Короткі теоретичні відомості. Відомо більш 500 забруднювачів повітря

Відомо більш 500 забруднювачів повітря. Основні забруднювачі: оксид вуглецю, діоксид сірки, оксиди азоту, вуглеводні, сірководень, сполуки свинцю, пил та ін. Більш 200 токсичних компонентів містять вихлопні гази, у тому числі вуглеводні (максимально - алкани, близько 50%, алкени та алкадієни – 30-35%, ароматичні – 10%, альдегіди - 5% та ін.), які мають депресивний, наркотичний вплив на людину. Ці токсичні компоненти здатні накопичуватися в жировій тканині.

Оксид вуглецю (СО) взаємодіє з гемоглобіном крові, з утворенням комплексної сполуки, яка нездатна переносити кисень до тканин, а також сприяє відкладенню ліпідів (жирових бляшок) на стінках коронарних судин.

Діоксид вуглецю (СО₂) не є токсичним, але збільшення його концентрації в повітрі на 13% порушує тепловий баланс, викликаючи "парниковий ефект" (СО₂ пропускає сонячну радіацію, але затримує ІЧ-промені, що викликає розігрів - "ефект оранжереї").

Діоксид сірки (SO₂) – має подразнюючу дію (150 млн. т/ рік, 70 кг на 1 м², локальний вміст SO₂ може бути вище в 10³ разів і більше).

Діоксид азоту (NO₂) – викликає отіки легенів, порушення центральної нервової системи.

Діоксиди сірки й азоту сприяють фотохімічному смогу (розрізняють три види смогу: вологий – осінньо-зимовий "Лондонський", фотохімічний ("Лос-Анджелеський") літній; крижаний ("Гренландський"), зимовий), обумовлюють “кислотні” дощі (за кислотністю наближаються до кислотності помідорів, тоді як раніше ця величина відповідала кислотності картоплі). У результаті зменшується родючість ґрунтів, сповільнюється ріст рослин, накопичуються нітрати в ґрунті, підвищується агресивність повітряного середовища як корозійного агента. Подвоєння забруднення атмосферного повітря в 1.5 рази скорочує термін служби устаткування, металоконструкцій. Наприклад, проводи зв'язку в сільській місцевості служать 40-60 років, тоді як у промислових містах – 3-4 роки.

Сірководень (Н₂S) - клітинна і ферментна отрута, у декілька разів більш токсичний, ніж діоксид сірки.

Свинець (Pb) і його сполуки – подавляють дію ферментів окислювально-відновних процесів, викликає злоякісні пухлини – канцероген (бластомоген) сприяє "розсіяному" склерозу, має мутагенну дію і негативний вплив на репродуктивну функцію людини. Відноситься до надзвичайно токсичних речовин, входить у так звану "велику трійку" – свинець, ртуть, кадмій.

За ступенем небезпеки (ГОСТ 12.1.007-88) шкідливі речовини (ШР), які містяться в повітрі, поділяються на чотири класи (табл.. 1.1).

Таблиця 1.1 – Класи небезпеки ШР у повітрі

За санітарно-гігієнічними вимогами та характером дії на людину розрізняють шість груп ШР:

1) Загальнотоксичної дії: оксид вуглецю CO, синильна кислота (HCN), миш'як (As), свинець (Pb), ртуть (Hg), бензол, ацетон;

2) подразнюючої дії: кислі гази: SO₂, НСl, а також хлор (Сl₂), аміак;

З) сенсибілізуючої дії (алергени): формальдегід, розчинники, нітролаки, сполуки ртуті;

4) канцерогенної дії: бензпірен, тетраетилсвинець, ртуть, нікель, свинець, молібден, цинк, берилій та їх сполуки, оксид хрому (VI) CrO₃, пил азбесту, аміни, бітуми, мазут;

5) мутагенної дії (діють на генетичний апарат, викликають мутації): свинець, марганець, радій, уран, оксид етилену, гідроксиламін, формальдегід;

6) негативно впливають на репродуктивну функцію: бензол, сірковуглець (СS₂), свинець, сурьма, марганець, деякі з отрутохімікатів (пестицидів).

За характером впливу аерозолів пилу розрізняють:

1) фіброгенні – викликають захворювання дихальних органів – пневмоконіози (силікози, металоконіози) ГДК = 1...6 мг/м³ (3-й - 4-й клас небезпеки);

2) подразнюючі (3-й клас небезпеки);

З) токсичні (1-й - 2-й клас небезпеки).

За розміром часток пил поділяється на крупнодисперсний (більше 50 мкм), середньодисперсний (50...10 мкм) і дрібнодисперсний (менше 10 мкм). Найбільш небезпечні дуже дрібнодисперсні частинки (менше 1 мкм) із гачкоподібною, загостреною формою.

Для оцінки стану чистоти повітря (ГОСТ 12.1.005-88) встановлюють ГДК ШР. Це максимальна концентрація (мг/м³) ШР у повітрі, періодичний чи постійний цілодобовий вплив якої (прямо або опосередковано через екологічні системи) на організм людини, тварин і рослин не викликає загрози здоров’ю, захворювань, ніяких відхилень у нормальному функціонуванні живих організмів протягом усього життя цього і наступних поколінь. Для повітря робочої зони підприємств установлені ГДК_рз, що значно перевищують ГДК ШР в атмосферному повітрі населеного пункту. Для останнього встановлено два нормативи: 1) максимально разова ГДК _мр – максимальна концентрація ШР в атмосферному повітрі від багатократних проб (ГОСТ 17.2.6.01-86), характеризує обмежену за часом дію ШР на людину (@ 20 хв.); 2) середньодобова ГДК_сд – середньоарифметичне значення разових концентрацій, характеризує тривалу дію ШР на людину (@ доба).

За величинами ГДК їх можна розташувати в такий ряд:

ГДК_рз»ГДК_мр >ГДК_сд (1.1)

Найбільша концентрація ШР у приземному шарі не повинна перевищувати максимально разову ГДК.

С_приз+С_фон£ГДК_мр (1.2)

При одночасній присутності в атмосферному повітрі декількох ШР, які мають сумарну дію (діоксид сірки й азоту; оксид вуглецю і діоксид азоту; ацетон і фенол; валеріанова, капронова і масляна кислоти; аерозолі ванадієвого ангідриду та оксидів марганцю; оксид вуглецю, діоксид сірки і сірководень та ін.) повинна виконуватись умова:

SС_і/ГДК_і ≤ 1 (1.3)

де С_і – фактичні концентрації різних ШР в атмосферному повітрі, мг/м³.

Якщо в повітрі містяться декілька забруднюючих компонентів, наприклад SO₂, CO і H₂S, відомі концентрації SO₂, H₂S, то можна визначити максимальну безпечну концентрацію оксиду вуглецю:

С_co=[1-(C_SO2/ГДК_SO2+C_Н2S/ГДК_H2S)]ГДК_CO (1.4)

Виходячи з ГДК можна вирішити задачу про можливий безпечний вміст ШР при даних розмірах приміщення. Наприклад, максимальний безпечний вміст берилію (ГДК = 10^-3 мг/м³, 1-й клас небезпеки) у робочому приміщенні обсягом 30х10х4 = 1200 м³, буде складати 1,2 мг.

Якщо абсолютна кількість шкідливих викидів невелика і необхідна кількість розріджувача – чистого повітря – порівнянно зі шкідливими викидами, то викиди розбавляють до норми ГДК, після чого вони можуть бути викинуті в атмосферу. У цьому випадку потрібно визначити коефіцієнт розведення К_р:

К_р=С_i/ГДК_i (1.5)

C_i – фактична концентрація ШР, мг/м³; ГДК – середньодобова ГДК. Знаючи К_p, розраховують потрібний обсяг V_p чистого повітря: V_p= K_p-1 (для розведення 1 м³ викиду). Сумарний обсяг викиду з врахуванням розріджувача на одиницю об'єму первинного викиду:

SV=К_р (1.6)

У практичних розрахунках, необхідний обсяг розріджувача визначають з врахуванням обсягу первинного викиду V₁:

V_p=V₁(K_p-1) (1.7)

Тоді сумарний обсяг викиду з врахуванням розведення буде:

åV=V₁^.K_p (1.8)

Якщо у викиді є декілька шкідливих речовин, розрахунок ведуть так:

1) визначають безрозмірну сумарну концентрацію:

q= (1.9)

2) приймають К_р=q

3)при К_р>1; V_p=К_р–1; V_p= V₁(K_p–1); åV=V₀^.Kp

Поряд із ГДК важливе значення в забезпеченні чистоти повітряного басейну має регулювання і нормування гранично допустимих викидів (ГДВ). Встановлено нормативи для стаціонарних і пересувних джерел забруднення. Відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТУ 17.2.1.01-87 викиди в атмосферу класифікують:

1) за агрегатним станом – А (газоподібні), К (рідкі) і Т (тверді);

2) за хімічним складом: цифровий код;

3) за розміром частинок (мкм) – п'ять класів: 1-й – менше 0.5;

2-й – 0.5...3; 3-й – 3...10; 4-й – 10...50; 5-й – 50 і більше;

5) за масою речовини - інтенсивністю викиду (кг/год) - на чотири класи: 1-й – менше 1, 2-й – 1...10, 3-й – 10...100, 4-й – 100...1000.

Структура побудови умовної позначки викидів:

Допустимий вміст пилу у вентиляційних викидах підприємств (мг/м³) регламентують будівельні норми і правила (СНиП-33-75): при кількості повітря, що видаляється

L > 15000 м³/год, С_доп =100^.К, при

L < 15000 м³/год, С_доп=(160 – 4^.10^-3L)К,

де L – об`єм повітря, що видаляється, м³/год;

K-коефіцієнт, який залежить від ГДК пилу в повітрі робочої зони виробничих приміщень:

К 0.3 0.6 0.8 1.0

ГДК, мг/м³ <2 2...4 4...6 >6

Отже, за допомогою коефіцієнта К враховується токсичність пилу. У виняткових випадках (коли об'єктивно не можна встановити ГДВ) діють тимчасово погоджені викиди (ТПВ), з терміном перегляду не рідше чим через кожні 5 років (ГОСТ 17.2.3.02-87). ТПВ вводяться в дію з дозволу Держкомприроди, МОЗ і Держкомгідромету України.

При розрахунках розсіювання шкідливих домішок в атмосфері визначають максимальну концентрацію ШР (по осі факелу):

С_м=235^.М/(V^.H²), г/м³ (1.10)

де М – викид, г/с; V– швидкість руху повітря, м/с; Н – висота труби, м.

Крім цього, розраховують відстань Х_м (м) від джерела викиду, де спостерігається максимальна концентрація ШР, а також ГДВ.

Для контролю якості повітря передбачені три категорії постів спостереження: стаціонарний, маршрутний і пересувний (підфакельний). Мінімальне число стаціонарних постів: при 50 тис. населення – 1, до 100 тис. – 2; 200 тис. – 3, до 500 тис. – 5, до 1 млн. – 10, до 2 млн. – 15, вище 2 млн. – I5...20.

Для оцінки забруднення атмосферного повітря ШР використовують три основні групи методів: лабораторні (аналітичні), експресні та автоматичні (найбільш перспективні). Відповідно до вимог стандартів визначають вміст пилу, діоксиду сірки, оксиду вуглецю, діоксиду азоту і ряд специфічних речовин, притаманних промисловим викидам даного населеного пункту.

Вміст пилу в повітрі визначають прямим та непрямим способом, прямий спосіб використовує гравіметричний метод визначення завислих часток пилу в повітрі (ГОСТ 17.2.4.05-87). При непрямих способах застосовують фізичні та фізико-хімічні методи: хроматографія, радіоізотопні, оптичні (фотометрія, нефелометрія), електрохімічні (кулонометрія, кондуктометрія). Вони використовуються в системах автоматизованого спостереження і контролю НС – АСКНС-А. Чутливість методів визначення в цьому випадку підвищується до 4^.10^-3 мкг речовини в пробі.

Для експресного аналізу газів застосовують універсальні газоаналізатори (УГ-2, ГХ-4 та ін.).

Останнім часом для оперативного контролю забруднення повітря великих міст застосовується лазерна локація як дистанційний метод у системі АСКЗ-А (автоматизовані системи контролю забруднення атмосфери). В основі методу лежить здатність забруднювачів розсіювати електромагнітні хвилі. Метод дає можливість визначати забруднення по висоті від 20...100 м до 40...50 км, а радіус лазерної локації складає декілька кілометрів (по горизонталі 3...10 км з одного посту), при концентрації забруднювачів 10^-3...10 мг/м³.

Система спостереження, контролю, прогнозування і керування якості атмосферного повітря називається атмосферним екологічним моніторингом.

З метою зменшення забруднення атмосферного повітря пилом та іншими шкідливими домішками на всіх промислових підприємст­вах існує певна система очистки від забруднювачів. Усі методи очистки можна розподілити на три групи: механічні, фізико-хімічні, фізичні й хімічні (рис. 1.1).

Вибір методу очистки залежить від кількості відхідних газів та їх­нього складу. Механічні методи застосовують для очищення вентиляцій­них та інших газових викидів, ефективність цих методів невисока.

Вибираючи систему пиловловлювання, слід враховувати швидкість газо­вого потоку, вміст пилу та його фізико-хімічні властивості, розмір часток і наявність водяної пари. Існує два види пиловловлювання: сухе і мокре. З еко­логічного й економічного погляду досконалішими є сухі пиловловлювачі. Вони дають змогу повернути у виробництво вловлений пил цінних продуктів, тоді як при мокрому утворюються водяні суспензії, переробка яких потребує більших матеріаль­них затрат. Недоліком сухого пилоочищення є те, що воно забезпечує висо­кий ступінь очищення тільки у разі малої запиленості відхідних газів.

Механічне сухе пиловловлювання здійснюють в осаджувальних каме­рах, циклонних сепараторах, механічних фільтрах. В осаджувальних камерах очищають гази з грубодисперсними часточками пилу розміром від 50 до 500 мкм і більше (рис. 1. 2, а). Ефективнішою є осаджувальна камера Говарда (рис. 1.2, б), в якій газовий потік розбивається горизонтальними пластинами на окремі секції. Незважаючи на незначний аеродинамічний опір і невисоку вартість, ці апарати застосовують рідко через труднощі їх очищення. З них відхідні гази направляють в інші, ефективніші апарати для подальшого очищення.

Значно поширеніші циклонні сепаратори (рис. 1.3). У них запилений газ, обертається по спіралі, а часточки пилу відкидаються на стінки апарату З, 4, звідки вони потрапляють у пилоосаджувальну камеру 5. Циклонні сепаратори ефективно очищають гази, що містять часточки розміром не менш як 25 мкм.

Коефіцієнт корисної дії циклонів залежить від концентрації пилу і розмірів його часток. Середня ефективність знепилення газів у циклонах становить 78—86 % для пилу розміром З0—40 мкм. Основний недолік циклонів – значне абразивне спрацювання частин апарата пилом. Тому ці частини вкривають синтетичними матеріалами або зносостійкими сплавами, що здорожує конструкцію апарата. Циклони використовують для очищення запилених газів і повітря в різних галузях промисловості.

Для тонкого очищення газів від пилу використовують електрофільтри (рис. 1.4). Крім пилу вони можуть також очищати гази від аеро- та гідро­золів, тобто вловлювати більш дисперговані часточки. Електрофільтр складається з коронувального (негативного) 2 і осаджувального 1 (позитивного) електродів. Останній виготовляють у вигляді трубки або пластини. Електрофільтр живиться постійним струмом високої напруги (50— 100 кВ). При напруженості електричного поля між електродами 15 кВ/см повітря іонізується і створює позитивні та негативні заряди. Заряджені частинки осідають на часточки пилу, внаслідок чого вони рухаються до протилежно заряджених електродів і осідають на них. У сухих електрофільтрах для очищення поверхні електродів від пилу використовують струшувальні пристрої 5 ударно-молоткового типу. Електрофільтри застосовуються для очистки значних об'ємів повітря, газів від пилу з розміром часточок 0,01–100 мкм за температури газів до 500 °С. Фільтри ефективно працюють при невеликих газових потоках, досягаючи ступеня очищення 99,9 %.

До фізичних методів відноситься і електромагнітна очистка – від феромагнітних часточок металів (Fe, Ni, Co), h=0,95-0,99; від парамагнітних (Ті, V та ін.) та діамагнітних часточок металів (Al, Cu) очистити повітря цим методом не можливо.

Для пожежо- та вибухонебезпечних сумішів газів, пилу використовують тільки мокру очистку. У мокрих пиловловлювачах запилений газ зрошується рідиною або контактує з нею. Найпростішою конструкцією є промивна башта, заповнена кільцями Рашига, скловолокном або іншими матеріалами. До апаратів такого типу належать скрубери та труби Вентурі. Часто для видалення шламів, що утворюються, труби Вентурі доповнюють циклонами. На рис. 1.5 зображено порожнистий форсунковий скрубер. Це циліндрична (або прямокутна) башта, виготовлена з металу, цегли чи залізобетону. Скрубери працюють за принципом протитечії: газ рухається знизу вгору, а поглинальна рідина (частіше вода) розпилюється форсунками згори вниз. Швид­кість газу в скруберах — 1,0—1,5 м/с. Ефективність очищення газів зале­жить вій змочуваності пилу і досягає 96—98 %. Для вловлювання важко-змочуваного пилу, наприклад вугільного, у воду добавляють поверхне­во-активну речовину (ПАР). Скрубери можна застосовувати для холодних і гарячих газів, які не містять токсичних речовин (кислот, хлору тощо), оскільки вони видаляються в атмосферу разом з очищеним газом у вигляді туману.

Недоліком мокрого очищення газів є те, що вловлений пил перетворюється на мокрий шлам. Для видалення останнього потрібно будувати шламову кана­лізацію, що здорожує конструк­цію. Мокрі пиловловлювачі ти­пу труби Вентурі характери­зуються значними витратами електроенергії для подавання й розбризкування води, особливо для уловлювання пилу з розмі­ром часточок менш як 5 мкм. Під час очищення деяких газів можлива лужна або кислотна корозія. Значно погіршуються умови розсію­вання через заводські труби відхідних газів, зволожених під час очищення в апаратах цього типу.

В апаратах інерційного пиловловлювання очистка здійснюється за рахунок інерційних сил, що виникають при зміні швидкості та напрямку потоку (рис. 1.6). Часточки пилу за інерцією вдаряються об поверхню, осаджуються і через розвантажувальний пристрій видаляються з апара­та. Усередині апаратів розміщені пластини або кільця, об які вдаряється газ. Зверху апарати можуть зрошуватися водою. Тоді пил з них видаля­ється у вигляді шламу.

Ультразвукові апарати використовують для підвищення ефективності роботи циклонів або рукавних фільтрів. Ультразвук сприяє адгезії і за­кріпленню часточок пилу на поверхні апарату. Ці апарати ефективні у разі високої концен­трації пилу в очищуваному газі. Для збільшення ефективності роботи апа­рата його зрошують водою. Такі апарати в комплексі з циклоном засто­совують для уловлювання сажі, туману різних кислот тощо.

До фізико-хімічних методів очищення газових викидів належать абсорбція і адсорбція. Абсорбція — це процес хімічного осадження або зв'язування забруднювальних речовин під час пропускання очищуваного газу крізь рідкий поглинач. Апарати для такого очищення називають аб­сорберами. В цих апаратах очищуваний газ і абсорбувальна рідина руха­ються назустріч один одному. Абсорбцію застосовують для очищення по­вітря і відхідних газів, що містять токсичні забруднення — кислотні тума­ни, оксиди вуглецю (II) – СО, сірки (ІV) – SO₂, ціанідну або оцтову кислоти, оксиди азоту, різні розчинники тощо. Як поглиначі використовують суспензії, що містять оксиди магнію і кальцію або вапняк, розчини карбонатів, фосфатів, а також органічні – моноетаноламін (NH₂–CH₂–CH₂OH):_:

СаО +2 NО₂+О ® Са(NO₃)₂ (1.11)

МgО + SО₂ ® МgSО₃ (1.12)

СаО + SО₂ ® СаSО₃ (1.13)

СаСОз + 2НС1 ® СаС1₂ + Н₂О + СО₂­ (1.14)

СаО + СО₂ ®СаСО₃ (1.15)

Ефективність очищення становить 90—95 %. Шлами після очищення можуть використовуватись для подальшого перероблення й отримання цінних продуктів. Недоліком цих апаратів є ускладнення процесу видалення шламів у разі утворення важкорозчинних речовин.

Адсорбційний метод очищення газів використовує явище – адсорбцію. Це концентрування ШР на поверхні твердого тіла (адсорбенту). ШР в адсорбованому стані – називаються адсорбатом. Адсорбція відбувається за рахунок сил електростатичної природи (сили Ван-дер-Ваальса). Енергія зв’язку незначна: Е=8-12 кДж/моль. Це так звана фізична адсорбція, при підвищенні температури ШР легко десорбують. У техніці використо­вують тверді адсорбенти з сильнорозвинутою внутрішньою поверхнею. Найчастіше як адсорбент використовують активоване вугілля, силікагель та глини, що мають велику поверхню. Один грам активованого вугілля має поверхню близько 5 км². Вилучені з очищуваних газів речовини - адсорбтиви, які в подальшому видаляють шляхом десорбції, можуть бути використані для тих чи інших цілей. Цей процес називають регенерацією адсорбента і здійснюють здебільшого нагріванням перегрітою парою.

Апарати, де відбувається адсорбція, називають адсорберами. Їх виконують вертикальними, горизонтальними і з кільцевими полицями, на яких розташовують адсорбент. За розміром і формою часточок активоване вугілля буває гранульованим і порошкоподібним. Гранульоване вугілля виготовляють у формі циліндриків діаметром від 2 до 5 мм, при­чому висота циліндрика завжди більша від діаметра. Гранульоване вугіл­ля застосовують переважно в установках зі стаціонарним шаром адсор­бенту. Для збільшення поверхні та інтенсивності масообміну гранульова­не вугілля подрібнюють і розсівають на фракції. Подрібнене вугілля використовують у процесах зі стаціонарним, рухомим і киплячим шаром адсорбенту. В цьому разі процес здійснюють у безперервному режимі із застосуванням гранул вугілля з підвищеною міцністю проти стирання. Перевагою безперервного процесу є повна його автоматизація, можливість здійснювати хроматографічне розділення суміші компонентів, поряд з їх виділенням з газу, зменшення витрат теплоти на регенерацію вугілля. Недоліком методу є великі енергетичні витрати через високий опір шару адсорбенту.

Адсорбцією на активованому вугіллі очищають відхідні гази від H₂S у виробництві штучного волокна. За допомогою адсорбції на силікагелі очищають газові викиди від NO_х. Цей метод широко застосовують для очищення викидних газів від багатьох інших шкідливих домішок.

Крім фізичної адсорбції відбувається хемосорбція. Це теж концентрування ШР на поверхні (мономолекулярний шар), але за рахунок сил хімічної взаємодії (Е=100...150 кДж/моль), при зростанні температури вона активізується. Так, для вловлювання NO_х застосовують торфолужні композиції з гідроксидом кальцію або аміаком. У результаті хемосорбції утворюється добриво з 6–8 %-м вмістом зв'язаного азоту у вигляді нітратів кальцію і амонію.

В основі хімічних методів очистки повітря від горючих домішок лежить реакція горіння. Є термічне спалювання (1000...1500 К) і термокаталітичне (каталізатори – оксиди Cu, Mn), Т=750...900 К. Редокс-реакції застосовують також для очистки вихлопних автомобільних газів від оксиду вуглецю (II) шляхом його окислення до вуглекислого газу на мідно-марганцевому каталізаторі, що являє собою суміш оксидів марганцю і міді:

Каталізатор

2СО + О_{2_} ® 2СО₂ (1.16)

Каталітичне відновлення оксидів азоту до N₂ здійснюють за допомогою відновників – водню, метану або аміаку за наявності платино-паладієво-родієвих каталізаторів.

Крім того [3] може застосовуватись біохімічне очистка газів. Очистка відбувається завдяки дії ферментів, що утворюються мікроорганізмами під впливом окремих сполук чи груп речовин, які присутні в очищуваних газах. Апаратами біочистки є біофільтри та біоскрубери, в яких застосовується активний мул.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: