Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Загрязнение атмосферы приводит к экологическим проблемам. Например, при сжигании ископаемого топлива в атмосферу попадают диоксид серы (SO2) и оксиды азота. При контакте этих соединений с водой, кислородом и другими веществами образуются серная и азотная кислоты, которые повышают кислотность дождевых осадков. Кислотные дожди способствуют деградации водоемов и почвы, повреждают растения, разрушают здания, инфраструктуру, скульптуры. Загрязнение воздуха также повышает интенсивность эвтрофикации — насыщения воды такими элементами, как азот и фосфор. Это ведет к росту биологической активности в воде: размножению сине-зеленых водорослей или цианобактерий, некоторые из них выделяют опасные для здоровья людей и животных цианотоксины.

Выбросы, которые приводят к высоким концентрациям SO2, как правило, также приводят к образованию других SOх. Крупнейшими источниками выбросов SO2 являются сжигание ископаемого топлива на электростанциях и других промышленных объектах

1. Актуальность темы

Проблема загрязнения окружающей среды с каждым годом все более обостряется и приобретает глобальные масштабы. Выбросы диоксида серы в мире составляют 100 - 150 млн. тонн/год. Загрязнение атмосферы оксидами серы повышает уровень заболеваемости и смертности населения вследствие сердечнососудистых заболеваний. Диоксид серы, попадая в атмосферу, вызывает выпадение «кислотных дождей». Наиболее перспективным путем охраны окружающей среды от двуокиси серы является очистка отходящих промышленных газов.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы состоит в разработке адсорбентов диоксида серы на основе соединений щелочноземельных металлов.

Основные задачи исследования:

  1. Изучить методы очистки газов от диоксида серы
  2. Рассмотреть жидкостные и каталитические методы поглощения диоксида серы.
  3. Проанализировать твердофазные методы поглощения диоксида серы.
  4. Разработка адсорбентов диоксида серы на основе соединений щелочноземельных металлов.

3. Методы очистки газов от диоксида серы

3.1 Образование сернистого ангидрида

Диоксид серы получается при сгорании сероводорода, серы, а также при разогреве различных сульфидов в потоке воздуха или кислорода. В обычных условиях диоксид серы являет собой бесцветный газ с сильным, запахом горящей серы. Сера почти в 2,3 раза тяжелее воздуха. Она не горит и не поддерживает горения. Молекула двуокиси серы полярная. Она представляет собой равнобедренный треугольник с атомом серы в вершине.

Плотность диоксида серы при 0°С равна 2,926 кг/м3. Двуокись серы легко превращается в жидкость при атмосферном давлении и охлаждении до 10,5 °С. При 72,5 °С SO2 замерзает. Давление паров сернистого ангидрида над жидкой фазой составляет 1329,3 кН/м2 при 20°С и 851,13 кН/м2 при 50°С.

Диоксид серы растворяется в воде, олеуме и серной кислоте. В одном объеме воды при 20°С растворяется около 40 объемов SО2 при этом выделяется тепло в количестве 34,4 кДж/моль.

Описывая свойства диоксида серы, как вещества, которое загрязняет воздух, следует отметить ее способность окисляться до SО3. Триоксид серы во влажном воздухе может превращаться в серную кислоту. Солнечный свет способствует протеканию этой реакции в воздухе, озон, а также катализирующие вещества. Следует учитывать, что при малых концентрациях SO2 вместе с ней в воздухе могут присутствовать небольшие количества паров аэрозоля серной кислоты, что усугубляет загрязнение воздуха.[1].

3.2 Поступление сернистого ангидрида в атмосферный воздух

Техногенными источниками поступления оксидов серы в атмосферу являются:

- топливная энергетика, составляет 55 %;

- металлургическая промышленность, составляет 25 %;

- очистка и переработка нефти и угля, составляет 10 %;

- химическая промышленность, транспорт и другие виды хозяйственной деятельности человека, составляют 10 %.

Преимущественно загрязнение атмосферы оксидами серы происходит при сжигании нефти, угля, природного газа, древесины. Сера в составе топлива не является главной составной частью. Количество серосодержащих соединений в угле и нефти может меняться от долей до 5-6 % , а также зависит от типа его, и от места добычи. Сернистый ангидрид является продуктом сгорания топлива.

Важными источниками диоксида серы также являются металлургическая промышленность и переработка полиметаллических руд. Металлы в рудах находятся преимущественно в форме сульфидов (сфалерит, пирит, цинковая обманка,галенит), значительно меньше их находится в форме сульфатов железа, магния, кальция. Сернистый ангидрид преобладает среди других газообразных соединений серы техногенного происхождения, по разным источникам, это превышение колеблется от 1,5 до 8 раз. Отходы некоторых заводов содержат 4-10 % диоксида серы.

Планетарное техногенное поступление сернистого ангидрида в атмосферу, по разным источникам, составляет в среднем 140-290 млн. т в год. Основная часть его сосредоточена в почве и в биоте, около 1/3 выносится в океаны. Предполагается, что в XXI веке выброс диоксида серы увеличится в 3-5 раз. 94 % выбросов SO2 приходится на северное полушарие, где сконцентрирована преимущественно мировая промышленность. В Европе главными его источниками являются промышленные комплексы Рурского бассейна Великобритании и Германии [2].

Антропогенная эмиссия оксидов серы и азота превышает природную эмиссию. Об этом свидетельствуют многочисленные ориентировочные оценки, которые получили разные авторы. Абсолютные показатели в них не всегда одинаковы, но содержат одну и ту же закономерность.

Техногенные выбросы сернистого ангидрида влияют не только на окружающую среду с высокоразвитой промышленностью, но и на соседние страны из-за трансграничного переноса. Дальность распространения газов в атмосферном воздухе составляет 300-400 км, а в некоторых случаях может достигать 2000 км. На территории многих стран Европы до 50% общего количества сернистых соединений поступает из соседних стран. Например, выпадение диоксидов серы в Нидерландах, Люксембурге, Швейцарии за счет трансграничного переноса достигает до 78 % от их общего количества. В Скандинавских странах их поступление за счет трансграничного переноса составляет до 63 %. Поступление серы в атмосферу России из соседних западных стран составляет не менее 40 % от общего объема антропогенной нагрузки [3].

Поступление из атмосферного воздуха на земную поверхность вредных веществ, в том числе веществ кислотной природы, происходит в результате процессов сухого и мокрого их выпадения. Мокрое осаждение кислотных осадков это основной путь осаждения из атмосферы антропогенных кислотных продуктов. При дефиците осадков преобладает выпадение газообразных и твердых осадков в форме сухого аэрозольного осаждения. Соотношение вклада влияния сухого и мокрого выпадения кислотных продуктов может быть различным. Например, в высокогорных европейских регионах поступление веществ кислотной природы до 90 % обусловлено мокрыми выпадениями сульфат ионов.

Выпадения техногенной серы в индустриально развитых странах огромны. На большей части европейской территории РФ ежегодные выпадения серы составляют до 1,0 г/м2. В восточной части РФ они не выше 0,5 г/м2, а в индустриальных центрах больше 2 г/м2.

Фоновые уровни содержания сернистого ангидрида в атмосфере составляют 5-10 мкг/м3. ПДК разового поступления SO2 в воздухе составляет 500 мкг/м3, среднесуточный уровень ПДК равен 50 мкг/м3. Только на высоте 3-4 км в атмосфере выравнивается концентрация сернистого ангидрида. Во всех крупных городах за счет локальных источников загрязнения этот уровень содержания диоксида серы в атмосфере превышен.

sera

Рисунок 1 - Поступление сернистого ангидрида в атмосферный воздух

3.3 Влияние диоксида серы на организм человека

В связи с учащением случаев смерти и заболеваний, которые связанны с загрязнением атмосферы, органы здравоохранения различных государств, начали проявлять особый интерес к вопросам о вредном влиянии атмосферных загрязнений на человеческий организм. По вопросу о вредном действии невысоких концентраций диоксида серы на человека накоплено немного данных. Проведенные исследования основаны на концепции, что концентрация сернистого ангидрида во вдыхаемом воздухе и продолжительность этого играют важную роль. Практически любая примесь в воздухе начинает проявлять свое вредное воздействие при ее содержании выше определенной нормы [3].

Вопрос о вредном влиянии любого вещества в атмосферном воздухе по существу сводится к вопросу о его предельно допустимой концентрации.

Было изучено влияние выбросов теплоэлектростанции на здоровье людей, проживающих в районах с различной интенсивностью загрязнения атмосферного воздуха. В результате чего было установлено наличие неблагоприятного влияния выбросов на санитарно-бытовые условия и здоровье населения в зоне задымления при максимальной концентрации SО2 в атмосфере 3,3-4,0 мг/м3 и пыли 2,5-4,6 мг/м3. Общее число жалоб и частота заболеваний верхних дыхательных путей по некоторым формам в этой зоне оказалась в два раза выше, чем в относительно чистом районе. В основной группе школьников (зона задымления) у большинства детей отмечено пониженное содержание гемоглобина, выявлено наличие SO2 в крови (от следов до 0,02 мг), высокая заболеваемость конъюнктивитами (13,3% по сравнению с 3,8% в контрольном районе).

В частности, вредное действие SО2 усиливается с возрастанием влажности воздуха и его запыленности.Исследования многих медицинских учреждении показали зависимость заболеваемости от загрязненности воздушного бассейна.Преобладающими оказались болезни органов дыхания. Установлены признаки хронической интоксикации двуокисью серы.

4. Методы и методики проведения эксперимента

Методы очистки газовых выбросов от SO2 принято разделять на «мокрые» и «сухие». Абсорбция диоксида серы с применением жидкой фазы осуществляется при сравнительно низких температурах.

Процессы, основанные на взаимодействии газа с твердой фазой, протекают обычно при высоких температурах. Для очистки дымовых газов от диоксида серы используют твердые хемосорбенты путем их введения в пылевидном состоянии в топки или газоходы теплоэнергетических агрегатов. В качестве хемосорбентов могут быть использованы известняк, доломит или известь. Для увеличения активности хемосорбентов вводят специальные добавки в виде неорганических солей. К сухим способам относится поглощение диоксида серы углеродными поглотителями (активные угли и полукоксы) при температуре (110 - 150) °С.

Среди газообразных веществ, загрязняющих атмосферный воздух, одно из главных мест занимает сернистый ангидрид. В обычных условиях это бесцветный газ с резким раздражающим запахом.

Оксиды серы при малом содержании вызывают раздражение дыхательных путей, при содержании 0,01 % происходит отравление людей за несколько минут. Смесь ЅО2 с другими газообразными примесями при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. Все процессы целесообразно разделить на два основных класса, отличающихся по физическим состоянием основного реагента для добывания сернистого ангидрида из газов. Первый класс включает в себя процессы с применением жидкой фазы и поэтому осуществляется при сравнительно низких температурах. Ко второму классу относят процессы и методы, основанные на взаимодействии между газом и твердой фазой (процессы «сухой» очистки). Здесь нет ограничений по температуре основного реагирования, которое характерно для процессов «мокрой» очистки, связанного с температурой испарения жидкой фазы. Каждый из этих классов принципиально может быть распределяться на три основные группы, отличающиеся по характеристикам использования сернистого ангидрида.

Первая группа включает процессы, основной целью которых является только очистка газов без учета возможностей утилизации сернистый ангидрид. Продукты основного взаимодействия серного ангидрида с теми или иными реагентами здесь является отходом и выбрасываются. К этой группе относится первая попытка реально осуществлять сероочистку дымовых газов - процесс очистки путем промывки газов водой.

В этом процессе основная, самая большая часть ЅО2 непосредственно растворяется в воде, а некоторое количество, что образует при этом сернистую кислоту, химически реагирует с солями Са(НСО3)2 и Mg(НСО3)2, содержащихся в воде, с образованием СаСОз, МgСО3 и диоксида угля. Основные трудности водной очистки газов от ЅО2 заключаются в большом расходе необходимой воды (5000-6000 м3 при 50 °С на 1 т улавливаемой серы), которая после промывки газа приобретает кислую реакцию. Спуск же кислой воды в водоемы представляет собой не меньшую опасность с санитарной точки зрения, чем выпуск сернистого газа в атмосферу.[4].

Ко второй группе относятся так называемые циклические процессы и методы с получением товарного сернистого ангидрида или элементарной серы. Здесь сернистый ангидрид извлекается из газов с помощью реагентов, которые подвергаются регенерации и возвращаются в цикл для дальнейшего использования.

В качестве поглотителей в жидкостных циклических процессах используются различные растворы: аммиачные, суспензии оксидов металлов (MgO, CaO, ZnO) и другие. Регенерация поглотителей в этих процессах осуществляется нагреванием раствора и отгонкой SO2 в токе водяного пара или прокаливанием отфильтрованных малорастворимых сернокислых солей в печах .[5].

К третьей группе процессов очистки газов от сернистого ангидрида входят процессы, в которых извлечение сернистого ангидрида осуществляется совместно с его использованием для получения новых химических веществ. Эта группа процессов характеризуется тем, что поглотитель в процесс не возвращается, а используется для реакции с сернистым ангидридом. Из жидкостных процессов третьей группы наиболее известными являются методы, при которых как поглотитель применяется аммиак, вследствие чего может быть осуществляемое производство аммиачных удобрений.

В отдельную группу выделяют окислительные методы очистки от диоксида серы. В этих методах сернистый ангидрид окисляется кислородом, который содержится в дымовых газах до серного ангидрида в присутствии катализатора. В дальнейшем серный ангидрид взаимодействует с водяными парами с получением серной кислоты. Процесс заканчивается получением или серной кислоты в качестве готового продукта, или сернокислой соли (например, сульфата аммония).[6]

Адсорбенты являются эффективным средством для рекуперации и обезвреживания диоксида серы, причем их потенциальные возможности в этом направлении выявлены еще далеко не полностью. Для улавливания ЅО2 в основном применяют угольные пористые вещества. Если улавливание делают из потока газа, поглощение диоксида серы происходит по законам физической адсорбции и при десорбции активность адсорбента полностью восстанавливается. Однако реальные технологические и вентиляционные газы в подавляющей большинстве случаев имеют кислород.

Адсорбат содержит три категории веществ: физически адсорбированный диоксид серы, необратимо адсорбированную серную кислоту, сернистые соединения, прочно связанные с углеродом, которые не удаляются при промывке водой, но можно провести их экстракцию перекисью водорода. Соотношение между обратимо и необратимо адсорбированным диоксидом серы зависит от температуры адсорбции.

При высоких температурах возрастает скорость превращения диоксида серы в серную кислоту, в результате чего характер связи молекул адсорбата с адсорбентом преимущественно химический, то есть необратимый. Скорость экстракции серной кислоты зависит от структуры активных углей. Чрезмерное развитие угля вызывает необходимость увеличения периода экстракции и расходов промывной воды.[7]

Выводы

Одним существенных загрязнителей атмосферы является диоксид серы или сернистый газ - SO2. Загрязнение атмосферы оксидами серы повышает уровень заболеваемости и, попадая в атмосферу, вызывает выпадение «кислотных дождей». Вследствие высокой активности основная часть SO2 депонируется в почве и в биоте, около 1/3 выносится в океаны.

Разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем очистки является сейчас основным направлением технического прогресса и становлением перехода к безотходному производству и безотходным технологиям. Несмотря на большое количество работ посвященных проблемам очистки газов от SO2, поиск новых сорбентов является весьма актуальным.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Лазарев, Н.В. Вредные вещества в промышленности – Л.: Химия, 1997. – 592с.
  2. Рихтер, Л.А.Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций – М.: Энергоиздат. – 1981. – 296 с.
  3. Баркер, К.Загрязнение атмосферного воздуха / К.Банкер, Ф.Кеби. – М.: 1962 – 243с.
  4. Альтшулер, В.С. Высокотемпературная очистка газов от сернистых соединений / В.С. Альтшулер, А.А. Гаврилова. – М.: Наука, - 1976. – 243с.
  5. Носков, А.С. Воздействия ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба / А.С. Носков, Н.А. Савинкина, Л.Я. Аниценко // Институт катализа. – Новосибирск, - 1990. – 320с .
  6. Алиев, Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
  7. Патент РФ № 2164445, 20.05.1997 Сорокин И. И., Красий Б.В., Зеленцов Ю. Н., Порублев М.А. Адсорбент для очистки газов от серы и способ его приготовления.1997.