Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Забруднення атмосфери призводить до екологічних проблем. Наприклад, при спалюванні викопного палива в атмосферу потрапляють діоксид сірки (SO2) і оксиди азоту. При контакті цих сполук з водою, киснем та іншими речовинами утворюються сірчана і азотна кислоти, які підвищують кислотність дощових опадів. Кислотні дощі сприяють деградації водойм і грунту, пошкоджують рослини, руйнують будівлі, інфраструктуру, скульптури. Забруднення повітря також підвищує інтенсивність евтрофікації-насичення води такими елементами, як азот і фосфор. Це веде до зростання біологічної активності у воді: розмноженню синьо-зелених водоростей або ціанобактерій, деякі з них виділяють небезпечні для здоров'я людей і тварин цианотоксины.

Викиди, які призводять до високих концентрацій SO2, як правило, також призводять до утворення інших SOх. Найбільшими джерелами викидів SO2 є спалювання викопного палива на електростанціях та інших промислових об'єктах

1. Актуальність теми

Проблема забруднення навколишнього середовища з кожним роком все більше загострюється і набуває глобальних масштабів. Викиди діоксиду сірки в світі складають 100 - 150 млн. тонн/рік. Забруднення атмосфери оксидами сірки підвищує рівень захворюваності та смертності населення внаслідок серцево судинних захворювань. Діоксид сірки, потрапляючи в атмосферу, викликає випадання «кислотних дощів». Найбільш перспективним шляхом охорони навколишнього середовища від двоокису сірки є очищення відхідних промислових газів.

2. Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає в розробці адсорбентів діоксиду сірки на основі сполук лужноземельних металів.

Основні завдання дослідження:

  1. Вивчити методи очищення газів від діоксиду сірки
  2. Розглянути рідинні і каталітичні методи поглинання діоксиду сірки.
  3. Проаналізувати твердофазні методи поглинання діоксиду сірки.
  4. Розробка адсорбентів діоксиду сірки на основі сполук лужноземельних металів.

3. Методи очищення газів від діоксиду сірки

3.1 Утворення сірчистого ангідриду

Діоксид сірки виходить при згорянні сірководню, сірки, а також при розігріві різних сульфідів в потоці повітря або кисню. У звичайних умовах діоксид сірки являє собою безбарвний газ з сильним, запахом палаючої сірки. Сірка майже в 2,3 рази важча за повітря. Вона не горить і не підтримує горіння. Молекула двоокису сірки полярна. Вона являє собою рівнобедрений трикутник з атомом сірки в вершині.

Щільність діоксиду сірки при 0°С дорівнює 2,926 кг/м3. Двоокис сірки легко перетворюється на рідину при атмосферному тиску та охолодженні до 10,5 °С. При 72,5 °С SO2 замерзає. Тиск парів сірчистого ангідриду над рідкою фазою становить 1329,3 кН/м2 при 20° З851,13 кН/м2 при 50°С.

Діоксид сірки розчиняється у воді, олеумі та сірчаній кислоті. В одному об'ємі води при 20°С розчиняється близько 40 об'ємів SО2, при цьому виділяється тепло в кількості 34,4 кДж/моль.

Описуючи властивості діоксиду сірки, як речовини, яка забруднює повітря, слід зазначити її здатність окислюватися до SО3. Триоксид сірки у вологому повітрі може перетворюватися на сірчану кислоту. Сонячне світло сприяє перебігу цієї реакції у повітрі, озон, а також каталізуючі речовини. Слід враховувати, що при малих концентраціях SO2 разом з нею в повітрі можуть бути невеликі кількості парів аерозолю сірчаної кислоти, що посилює забруднення повітря.[1].

3.2 Надходження сірчистого ангідриду в атмосферне повітря

Техногенними джерелами надходження оксидів сірки в атмосферу є::

- паливна енергетика, що становить 55%;

- металургійна промисловість, становить 25%;

- очищення та переробка нафти та вугілля, становить 10 %;

- хімічна промисловість, транспорт та інші види господарську діяльність людини, становлять 10 %.

Переважно забруднення атмосфери оксидами сірки відбувається при спалюванні нафти, вугілля, газу, деревини. Сірка у складі палива не є головною складовою. Кількість сірковмісних сполук у вугіллі та нафті може змінюватися від часток до 5-6%, а також залежить від типу його, та від місця видобутку. Сірчистий ангідрид є продуктом згоряння палива.

Важливими джерелами діоксиду сірки також є металургійна промисловість та переробка поліметалевих руд. Метали в рудах знаходяться переважно у формі сульфідів (сфалерит, пірит, цинкова обманка, галеніт), значно менше їх перебуває у формі сульфатів заліза, магнію, кальцію. Сірчистий ангідрид переважає серед інших газоподібних сполук сірки техногенного походження, з різних джерел, це перевищення коливається від 1,5 до 8 разів. Відходи деяких заводів містять 4-10% діоксиду сірки.

Планетарне техногенне надходження сірчистого ангідриду до атмосфери, за різними джерелами, становить середньому 140-290 млн. т на рік. Основна частина його зосереджена в грунті та в біоті, близько 1/3 виноситься в океани. Передбачається, що у XXI столітті викид діоксиду сірки збільшиться у 3-5 разів. 94% викидів SO2 припадає на північну півкулю, де сконцентрована переважно світова промисловість. У Європі головними його джерелами є промислові комплекси Рурського басейну Великої Британії та Німеччини.[2].

Антропогенна емісія оксидів сірки та азоту перевищує природну емісію. Про це свідчать численні орієнтовні оцінки, які отримали різні автори. Абсолютні показники в них не завжди однакові, але містять одну й ту саму закономірність.

Техногенні викиди сірчистого ангідриду впливають не тільки на довкілля з високорозвиненою промисловістю, а й на сусідні країни через транскордонне перенесення. Дальність поширення газів у атмосферному повітрі становить 300-400 км, а деяких випадках може досягати 2000 км. На території багатьох країн Європи до 50 % загальної кількості сірчистих сполук надходить із сусідніх країн. Наприклад, випадання діоксидів сірки в Нідерландах, Люксембурзі, Швейцарії за рахунок транскордонного перенесення досягає до 78 % від їх загальної кількості. У Скандинавських країнах їх надходження з допомогою транскордонного перенесення становить до 63 %. Надходження сірки в атмосферу Росії із сусідніх західних країн становить не менше 40% від загального обсягу антропогенного навантаження. [3].

Надходження з атмосферного повітря на земну поверхню шкідливих речовин, зокрема речовин кислотної природи, відбувається внаслідок процесів сухого і мокрого їх випадання. Мокре осадження кислотних опадів - це основний шлях осадження з атмосфери антропогенних кислотних продуктів. При дефіциті опадів переважає випадання газоподібних та твердих опадів у формі сухого аерозольного осадження. Співвідношення вкладу впливу сухого та мокрого випадання кислотних продуктів може бути різним. Наприклад, у високогірних європейських регіонах надходження речовин кислотної природи до 90% обумовлено мокрими випаданнями сульфат іонів.

Випадання техногенної сірки в індустріально розвинених країнах величезні. На більшій частині європейської території РФ щорічні випадання сірки становлять до 1,0 м22. У східній частині РФ вони не вище 0,5 г м 2, а в індустріальних центрах більше 2 г м2.

Фонові рівні вмісту сірчистого ангідриду в атмосфері становлять 5-10 мкг/м 3. ГДК разового надходження SO2 у повітрі становить 500 мкг/м3, середньодобовий рівень ГДК дорівнює 50 мкг/м3. Тільки на висоті 3-4 км у атмосфері вирівнюється концентрація сірчистого ангідриду. У всіх великих містах за рахунок локальних джерел забруднення цей рівень вмісту діоксиду сірки в атмосфері перевищено.

sera

Малюнок 1 - Надходження сірчистого ангідриду в атмосферне повітря

3.3 Вплив діоксиду сірки на організм людини

У зв'язку з почастішанням випадків смерті та захворювань, пов'язаних із забрудненням атмосфери, органи охорони здоров'я різних держав, почали проявляти особливий інтерес до питань про шкідливий вплив атмосферних забруднень на людський організм. З питання про шкідливу дію невисоких концентрацій діоксиду сірки на людину накопичено небагато даних. Проведені дослідження засновані на концепції, що концентрація сірчистого ангідриду у повітрі, що вдихається, і тривалість цього відіграють важливу роль. Практично будь-яка домішка в повітрі починає проявляти свій шкідливий вплив при її вмісті вище за певну норму. [3].

Питання про шкідливий вплив будь-якої речовини в атмосферному повітрі по суті зводиться до питання про її гранично допустиму концентрацію.

Було вивчено вплив викидів теплоелектростанції на здоров'я людей, які проживають у районах із різною інтенсивністю забруднення атмосферного повітря. Внаслідок чого було встановлено наявність несприятливого впливу викидів на санітарно-побутові умови та здоров'я населення в зоні задимлення за максимальної концентрації SО2 в атмосфері 3,3-4,0 мг/м3 та пилу 2,5-4,6 мг/м3. Загальна кількість скарг та частота захворювань верхніх дихальних шляхів за деякими формами у цій зоні виявилася вдвічі вищою, ніж у відносно чистому районі. В основній групі школярів (зона задимлення) у більшості дітей відзначено знижений вміст гемоглобіну, виявлено наявність SO2 у крові (від слідів до 0,02 мг), висока захворюваність на кон'юнктивіти (13,3 % порівняно з 3,8 % у контрольному районі).

Зокрема, шкідлива дія SО2 посилюється зі зростанням вологості повітря та його запиленості. Дослідження багатьох медичних закладів показали залежність захворюваності від забрудненості повітряного басейну. Переважними виявилися хвороби органів дихання. Встановлено ознаки хронічної інтоксикації двоокисом сірки.

4. Методи і методики проведення експерименту

Методи очищення газових викидів від SO2 прийнято розділяти на «мокрі» та «сухі». Абсорбція діоксиду сірки із застосуванням рідкої фази здійснюється за порівняно низьких температур.

Процеси, засновані на взаємодії газу з твердою фазою, зазвичай протікають при високих температурах. Для очищення димових газів від діоксиду сірки використовують тверді хемосорбенти шляхом їх введення у пилоподібному стані у топки або газоходи теплоенергетичних агрегатів. Як хемосорбенти можуть бути використані вапняк, доломіт або вапно. Для збільшення активності хемосорбентів вводять спеціальні добавки як неорганічних солей. До сухих способів відноситься поглинання діоксиду сірки вуглецевими поглиначами (активне вугілля та напівкокси) при температурі (110 - 150) °С.

Серед газоподібних речовин, що забруднюють атмосферне повітря, одне з головних місць займає сірчистий ангідрид. У звичайних умовах це безбарвний газ із різким дратівливим запахом.

Оксиди сірки при малому вмісті викликають подразнення дихальних шляхів, при вмісті 0,01% відбувається отруєння людей за кілька хвилин. Суміш ЅО2 з іншими газоподібними домішками при тривалому впливі викликає порушення генетичної функції організму. Всі процеси доцільно розділити на два основні класи, що відрізняються за фізичним станом основного реагенту для добування сірчистого ангідриду з газів. Перший клас включає процеси із застосуванням рідкої фази і тому здійснюється при порівняно низьких температурах. До другого класу відносять процеси та методи, засновані на взаємодії між газом та твердою фазою (процеси «сухого» очищення). Тут немає обмежень за температурою основного реагування, яке притаманно процесів «мокрої» очищення, що з температурою випаровування рідкої фази. Кожен з цих класів принципово можливо розподілятися на три основні групи, що відрізняються за характеристиками використання сірчистого ангідриду.

Перша група включає процеси, основною метою яких є лише очищення газів без урахування можливостей утилізації сірчистого ангідриду. Продукти основної взаємодії сірчаного ангідриду з тими чи іншими реагентами є відходом і викидаються. До цієї групи належить перша спроба реально здійснювати сіроочищення димових газів – процес очищення шляхом промивання газів водою.

У цьому процесі основна, найбільша частина ЅО2 безпосередньо розчиняється у воді, а деяка кількість, що утворює при цьому сірчисту кислоту, хімічно реагує із солями Са(НСО3)< sub>2 і Mg(НСО3)2, що містяться у воді, з утворенням СаСОз, МgСО3 та діоксиду вугілля. Основні труднощі водного очищення газів від ЅО2 полягають у великій витраті необхідної води (5000-6000 м3 при 50 °С на 1 т сірки, що уловлюється), яка після промивання газу набуває кислу реакцію. Спуск же кислої води у водойми є не меншою небезпекою з санітарної точки зору, ніж випуск сірчистого газу в атмосферу[4].

До другої групи відносяться так звані циклічні процеси та методи з отриманням сірчистого товарного ангідриду або елементарної сірки. Тут сірчистий ангідрид витягується з газів за допомогою реагентів, які піддаються регенерації та повертаються в цикл для подальшого використання.

Як поглиначі в рідинних циклічних процесах використовуються різні розчини: аміачні, суспензії оксидів металів (MgO, CaO, ZnO) та інші. Регенерація поглиначів у цих процесах здійснюється нагріванням розчину та відгоном SO2 у струмі водяної пари або прожарюванням відфільтрованих малорозчинних сірчанокислих солей у печах [5].

До третьої групи процесів очищення газів від сірчистого ангідриду входять процеси, в яких вилучення сірчистого ангідриду здійснюється спільно з його використанням для отримання нових хімічних речовин. Ця група процесів характеризується тим, що поглинач у процес не повертається, а використовується для реакції із сірчистим ангідридом. З рідинних процесів третьої групи найбільш відомими є методи, при яких як поглинач застосовується аміак, внаслідок чого може здійснюватися виробництво добрив аміачних.

В окрему групу виділяють окисні методи очищення від діоксиду сірки. У цих методах сірчистий ангідрид окислюється киснем, що міститься в димових газах до сірчаного ангідриду в присутності каталізатора. Надалі сірчаний ангідрид взаємодіє з водяними парами з отриманням сірчаної кислоти. Процес закінчується отриманням або сірчаної кислоти як готовий продукт, або сірчанокислої солі (наприклад, сульфату амонію)[6]

Адсорбенти є ефективним засобом для рекуперації та знешкодження діоксиду сірки, причому їх потенційні можливості у цьому напрямі виявлені ще далеко не повністю. Для уловлювання ЅО2 в основному застосовують вугільні пористі речовини. Якщо уловлювання роблять із потоку газу, поглинання діоксиду сірки відбувається за законами фізичної адсорбції та при десорбції активність адсорбенту повністю відновлюється. Однак реальні технологічні та вентиляційні гази в переважній більшості випадків мають кисень.

Адсорбат містить три категорії речовин: фізично адсорбований діоксид сірки, незворотно адсорбовану сірчану кислоту, сірчисті сполуки, міцно пов'язані з вуглецем, які не видаляються при промиванні водою, але можна провести їх екстракцію перекисом водню. Співвідношення між оборотно і необоротно адсорбованим діоксидом сірки залежить від температури адсорбції.

При високих температурах зростає швидкість перетворення діоксиду сірки на сірчану кислоту, внаслідок чого характер зв'язку молекул адсорбату з адсорбентом переважно хімічний, тобто необоротний. Швидкість екстракції сірчаної кислоти залежить від структури активного вугілля. Надмірний розвиток вугілля викликає необхідність збільшення періоду екстракції та витрат промивної води[7]

Висновки

Одним суттєвим забруднювачем атмосфери є діоксид сірки або сірчистий газ - SO2. Забруднення атмосфери оксидами сірки підвищує рівень захворюваності і, потрапляючи до атмосфери, викликає випадання «кислотних дощів». Внаслідок високої активності основна частина SO2 депонується у ґрунті та в біоті, близько 1/3 виноситься в океани.

Розробка та впровадження принципово нових технологічних процесів та систем очищення є нині основним напрямом технічного прогресу та становленням переходу до безвідходного виробництва та безвідходних технологій. Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених проблемам очищення газів від SO2, пошук нових сорбентів є дуже актуальним.

Під час написання даного реферату магістерська робота ще завершено. Остаточне завершення: червень 2023 року. Повний текст роботи та матеріали на тему можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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.