотой, которая занимает 60% территории России. Потепление в этом регионе Сибири приведет к таянию льда, в результате чего могут разрушиться системы жизнеобеспечения (дороги, дома и т.п.), приспособленные к нынешнему климату. Более влажный климат проявится интенсификацией гидрологического цикла, увеличением осадков, стока рек, повышением уровня воды в водоемах. Многие районы Сибири превратятся в непроходимые болота.

В целом же последствия глобального потепления плохо предсказуемы, и прогнозы сильно отличаются для разных регионов. Возможно, что на севере Европы его не произойдет. Шведские ученые предполагают, что напротив, здесь и даже южнее - в Испании, Италии, Греции - наступит резкое похолодание. Многие климатологи предупреждают, что теплосистема в Мировом океане весьма чувствительна к климатическим изменениям и глобальное потепление может привести к тому, что морские потоки пойдут другими путями. Теплая вода Гольфстрима уже не будет продвигаться так далеко на север, как сейчас. Поэтому вполне вероятно, что глобальное потепление создаст большие проблемы.

Повышение температуры в Мировом океане может привести к повышению скорости ветра в ураганах и возрастанию их разрушительной мощи. Американские исследователи создали модель будущих ураганов с учетом глобальной модели климата, которая позволила заключить, что при увеличении температур в модели всего на 2,2єC скорость ветра в самых мощных возрастает на 5-12%. Если скорость ветра возрастает на 16 км/ч, то наносимый ураганом ущерб увеличится примерно в два раза. В то же время может случиться и так, что глобальное потепление заставит теплое океанское течение Эль-Ниньо, которое как бы подавляет образование ураганов в Атлантике, чаще проявлять себя в Тихом океане и ураганы будут зарождаться реже.

Прогнозируемое повышение уровня океана вследствие глобального потепления наиболее сильно отразится на состоянии прибрежных зон и вызовет их эволюцию. Развитие может пойти по пути смещения береговой линии в сторону суши, изменений берегового рельефа под воздействием гидродинамических процессов, изменения ландшафтов, условий природопользования, нарушения инфраструктуры и в конечном итоге привести к экономическим ущербам. Это, однако, не исключает и определенных выгод.

Трудно предвидеть, что произойдет с живыми организмами в случае глобального потепления, поскольку их взаимодействия весьма многообразны и сложны. Так, например, москиты, переносящие лихорадку денге, гибнут при повышении температуры и в этом случае должны чаще питаться, что увеличивает риск заболеваемости людей.

Адаптации к изменению климата проявляются по-разному. У некоторых видов черепах, например, при повышении температуры окружающей среды появляется больше женских особей. Вполне возможно, что потепление уже привело к отклонениям в соотношении полов среди некоторых популяций, что грозит их дальнейшему существованию.

Убывание оледенения в горах вызовет сокращение стока рек, что породит трудности в сельском хозяйстве и выработке гидроэлектроэнергии. Подъем уровня океана потребует защиты побережий и приморских городов. При потеплении увеличится испарение с поверхности океана и будет выпадать больше атмосферных осадков.

При глобальном потеплении на 1єC количество осадков заметно возрастет на широтах от 10 до 30є с.ш. к северу от 50є с.ш., в то время как между 30є и 50є с.ш. количество осадков даже уменьшится.

Если прогнозы о предстоящем потеплении на ближайшие 50 лет оправдаются, то оно будет происходить в результате комбинации естественных температурных трендов и парникового эффекта.

Гипотеза парникового эффекта основана на представлениях о высокой чувствительности термического режима Земли к изменениям концентрации диоксида углерода в атмосфере с учетом тенденции роста потребления минерального топлива на ближайшие десятилетия.

§4. Геополитический аспект загрязнения атмосферы

Геополитика - это политическая концепция, согласно которой внешняя политика государства определяется в основном географическими факторами, положением страны. Сейчас термин «геополитика» употребляется также для обозначения влияния географических факторов на внешнюю политику государства. Возникает резонный вопрос: как загрязнение атмосферы связано с географическим положением государства? Ответ на этот вопрос можно найти очень быстро, если на карте мира отметить районы, уровень загрязнения атмосферы в которых особенно велик. Рядом с ними обязательно найдутся районы с меньшим уровнем загрязнения атмосферы. Нельзя ли предположить, что загрязнители с территории одного государства из-за перемещения воздушных масс достигают территории другого государства и наносят ущерб именно ему?

До этого рассматривалось воздействие загрязнителей на природу и здоровье граждан того государства, в котором эти загрязнители были выброшены. При этом не учитывался тот факт, что все границы, установленные государствами, весьма условны. Загрязнения атмосферы это касается в наибольшей степени, ведь воздушные массы могут беспрепятственно перемещаться на тысячи километров. Таким образом, загрязнители, выброшенные на территории одного государства, могут оказывать воздействие на природу и граждан другого государства. Так правительства Норвегии и Швеции заявляют, что выпадение кислотных осадков на их территории частично обусловлено выбросами загрязнителей в Великобритании и Северной Европе. Промышленные и автомобильные выбросы в США неизменно вносят вклад в кислотные дожди над Канадой, а Канада в свою очередь ответственна за такие дожди на территории США. Эти обстоятельства, конечно, не могут не осложнять отношений между странами.

Другим примером влияния атмосферных загрязнителей на отношения между разными странами является парниковый эффект. Разные страны делают разный вклад в развитие парникового эффекта, однако, можно сказать, что на данном этапе его проявления это не имеет принципиального значения. Но настанет время, когда последствия парникового эффекта могут сыграть огромную роль в формировании отношений между государствами. Выше было сказано, что последствия парникового эффекта для разных стран могут быть самыми различными. Для России, например, они могут быть положительными, в то время как для других стран - отрицательными. При этом могут пострадать страны, вклад которых в парниковый эффект был минимальным. И они, несомненно, предъявят претензии к другим странам. Если последствия парникового эффекта будут достаточно серьезными, то некоторые развивающиеся страны практически лишаться средств к существованию. У них не останется другого выбора, кроме как под угрозой развязывания военного конфликта потребовать помощи других стран. Конечно, все это лишь предположение, однако нельзя не принимать во внимание возможность подобного.

Из вышесказанного можно заключить, что в данном случае геополитический аспект загрязнения атмосферы является обоснованием важности проблемы загрязнения и необходимости принятия мер, направленных на борьбу с загрязнителями.

§5. Меры по борьбе с загрязнением атмосферы

В предыдущих главах были рассмотрены основные загрязнители атмосферы и их влияние на окружающую среду и здоровье человека. Здесь будут рассмотрены те меры, которые могут быть приняты для уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу.

Путей уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу очень много. Все они различаются по своей эффективности и многие из них находят применение только в определенных отраслях. Далее будут рассмотрены основные методы уменьшения выбросов загрязнителей в атмосферу, и к каждому из них будет приведена отрасль, в которой этот метод может быть эффективен.

Очистка. Целью очистки является уменьшение загрязнителей, которые поступят в окружающую среду в результате отработки того или иного процесса. При этом в очистке используется метод удаления загрязнителей на одной из стадий, присущих данному процессу. В основном очистка применяется либо к используемому топливу, либо к образующимся отходам (в рассматриваемом нами случае эти отходы газообразные). Оба случая способствуют уменьшению выбросов загрязнителей в атмосферу

Типичным примером очистки топлива является очистка угля, применяемая на электростанциях и предприятиях, для производства продукции которых уголь используется в качестве топлива.

В угле сера содержится в двух формах: неорганической и органической. Неорганическая сера присутствует в виде пиритов, т.е. сульфидов металлов, в частности сульфида железа, называемого также железным колчеданом. Органическая сера химически связана с углеродом природного угля. Для удаления неорганической серы достаточно специальной промывки угля, проводимой в несколько этапов. Для удаления органической серы требуется химическая обработка. Сера в виде пиритов может составлять от 30 до 70% общего содержания серы в угле, но обычно органическая и неорганичная сера присутствуют в равных количествах.

Для очистки угля от неорганической серы его предварительно дробят, чтобы обнажить жильные породы. Затем раздробленный уголь смешивают с водой в большом резервуаре. Пирит имеет большую плотность, чем уголь, и потому оседает на дно быстрее; очищенный уголь собирают в верхней части резервуара. Таким способом можно обработать за 1 ч 500-1000 т угля. Промывка - один из наиболее эффективных способов освобождения добытого угля от большей части содержащихся в нем пиритов.

Химическая очистка угля - это общее название достаточно разнообразных процессов, направленных на удаление органической серы, связанной с углеродом угля. Специалистами уже предложено несколько десятков процессов, причем с помощью некоторых химических способов удаляют как серу в пиритах, так и часть серы, связанной в органических соединениях.

Далее будет рассмотрен лишь один из методов, демонстрирующий сущность процесса химической очистки. Этот метод предполагает обработку мелко раздробленного угля водой, содержащей гидроксиды натрия и кальция. После такой обработки при высоких давлении и температуре уголь очищается от большей части пиритов и половины органической серы; эти примеси остаются в растворе. Затем уголь промывают и высушивают, после чего он готов к употреблению. Описанный метод позволяет превратить дешевый уголь с высоким содержанием серы в приемлемое топливо для тепловых электростанций, работающих на угле. Такой уголь можно сжигать в топках без необходимости затем улавливать двуокись серы из выходящих в дымоход газов, но чтобы использовать его в крупных масштабах, следует удешевить этот метод.

Очистка угля от серы является лишь примером того, как можно очистить топливо от веществ, в последствии загрязняющих атмосферу. Уголь и любое другое топливо можно очистить практически от любых примесей. Вопрос заключается в другом: насколько затратна будет эта очистка и оправдает ли она эти затраты?

В некоторых случаях выгоднее очищать от загрязнителей газы, образующиеся при горении топлива (точнее будет сказать газы, образующиеся при осуществление какого-либо процесса - ведь образование газообразных отходов обусловлено не только сжиганием топлива), чем само топливо. Для этого применяют газо- и пароулавливающие установки. В настоящее время их существует 2 типа. Первый тип установок обеспечивает санитарную очистку выбросов без последующей утилизации уловленных примесей, количество которых невелико, но которые даже в малых концентрациях опасны для здоровья человека. Второй тип предназначен для промышленной очистки выбросов от больших количеств вредных примесей с последующей их концентрацией и дальнейшим использованием в качестве исходного сырья в различных технологических процессах. Установки второго типа являются составляющими элементами разрабатываемых перспективных малоотходных и безотходных технологий (об этом см. в разделе «Безотходные производства»).

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и парообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп: промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемсорбция); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей с помощью каталитического превращения.

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путем разделения газовоздушной смеси на составные части за счет поглощения одной или нескольких вредных примесей (абсорбатов), содержащихся в этой смеси, жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород в качестве жидкого поглотителя применяется вода. Растворимость этих вредных веществ в воде составляет сотни граммов на 1 кг воды. Растворимость в воде сернистого ангидрида или хлора не превышает сотых долей грамма на 1 кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих эти вредные газы, требуются большие количества воды. В качестве абсорбентов используются и другие жидкости: раствор сернистой кислоты для улавливания водяных паров; вязкие масла для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа.

Очищенный газ обычно отводится в атмосферу, а абсорбент, содержащий вредные растворимые примеси, подвергают регенерации с целью отделения вредных веществ, после чего возвращают в аппарат или отводят в качестве отхода.

Метод хемсорбции заключается в поглощении вредных газовых и паровых примесей, содержащихся в газовых выбросах, твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Применение этого метода наиболее выгодно при небольших концентрациях вредных примесей в отходящих газах. Методом хемсорбции осуществляется очистка газовоздушной смеси от сероводорода с использованием мышьяково-щелочного, этаноламинового и других растворов. Сероводород при этом связывается в соответствующей хемсорбенту соли, находящейся в водном растворе, регенерация которого осуществляется кислородом, содержащимся в очищенном воздухе, с образованием серы, которая может быть использована как сырье.

Хемсорбция широко применяется для очистки отходящих газов от оксидов азота, образующихся при сжигании топлива, выделяющихся из ванн для травления и в других технологических процессах. Очистка осуществляется в скрубберах с использованием в качестве хемсорбента известкового раствора. Эффективность очистки от оксидов азота составляет 0,17 - 0,86 и от паров кислот - 0,95.

Достоинство методов абсорбции и хемсорбции заключается в непрерывности ведения технологического процесса и экономичности очистки больших количеств газовых выбросов. Недостаток - громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкостного орошения. В процессе очистки газы подвергаются охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния при отводе в атмосферу. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредных примесей, которые подлежат транспортировке и утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки газов основан на поглощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твердых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очищаемых газов.

Поглощающая способность адсорбента определяется наличием в его объеме большого количества пор различного размера: микропоры, переходные и макропоры. Размеры микропор соизмеримы с молекулами адсорбируемых вредных примесей и составляют от 5 * 10-10 до 10-9 м. Размер переходных пор намного больше адсорбируемых молекул и колеблется от 1,5 * 10-9 до 2 * 10-7 м. Переходные поры выполняют роль каналов, подводящих поглощаемые примеси к микропорам, их удельная поверхность может составлять то 10 до 400 м2/г. Чем больше пористость адсорбента и выше конденсация примеси, тем интенсивней протекает процесс адсорбции. В качестве адсорбентов широко применяют активированные угли, удельная поверхность которых составляет 102 - 103 м2/г. Их применяют для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных выбросах. Кроме активированного угля используются активированный глинозем, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углем обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определенных газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, так как позволяет при снижении давления или повышении температуры удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной очистки работают периодически или непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется расходом очищаемого газа, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и другими факторами. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуется с периодом регенерации твердого адсорбента.

Термическая нейтрализация обеспечивает окисление токсичных примесей в газовых выбросах до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газов. Этот метод применяется при больших объемах газовых выбросов и концентрациях загрязняющих примесей, превышающих 300 частей на миллион.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление при температурах 600-800°C и каталитическое сжигание - при 250-450°C. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом и предельно допустимыми выбросами вредных веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы содержат достаточно тепла, необходимого для осуществления процесса и составляющего более 50% от общей теплоты сгорания. В процессе прямого сжигания температура пламени может достигать 1300°C, что при наличии достаточного избытка воздуха и продолжительном времени нахождения газа при высокой температуре приводит к образованию оксидов азота. В результате в процессе прямого сжигания одних вредных примесей происходит образование другого загрязняющего вещества.

Прямое сжигание может осуществляться как непосредственно в открытом факеле, так и в замкнутых камерах. Системы прямого сжигания обеспечивают эффективность очистки 0,9 - 0,99, если время пребывания вредных примесей, органических отходов, оксидов азота, токсичных газов, например, цианистого водорода в высокотемпературной зоне - 0,5 с, а температура газов, содержащих углеводороды, не менее 500-650°C, содержащих оксид углерода - 660-750°C.

Термическое окисление применяется, когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо, когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так осуществляется дожигание оксида углерода и углеводородов, образующихся при работе автомобильного двигателя. Если отходящие газы имеют недостаточную для процесса окисления температуру, то они предварительно подогреваются в теплообменнике, а затем поступают в рабочую зону, в которой сжигают природный или другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температуры, превышающей точки их самовоспламенения, и они сгорают в среде кислорода, присутствующего в отходящих газах.

Основное преимущество термического окисления - относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовления камеры сжигания и исключить образование оксидов азота.

Каталитический метод предназначен для превращения вредных примесей, содержащихся в отходящих газах промышленных выбросов, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ - катализаторов. Катализаторы изменяют скорость и направление химической реакции, например, реакции окисления. В качестве катализаторов используются: платина, палладий и другие благородные металлы или и соединения: оксиды меди, марганца и т. п. Катализаторная масса располагается в специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, окиси алюминия с нанесенным на поверхность этих элементов слоем благородных металлов микронной толщины. Каталитические методы очистки широко используются для вредных примесей, содержащихся в газовоздушных выбросах цехов окраски, а также для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.

Безотходные производства. Безотходным производством является такое производство, в котором все исходное сырье в конечном итоге превращается в ту или иную продукцию и которое при этом одновременно оптимизировано по технологическим, экономическим и социально-экологическим критериям. Принципиальная новизна подобного подхода к дальнейшему развитию промышленного производства обусловлена невозможностью эффективно решать проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов только путем совершенствования методов обезвреживания, утилизации, переработки или захоронения отходов.

При создании и развитии безотходных производств обязательно использование всех компонентов сырья. В настоящее время несмотря на то, что практически все сырье, применяемое в промышленности, является многокомпонентным, в качестве готовой продукции используется, как правило, только один компонент. Максимально возможное - это комплексное использование энергии при безотходном производстве.

Безотходное производство предполагает кооперирование производств с большим количеством отходов (производство фосфорных удобрений, тепловые электростанции, металлургические, горнодобывающие и обогатительные производства) с производством - потребителем этих отходов, например предприятиями строительных материалов.

Важнейшей задачей является создание и внедрение принципиально новых технологических схем и процессов, при которых резко сокращается или полностью исчезает образование каких-либо отходов.

Утилизирую двуокись серы, содержащуюся в отходящих газах теплоэнергетики и металлургии, можно получить столько серной кислоты, сколько ее ежегодно производят все сернокислотные заводы нашей страны, т.е. по сути дела удвоить производство этого ценнейшего продукта большой химии (эта тема кратко рассматривается в курсе географии девятого класса). Уже существуют промышленные установки для каталитической очистки отходящих газов, которые позволяют извлекать из дыма до 98 - 99% сернистого газа при любом, даже самом незначительном, его содержании и окислять его, превращая вредный промышленный выброс в серную кислоту. Использовать полученную таким способом кислоту в промышленности тоже не просто: она содержит различные примеси, зачастую получается разбавленной. Зато в сельском хозяйстве она может найти неограниченный рынок сбыта, так как это химический препарат для почв содового засоления. Для химической мелиорации годится серная кислота сколь угодно разбавленная, практически с любыми примесями. Это позволяет строить более экономичные, упрощенные установки для утилизации сернистого газа.

Конечно, невозможно создать полностью безотходные производства во всех отраслях. Вообще, понятие «полностью безотходное производство» условное, так как ни одно производство не возможно без отходов. Но создавать производства, в которых перерабатывается часть отходов, вполне возможно. Такие производства называются малоотходными.

С безотходными и малоотходными производствами связаны многочисленные проблемы, без решения которых их внедрение представляется практически невозможным. Основной из них является большая затратность подобных производств. Эта проблема объясняется тем, что большинство из производств (особенно в России) не рассчитаны на внедрение каких-либо новых узлов и поэтому для создания безотходного или малоотходного производства на их основе придется принципиально пересматривать всю их систему. При этом на ранних стадиях внедрения безотходных или малоотходных производств их вряд ли можно будет рассматривать как прибыльные: для детальной отработки технологии потребуется еще некоторое время.

Внедрение безотходных и малоотходных производств может быть эффективным практически в любой отрасли промышленности, так как из многих отходов можно получить какой-либо потребительский продукт.

Использование возобновляемых источников энергии. Энергетика является сердцем промышленного и сельскохозяйственного производства и обеспечивает комфортное существование человека. Основным энергоносителем XIX века являлся уголь, сжигание которого, как отмечалось выше, приводило к росту выбросов дыма, сажи, копоти, золы, вредных газовых компонентов: CO, SO2, оксидов азота и т.д. Развитие научно-технического прогресса привело к существенному изменению энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, городов и других населенных пунктов. Существенно возросла доля таких энергоносителей как нефть и газ, экологически более чистых, чем уголь. Однако ресурсы их не беспредельны, что накладывает на человечество обязанность поиска новых, альтернативных возобновляемых источников энергии. К ним относятся солнечная и атомная энергия, геотермальный и гелиотермальные виды энергии, энергия приливов и отливов, энергия рек и ветров. Эти виды энергии являются неисчерпаемыми и их производство практически не оказывает вредного воздействия на окружающую среду.

Наиболее развиты в настоящее время атомные энергетические установки - АЭС. Доля производства электроэнергии с помощью атомной энергии в ряде стран очень высока: в Литве она превышает 80%, во Франции - 75, в России достигает 13%. Следует лишь совершенствовать безопасность работы АЭС, что подтвердила авария на Чернобыльской и других АЭС. Топливная база для их работы практически неограничена, общие запасы урана в морях и океанах составляют примерно 4 * 109 т.

Достаточно широко применяются геотермальные и гелиотермальные источники энергии. Циркулирующая на глубине 2-3 км вода нагревается до температуры, превышающей 100єС за счет радиоактивных процессов, химических реакций и других явлений, протекающих в земной коре. В ряде районов земли такие воды выходят на поверхность. Значительные запасы их имеются в нашей стране на Дальнем Востоке, Восточной Сибири, Северном Кавказе и других районах. Существуют запасы высокотемпературного пара и пароводяной смеси на Камчатке, Курильских островах и в Дагестане

Технологические процессы получения тепловой и электрической энергии из таких вод достаточно хорошо разработаны, их себестоимость в 2 - 2,5 раза ниже тепловой энергии, получаемой в обычных котельных. На Камчатке работает геотермальная электростанция мощностью 5 кВт. Предполагается сооружать такие, но более мощные 100 и 200 МВт блоки. В Краснодарском крае теплота подземных вод используется для теплоснабжения промышленных предприятий, населения, животноводческих комплексов, многочисленных теплиц.

За последнее время все шире используется солнечная энергия. Солнечные энергетические установки могут быть тепловыми, в которых используется традиционный паротурбинный цикл и фотоэлектрическими, в которых солнечное излучение с помощью специальных батарей преобразуется в электроэнергию и теплоэнергию. Стоимость таких гелиоэлектростанций пока еще велика: для станций мощностью в 5 - 100 МВт она в 10 раз превышает капитальные затраты ТЭС аналогичной мощности. Кроме того, для получения энергии требуются большие площади зеркал. Солнечные электростанции являются перспективными, так как они экологически чистые, а стоимость произведенной на них электроэнергии будет неуклонно снижаться по мере совершенствования технологических процессов, оборудования и используемых материалов.

Вода с давних пор используется человечеством в качестве источника энергии. ГЭС остаются перспективными и экологически чистыми энергетическими установками при условии, если при их строительстве не происходит затопления пойменных земель и лесных угодий.

К новым источникам энергии относится энергия морских приливов и отливов. Принцип действия приливных электростанций основан на том, что энергия падения воды, проходящей через гидротурбины, вращает их и приводит в движение генераторы электрического тока. На однобассейновой приливной электростанции двойного действия, работающей во время прилива и отлива, можно вырабатывать энергию четыре раза в сутки при наполнении и опорожнении бассейна в течение 4-5 часов. Агрегаты такой электростанции должны быть приспособлены для работы в прямом и обратном режимах и служить как для производства электроэнергии, так и для перекачки воды. Крупная приливная электростанция работает во Франции на берегу Ла-Манша, в устье реки Ранс. В России в 1968 г. пущена в эксплуатацию небольшая электростанция на побережье Баренцева моря в губе Кислов. Разработаны проекты Мезенской приливной станции на берегу Белого моря, а также Пенжинской и Тугурской - на берегу Охотского моря.

Энергию океана можно использовать, сооружаю волновые электростанции, установки, использующие энергию морских течений, разницу температур поверхностных теплых и глубинных холодных воды или подледных слоев воды и воздуха. Проекты таких энергетических установок разрабатываются в ряде стран: США, Японии, России.

Перспективно использование энергии ветра. Ветроэнергетические установки до определенного предела не влияют на состояние окружающей среды. Парки ветроэнергетических установок большой мощности построены в Германии, Дании, США и других странах. Единичная мощность таких установок достигает 1 МВт. В Швеции работает самая сильная в мире ветроэнергетическая установка мощностью 2 МВт. В России имеются районы благоприятные для строительства ветровых электростанций - на Крайнем Севере, Азово-Черноморском регионе, где постоянно дуют северо-восточные ветры. Потенциальные мощности ветровых электростанций, которые могут быть построены на этих территориях, значительно превышают мощности существующих в настоящее время в России электростанций. Экологическая целесообразность использования энергии ветра для производства электроэнергии в больших масштабах и использования ветроэнергетических установок в энергетических системах изучена пока недостаточно. Исследования, проведенные в США, свидетельствуют о том, что, если затраты на сооружение подземных хранилищ нефти объемом в 1 млрд. баррелей в совокупности со стоимостью этой нефти направить на строительство ветровых электростанций, то их мощность может быть доведена до 37000 МВт, а количество сэкономленной нефти составит 1,15 млрд. баррелей. В результате помимо экономии такого ценного сырья, как нефть, существенно снизится вредная нагрузка на окружающую среду при ее сжигании в энергетических установках.

Серьезным источников вредных веществ в окружающей среде является транспорт. Рассматривается возможность замены используемого в настоящее время углеводородного топлива на чистый водород, при сгорании которого образуется вода. Это позволило бы исключить проблему загрязнения атмосферы отработанными газами автомобильных двигателей. Использование водорода затрудняется тем, что в настоящее время недостаточно отработана технология его получения, транспортировки и хранения, что приводит к большим затратам электроэнергии при производстве водорода методом электролиза и высокой его стоимости. Совершенствование указанных технологических процессов позволит снизить стоимость водорода, который станет топливом, способным конкурировать по экономическим показателям с традиционными видами топлива, а по экологическим - превосходить их.

Замена автомобилей, работающих на углеводородном топливе, электромобилями также позволит существенно снизить вредную нагрузку на окружающую среду. Исследования американских и японских фирм в этой области свидетельствуют о том, что их лучшие электромобили, работающие на никелево-цинковых батареях, вдвое мощнее, чем обычные свинцовые при скорости 80 км/час и имеют дальность пробега около 400 км. Общий коэффициент полезного действия таких электромобилей в настоящее время невелик и составляет 2% против 4,2% автотранспорта, работающего на углеводородном сырье. По мере совершенствования технологии изготовления аккумуляторных батарей электромобили будут использоваться все шире, что позволит уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

Электроэнергия является одной из важнейших составляющих большинства производственных процессов, осуществляемых в настоящее время. С течением времени роль электроэнергии будет все более возрастать. Таким образом, альтернативные пути получения электроэнергии необходимы для дальнейшего развития всех отраслей производства.

Административные и экономические механизмы. Проблема охраны окружающей среды (и атмосферы как ее части) тесно связана с политикой, идеологией, социальной сферой и в первую очередь - с экономикой.

Противостояние экономики и экологии - узловая проблема охраны окружающей природной среды. Ранее ее пытались решать путем административно-командных методов воздействия на основе запретов, ограничений, мер уголовного и административного наказания.

Если метод административного воздействия исходит из отношений власти и подчинения, то экономический механизм опирается на материальную заинтересованность исполнителя в достижении реальной цели. В основу экологической экономики входят как постоянно действующие институты, так и новая совокупность признаков, возникшая на базе перехода к рыночным отношениям.

Постоянно действующие институты: природные кадастры, меры по материально-техническому и финансовому обеспечению, платность за использование природных ресурсов; платежи за загрязнение окружающей природной среды; льготы по кредитованию, налогообложению; освобождение от обложения налогами.

К новым экономическим стимулам относятся: экологическое страхование, установление повышенных норм амортизации основных природоохранных производственных фондов, введение поощрительных цен на экологически чистую продукцию и снижение - на экологически неблагоприятную, формирование банка экологических услуг, совершенствование договорных отношений, где видное место занимает экономический механизм регулирования - договоры на комплексное природопользование, аренду, передачу в постоянное пользование объектов, охрану памятников природы и т.д.

Кадастры природных ресурсов - это свод экономических, экологических, организационных и технических показателей, который характеризует количество и качество природного ресурса, а также состав и категории природопользователей.

Данные кадастров лежат в основе рационального использования природных ресурсов, охраны природной среды; на их базе определяется денежная оценка природного ресурса, его продажная цена, система мер по восстановлению и оздоровлению окружающей среды.

В СССР централизованное финансирование природоохранной деятельности проводилось всегда на уровень ниже потребностей, необходимых для решения задачи гармонизации человека и природы (примерно 9-11 млрд. руб. за пятилетие, что составляло менее 1% всех бюджетных расходов).

После суверенизации России строка «На охрану окружающей природной среды» из федерального бюджета вообще исчезла, и только в 1994 г. в федеральном бюджете отдельной строкой государством было выделено 1083625,9 млн. руб., что также составило менее 1% всех расходов. Такая сумма не компенсирует даже тот ущерб, который наносится природе путем выбросов, сбросов и захоронений отходов. Однако закон РФ «Об охране окружающей среды» (ст. 17, пункт 2) называет несколько источников финансирования охраны природной среды, помимо государственного бюджета. Это внебюджетные экологические фонды, средства предприятий, учреждений, организаций. С принятием вышеназванного Закона местные внебюджетные экологические фонды стали существенным источником финансирования экологических затрат. На основании этого Закона основную массу денежных отчислений фондов должны получать города и районы, которые в первую очередь испытывают на себе пагубные последствия загрязнения и разрушения окружающей природной среды.

Введение платежей за использование природных ресурсов - прямое следствие преобразования природоресурсных отношений, проводимых на базе рыночных реформ. Установление такой платы стало возможным после отмены исключительной государственной монополии на землю и другие природные ресурсы, превращения земель и других ресурсов в объект купли-продажи и гражданско-правовых сделок. При установлении платности за пользование природными ресурсами ставились следующие задачи:

Повышение заинтересованности производителя в эффективном использовании природных ресурсов и земель

Повышение заинтересованности в сохранении и воспроизводстве материальных ресурсов.

Получение дополнительных средств на восстановление и воспроизводство природных ресурсов.

Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» (ст. 20) предусмотрено два вида платежей за ресурсы природы: за право пользования природными ресурсами и за загрязнение окружающей природной среды.

Плата за загрязнение окружающей природной среды является одним из видов платности в использовании природных ресурсов. Ее сущность имеет три значения: компенсационное, стимулирующее и экологическое.

Во-первых, плата за загрязнение направлена на компенсацию вреда, причиняемого природной среде, здоровью человека, материальным ценностям. В отличие от юридической ответственности, которая наступает по факту правонарушения, обязанность платы за загрязнение возникает по факту правомерного, разрешенного компетентными органами государства причинения вреда, независимо от вины хозяйствующего объекта.

Во-вторых, установленная плата взимается в бесспорном порядке за счет прибыли или себестоимости предприятия-загрязнителя, и на этой основе должна стимулировать сокращение выбросов, сбросов вредных веществ. Это главный ключ экологизации хозяйственной деятельности, пользуюсь которым можно сделать охрану окружающей природной среды экономически выгодным делом.

В-третьих, платежи за загрязнения служат главным источником образования и пополнения внебюджетных экологических фондов, средства которых используются для оздоровления и охраны окружающей природной среды. В этом проявляется экологическое значение платы.

Правовое регулирование платежей за загрязнение обеспечивается Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» (ст. 20) и постановлением Правительства РФ от 26.08.92 г., в которых утвержден порядок определения платы за загрязнение и ее предельные размеры. В ноябре 1992 г. Минприроды утвердило базовые нормативы платы за загрязнение.

Законом предусматривается три вида платы за загрязнение: выбросы, сбросы вредных веществ в пределах установленных лимитов; выбросы, сбросы вредных веществ сверх установленных норм либо без разрешения компетентных органов; плата за размещение отходов.

Для обеспечения надежного финансирования различных видов природоохранной деятельности в Российской Федерации создается система экологических фондов, включающая Федеральный экологический фонд, соответствующие республиканские (краевые, областные и местные) экологические фонды, страховые фонды окружающей среды, экологические фонды предприятий.

Российское законодательство определяет страхование как отношения по защите имущественных интересов физических и юридических лиц при наступлении предусмотренных событий за счет денежных средств (фондов), которые создаются из уплачиваемых ими страховых взносов. Применительно к Закону РФ о страховании, экологическим страхованием следует считать также отношения, направленные на защиту имущественных интересов граждан и юридических лиц при наступлении экологически неблагоприятных обстоятельств за счет денежных фондов, создаваемых страхователями.

Цель экологического страхования - предоставление страховой защиты имущественных интересов третьих лиц от непреднамеренного и неожиданного загрязнения окружающей среды.

Все вышеперечисленные действия можно назвать экологической политикой государства. Несмотря на большое разнообразие экологических законов в нашей стране, они не в состоянии решить даже малой части экологических проблем. Таким образом, дальнейшее совершенствование государственного регулирования должно заключаться не в увеличении числа законов, а в ужесточении контроля над их исполнением. Также следует постепенно заменять механизмы административного воздействия экономическими механизмами. Эффективность применения именно этого метода уже доказана некоторыми европейскими государствами.

Следует отметить особо высокую действенность государственных методов регулирования загрязнения окружающей среды. Только государство может издать закон, который будет действовать на всей территории страны и, конечно, будет обязателен для исполнения всеми.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

§1. Введение в практическую часть. Понятие кислотности осадков

В теоретической части была рассмотрена проблема загрязнения атмосферы. Были рассмотрены и меры борьбы с загрязнением атмосферы. Однако принятие каких-либо мер невозможно без детального изучения и оценки состояния атмосферы.

В настоящее время употребляют два основных термина, касающихся оценки качества окружающей природной среды: мониторинг и контроль. Мониторинг - система наблюдения, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия. Мониторинг не исключает задачи управления качеством окружающей среды, тогда как контроль подразумевает не только наблюдение и получение информации, но и управление состоянием среды.

Практическая часть этой работы состоит из двух опытов. Первый из них - «измерение осаждения загрязнителей из воздуха» - предполагает измерение количества загрязнителей, которые оседают на поверхность земли за определенный период времени (в данном случае за 4 недели).

Второй опыт предполагает сбор и измерение кислотности осадков.

Мерой кислотности воды служит число ионов водорода на 1 литр воды. Молекулы воды (H2O) обычно диссоциируют на ионы водорода (H+) и гидроксид-ионы (OH-). В пробе чистой воды одна десятимиллионная (10-7) доля молекул воды диссоциирует на ионы водорода и гидроксид-ионы, причем в чистой воде эти ионы присутствуют приблизительно в равных количествах. Раствор с одинаковыми концентрациями ионов водорода и гидроксид-ионов называется нейтральным. Такой раствор не является ни кислым (содержащим большее число водородных ионов), ни основным (содержащим меньшее число водородных ионов).

Дождевую воду нельзя назвать чистой водой; она находится в контакте с двуокисью углерода - естественным компонентом атмосферы - и растворяет ее. При растворении двуокиси углерода в воде образуется слабая угольная кислота. Концентрация ионов водорода относительно молекул воды в незагрязненной дождевой воде, содержащей двуокись углерода, составит примерно одну миллионную долю (10-6), или 1 ион водорода на 1 млн. молекул воды. Таким образом, концентрация водородных ионов в дождевой воде при растворении в ней двуокиси углерода, присутствующей в атмосфере, увеличивается в 10 раз. Именно такое число водородных ионов должно быть характерно для чистой дождевой воды в природных условиях.