ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

 

Доктор физ-мат. наук, профессор

М.Ю.ХУДОШИНА

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

МОСКВА

Введение.

Методы защиты окружающей среды. Экологизация промышленного производства

Методы и средства защиты окружающей среды.

 

Стратегия защиты окружающей среды базируется на объективных знаниях о законах функционирования, связях и динамики развития составляющих элементов окружающей среды. Они могут быть получены путем научных исследований в рамках различных областей знаний - естественно-научных, математических, экономических, социальных, общественных. На основе полученных закономерностей разрабатываются методы защиты окружающей среды. Их можно условно подразделить на несколько групп:

Пропагандистские методы

Эти методы посвящены пропаганде охраны природы и ее отдельных элементов. Цель их применения состоит в формировании экологического мировоззрения. Формы: устные, печатные, наглядные, радио и телевидение. Для достижения эффективности применения этих методов используются научные разработки в области социологии, психологии, педагогики и др.

Законодательные методы

Основополагающие законы - конституция, в ней закреплены основные задачи и обязан­ности гражданина в отношении окружающей среды, а также Закон об… Правовая охрана земли обеспечивается земельным законодательством (Основы… Правовая охрана недр (законодательство о недрах, Кодекс о недрах) закрепляет собственность государства на недра,…

Организационные методы

К таким методам относятся государственные и местные организационные мероприятия, направленные на целесо­образное с точки зрения охраны среды размещение на территории предприятий, про­изводственных и населенных пунктов, а также на решение единичных и комплексных экологических проблем и вопросов. Организационные методы обеспечивают проведе­ние массовых, государственных или международных хозяйственных и других меро­приятий, направленных на создание эффективных условий окружающей среды. Например, перенесение лесо­заготовки из Европейской части в Сибирь, замена древесины железобетоном и эконо­мия природных ресурсов.

Эти методы базируются на системном анализе, теории управления, имитационном моделировании и др.

Технические методы

Они определяют степень и виды воздействия на объект охраны или окружающие его условия с целью стабилизации состояния объекта, в том числе:

• Прекращение воздействия на охраняемые объекты (заказ, заповедание, запрет ис­пользования).

· Уменьшение и сокращение воздействия (регламентация), объема использования, вредного воздействия путем очищения вредных выбросов, экологического норми­рования и т. д.

· Воспроизводство биологических ресурсов.

· Восстановление обедненных или разрушенных объектов охраны (памятники приро­ды, популяции растений и животных, биоценозы, ландшафты).

· Усиление использования (применение при охране быстроразмножающихся промысловых популяций), разрежение популяций для уменьшения смертности от инфекционных заболеваний.

· Изменение форм использования при охране лесов и почв.

· Для охраны живой природы истребление врагов, паразитов и возбудителей заболеваний охраняемых видов или их перемещение.

· Одомашнивание (Лошадь Пржевальского, гага, зубр).

· Заграждение заборами и сетками.

· Различные методы охраны почв от эрозии.

В основу разработки методов положены фундаментальные и научно-прикладные разработки в области естественно-научных дисциплин, в том числе химии, физики, биологии и т.д.

Технико-экономические методы

• Разработка и совершенствование очистных сооружений.
• Внедрение безотходных и малоотходных производств и технологий.
• Экономические методы: обязательные платежи за загрязнение окружающей среды; плата за природные ресурсы; штрафы за нарушение экологического законодательства; бюджетное финансирование государственных экологических программ; системы государственных экологических фондов; экологическое страхование; комплекс мер по экономическому стимулированию охраны окружающей природнойсреды.

Такие методы разрабатываются на базе прикладных дисциплин, с учетом технических, технологических и экономических аспектов.

 

Раздел 1. Физические основы очистки промышленных газов.

Тема 1. Направления защиты воздушного бассейна. Сложности очистки газов. Особенности загрязнения атмосферы

Направления защиты воздушного бассейна.

Санитарно — технические мероприятия.

- установка газопылеочистного оборудования,

- установка сверхвысоких труб.

Критерием качества среды является предельно допустимая концентрация (ПДК).

2. Технологическое направление.

- создание новых методов подготовки сырья, очищающих его от примесей до вовлечения в производство,

- создание новых технологий, основанных на частично или полностью
замкнутых циклах,

- замена исходного сырья, замена сухих способов переработки пылящих материалов мокрыми,

- автоматизация производственных процессов.

Планировочные методы.

- установка санитарно - защитных зон, которые регламентируются ГОС­Том и строительными нормами,

- оптимальное расположение предприятий с учетом розы ветров,
- вынос за черту города токсичных производств,

- рациональное планирование городской застройки,

- озеленение.

Контрольно-запретительные меры.

- предельно допустимая концентрация,

- предельно допустимые выбросы,

- автоматизация контроля над выбросами,

- запрет отдельных токсичных продуктов.

Сложности очистки газов

Проблема очистки промышленных газов обусловлена прежде всего следующими причинами:

· Газы разнообразны по своему составу.

· Газы имеют высокую температуру и большой объем пыли.

· Концентрация вентиляционных и технологических выбросов переменна и низка.

· Применение газоочистных установок требует их непрерывного совершенствова­ния

Особенности загрязнения атмосферы

В первую очередь к ним относятся концентрация и дисперсный состав пыли. Обычно 33-77 % от объема загрязнений составляют частицы крупностью до 1,5… Инверсии атмосферы Нормальная температурная стратификация определяется условиями, когда увеличению высоты соответству­ет уменьшение…

Тема 2. Требования к очистным сооружениям. Структура промышленных газов

Требования к очистным сооружениям. Процесс очистки характеризуется несколькими параметрами. 1. Общая эффективность очистки (n):

Структура промышленных газов.

Промышленные газы и воздух, содержащие твердые или жидкие частицы, представля­ют собой двухфазные системы, состоящие из непрерывной (сплошной) среды - газы и дисперсной фазы (твердые частицы и капельки жидкости), такие системы называются аэродисперсными или аэрозолями.Аэрозоли подразделяются на три класса: пыли, дымы, туманы.

Пыль.

Состоит из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. Образуется в ре­зультате механического измельчения твердых тел в порошки. К ним относятся: аспирационный воздух от дробильных, размольных, бурильных агре­гатов, транспортных устройств, пескоструйных аппаратов, станков для механической обработки изделий, отделений упаковки порошкообразных материалов. Это полидисперсные и малоустойчивые системы с размерами частиц 5-50 мкм.

Дымы.

Это аэродисперсные системы, состоящие из частиц с малым давлением пара и с малой скоростью седиментации, Образуются при возгонке и конденсации паров, в результате химических и фотохими­ческих реакций. Размер частиц в них составляет от 0,1 до 5 мкм и меньше.

Туманы.

Состоят из капелек жидкости, диспергированных в газообразной среде, в которых мо­гут содержаться растворенные вещества или суспендированные твердые частицы. Образуются в результате конденсации паров и при распылении жидкости в газообраз­ной среде.

 

Тема 3. Основные направления гидродинамики газового потока. Уравнение неразрывности и уравнение Навье-Стокса

 

Основные положения гидродинамики газового потока.

Рассмотрим действие основных сил на элементарный объем газа (рис. 1).

 

Рис. 1. Действие сил на элементарный объем газа.

 

Теория движения газового потока базируется на двух основных уравнениях гидро­динамики: уравнение неразрывности (сплошности) и уравнение Навье-Стокса.

Уравнение неразрывности

 

∂ρ/∂τ + ∂(ρ_xV_x)/∂x + ∂(ρ_yV_y)/∂y + ∂(ρ_zV_z)/∂z = 0 (1)

 

где ρ – плотность среды (газов) [кг/м³]; V - скорость газа (среды) [м/с]; V_x, V_y, V_z – составляющие векторы скорости по осям координат X, Y, Z.

Это уравнение представляет собой Закон сохранения энергии, согласно которому из­менение массы определенного элементарного объема газа компенсируется изменением плотности (∂ρ/∂τ).

Если ∂ρ/∂τ = 0 - установившееся движение.

 

Уравнение Навье-Стокса.

– ∂px/∂x + μ(∂2Vx/∂x2 + ∂2Vx/∂y2 + ∂2Vx/∂z2) = ρ (∂Vx/∂τ +…   – ∂py/ ∂y + μ(∂2Vy/∂x2 + ∂2Vy/∂y2 + ∂2Vy/∂z2) =…

Граничные условия

. Рис.2 Обтекание цилиндра газовым потоком.

Начальные условия

Для характеристики состояния системы в начальный момент времени задают началь­ные условия.

Краевые условия

Граничные и начальные условия составляют краевые условия. Они выде­ляют пространственно-временную область и обеспечивают единство решения.

 

Тема 4. Критериальное уравнение. Турбулентное течение жидкости (газа). Пограничный слой

Уравнения (1) и (2) образуют систему с двумя неизвестными – V_r (скорость газа) и Р (давление). Решить эту систему очень сложно, поэтому вводят упрощения. Одним из таких упрощений является использование теории подобия. Это позволяет заменить систему (2) одним критериальным уравнением.

 

Критериальное уравнение.

(3)

f(Fr, Eu, Re_r) = 0

Эти критерии Fr, Eu, Re_r находятся на основе опытов. Вид функциональной связи устанавливается опытным путем.

 

Критерий Фруда

Он характеризует отношение силы инерции к силе тяжести:

 

Fr = Vг²/(gℓ)

где Vг² - сила инерции; gℓ- сила тяжести; ℓ - определяющий линейный параметр, определяет масштабы движе­ния газа [м].

Критерий Фруда имеет важную роль, когда на систему движущегося потока существенно влияют гравитационные силы. При решении многих практических задач критерий Фруда вырождается, так как сила тяжести учитывается.

 

Критерий Эйлера (второстепенный):

 

Eu = Δp/(ρ_гV_г²)

где Δр — перепад давления [Па]

Критерий Эйлера характеризует отношения силы давления к силе инерции. Он не является определяющим и расценивается как второстепенный. Его вид находится при решении уравнения (3).

 

Критерий Рейнольдса

Он является основным ихарактеризует отношение сил инерции к силе трения, турбулентное и прямолинейное движение.

 

Re_r = V_гρ_гℓ / μ_г

где μ – динамическая вязкость газа [Па с]

Критерий Рейнольдса является важнейшей характеристикой движения газового потока:

• при малых значениях критерия Рейнольдса Re преобладают силы трения, наблюдается устойчивое прямолинейное (ла­минарное) течение газа. Газ движется вдоль стенок, определяющих направление потока.
• с ростом критерия Рейнольдса ламинарный поток теряет устойчивость и при не­котором критическом значении критерия переходит в турбулентный режим. В нем турбулентные массы газа перемещаются в любом направлении, в том числе в направлении стенки и обтекаемого потоком тела.

 

Турбулентное течение жидкости.

Автомодельный режим.

Турбулентные пульсации - определяются скоро­стью и масштабом движения. Масштабы движения: 1. Наибольший масштаб имеют самые быстрые пульсации 2. При движении в трубе масштаб наибольших пульсаций совпадает с диаметром трубы. Величины пуль­сации определяются…

Скорость пульсации

Vλ = (εnλ / ρг )1/3 2. Уменьшению скорости и масштаба пульсации соответствует уменьшение числа… Reλ = Vλλ / νг = Reг(λ/ℓ)1/3

Автомодельный режим

ξ = А Reг-n где А, n – константы. С увеличением инерционных сил происходит уменьшение показателя степениn. Чем интенсивнее турбулентность, тем меньше n.…

Пограничный слой.

1. Согласно гипотезе Прандтля – Тейлора в пограничном слое движение ламинарно. Из-за отсутствия турбулентного движе­ния перенос вещества… 2. В погранич­ном слое турбулентные пульсации постепенно затухают, приближаясь… В диффузном подслое z<δ0, у стенки молекулярная диффузия полностью преобла­дает над турбулентной.

Тема 5. Свойства частиц.

Основные свойства взвешенных частиц.

I. Плотность частиц.

Плотность частиц бывает истинная, насыпная, кажущаяся. Насыпная плотность учитывает воздушную прослойку между частицами пыли. При слёживании она возрастает в 1,2-1,5 раза. Кажущаяся плотность - это отношение массы частицы к занимаемому объему, в том числе поры, пустоты и неровности. Снижение кажущейся плотности по отношению к истинной наблюдается у пыли, склонной к коагуляции или спеканию первичных частиц (сажи, оксидов цветных ме­таллов). У гладких монолитных или первичных частиц кажущаяся плотность совпадает с ис­тинной.

II. Дисперсность частиц.

Размер частиц определяется несколькими способами: 1. Размер в свету - наименьший размер отверстий сита, через которое еще… 2. Диаметр сферических частиц или наибольший линейный размер частиц неправиль­ной формы. Он применяется при…

Виды распределений

В различных цехах различный состав выделяемых газов, различный состав загрязне­ний. Газ необходимо исследовать на предмет содержания пыли, состоящей из частиц различного размера. Для характеристики дисперсного состава используют распределение частиц в процентном отношении в единице объема по числу f(r) и по массе g(r) -соответственно счетное и массовое распределения. Графически их характеризуют две группы кривых – дифференциальные и интегральные кривые.

1. Дифференциальные кривые распределения

А) Счетное распределение

Доли частиц, радиусы которых находятся в интервале (r, r+dr) и подчиняются функции f(r) можно представить в виде:

f(r)dr=1

Кривая распределений, которой можно описать данную функцию f(r), называется диф­ференциальной кривой распределения частиц по их размерам по числу частиц (рис. 4).

 

f(%)

 

 

0 40 80 мкм

Рис. 4. Дифференциальная кривая распределения частиц аэрозоля по размерам по их числу.

Б) Массовое распределение.

Аналогично можно представить функцию распределения частиц по массе g(r):g(r)dr=1

Оно более удобно и популярно на практике. Вид кривой распределения представлен на графике (рис.5).

 

g(r)(%)

 

 

0 2 50 80 мкм

Рис. 5. Дифференциальная кривая распределения частиц аэрозоля по размерам по их массе.

Интегральные кривые распределения.

D(%) 0 10 100 мкм Рис 6. Интегральная кривая проходов

Влияние дисперсности на свойства частиц

Дисперсность частиц оказывает влияние на формирование свободной энергии поверхности и на степень устойчивости аэрозолей.

Свободная энергия поверхности.

    среда

Поверхностное натяжение.

Аэрозольные частицы вследствие большой поверхности отличаются от исходного материала некоторыми свойствами, важными для практики обеспыливания.

Поверхностное натяжение для жидкостей на границе с воздухом в настоящее время точно известно для различных жидкостей. Оно составляет, например, для:

- воды -72,5 Н см. 10^-5.

- твердых тел оно значительно и численно равно максимальной работе, затрачиваемой на образование пыли.

- газов оно ничтожно мало.

Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, жидкость растекается по поверхности твердого тела, смачивая его. Иначе жидкость собирается в каплю, которая имела бы круглую форму, если бы не действовала сила тяжести.

Схема смачиваемости частиц прямоугольной формы.

На схеме (рис.11) показано:

а) погружение в воду смачиваемой частицы:

б) погружение в воду не смачиваемой частицы:

 

Рис.11. Схема смачивания

 

Периметр смачивания частиц, является границей взаимодействия трех сред: воды (1), воздуха (2), твердого тела(3).

 

Эти три среды имеют разграничивающие поверхности:

Поверхность «жидкость-воздух» с поверхностным натяжением δ_1,2

Поверхность «воздух — твердое тело» с поверхностным натяжением δ_2,3

Поверхность «жидкость - твердое тело» с поверхностным натяжением δ_1,3

Силы δ_1,3 и δ_2,3 действуют в плоскости твердого тела на единице длины периметра смачивания. Они направ­ленны касательно к поверхности раздела и перпендикулярно к периметру смачивания. Сила δ_1,2 направлена под углом Ө, называемым краевым углом (углом смачивания). Если пренебречь силой тяжести и подъемной силой воды, то при образовании равно­весного угла Ө все три силы уравновешиваются.

Условие равновесия определяется Формулой Юнга:

 

δ_2,3 = δ_1,3 + δ_1,2 · cos Ө

отсюда

Угол Ө изменяется от 0 до 180°, a Cos Ө изменяется от 1 до –1.

При Ө >90⁰ частицы смачиваются плохо. Полного не смачивания (Ө = 180°) не наблю­дается.

Смачиваемые (Ө >0°) частицы - это кварц, тальк (Ө =70°) стекло, кальцит (Ө =0°). Не смачиваемые частицы (Ө = 105°) - это парафин.

Смачиваемые (гидрофильные) частицы втягиваются в воду силой поверхностного натяжения, действующего на границе «вода - воздух». Если плотность частицы меньше плотности воды, к этой силе прибавляется сила тяжести, и частицы тонут. Если плотность частицы меньше плотности воды, то вертикальная составляющая сил поверхностного натяжения уменьшается на подъемную силу воды.

Не смачиваемые (гидрофобные) частицы поддерживаются на поверхности силами поверхностного натяжения, вертикальная составляющая которых прибавляется к подъ­емной силе. Если сумма этих сил превышает силу тяжести, то частица остается на по­верхности воды.

Смачиваемость водой влияет на эффективность работы мокрых пылеуловителей, осо­бенно при работе с рециркуляцией - гладкие частицы смачиваются лучше, чем частицы с неровной поверхностью, так как они в большей степени покрыты абсорбированной газовой оболочкой, затрудняющей смачивание.

По характеру смачивания различают три группы твердых тел:

1. гидрофильные материалы, которые хорошо смачиваются водой - это кальций,
большинство силикатов, кварц, окисливаемые минералы, галогениды щелочных
металлов.

2. гидрофобные материалы, плохо смачиваемые водой - графит, уголь сера.

3. абсолютно гидрофобные тела - это парафин, тефлон, битумы.( Ө~180^о)

IV. Адгезионные свойства частиц.

Fад = 2δd где δ - поверхностное натяжение на границе твердого тела и воздуха. Сила адгезии прямо пропорциональна первой степени диаметра, а сила, разрываю­щая агрегат, например, сила тяжести или…

V. Абразивность

Абразивность – интенсивность износа металла, при одинаковых скоростях газа и кон­центрациях пыли.

Абразивность свойств частиц зависит от:

1. твердости частиц пыли

2. формы частиц пыли

3. размера частиц пыли

4. плотности частиц пыли

Абразивность свойств частиц учитывается при выборе:

1. скорости запыленных газов

2. толщины стенок аппаратов и газоотходов

3. облицовочных материалов

VI. Гигроскопичность и растворимость частиц.

Зависит от:

1. химического состава пыли

2. камера частиц пыли

3. формы частиц пыли

4. степени шероховатости поверхности частиц пыли

Эти свойства используются для улавливания пыли в аппаратах мокрого типа.

 

VII. Электрические свойства пыли.

Электрическая зараженность частиц.

• Поведение в газоотходах • Эффективность улавливания в газоочистных аппаратах (электрический фильтр) … • Взрывоопасность

IX. Способность пыли к самовозоранию и образованию врывоопаных смесей с воздухом.

Различают три группы веществ, по причинам возгорания: 1. Вещества, самовозгорающиеся при воздействии воздуха. Причина возгорания - окисление под воздействием кислорода воздуха (проис­ходит выделение тепла при низких…

Механизм самовозгорания.

Горючая пыль из-за сильно развитой поверхности контакта частиц с кислородом спо­собна к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом. Интенсив­ность взрыва пыли зависит от:

- термических и химических свойств пыли

- размера и формы частиц пыли

- концентрации частиц пыли

- влагосодержания

- состава газов

- размеров и температуры источников воспламенения

- относительного содержания инертной пыли.

При повышении температуры воспламенение может произойти самопроизвольно. Продуктивность, интенсивность горения могут быть различны.

Интенсивность и продолжительность горения.

Плотные массы пыли горят медленнее, так как доступ кислорода к ним затруднен. Рыхлые и мелкие массы пыли возгораются во всем объеме. При концентрации кисло­рода в воздухе менее 16% пылевое облако не взрывается. Чем больше кислорода, тем вероятнее взрыв и больше его сила (на предприятии при сварке, при резке металла). Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли – 20-500г/м³, максимальные – 700-800 г/м³

 

Тема 6. Основные механизмы осаждения частиц

Работа любого пылеулавливающего аппарата основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения взвешенных в газах частиц. 1. Гравитационное осаждение (седиментация) происходит в результате… 2. Осаждение под действием центробежной силы. Наблюдается при криволинейном движении аэродисперсного потока (потока…

Гравитационное осаждение (седиментация)

  F= Sч, где - коэффициент лобового сопротивления частицы; S ч– площадь сечения частицы, перпендикулярно движению; Vч –…

Центробежное осаждение частиц

F=mч, V= t m – масса частицы; V – скорость; r – радиус вращения; t- время релаксации Время осаждения взвешенных частиц в центробежных пылеулавливателях прямо пропорционально квадрату диаметра частицы.…

Влияние критерия Рейнольдса на инерционное осаждение.

2. С увеличением критерия Рейнольдса при переходе к турбулентному движению на поверхности обтекаемого тела образуется пограничный слой. По мере… 3. При значениях критерия больше критического (500) линии тока сильнее… 4. При развитой турбулентности с приближением к автомодельному режиму критерий Рейнольдса можно не учитывать. В…

Зацепление.

Таким образом эффективность осаждения этого механизма выше 0 и тогда, когда инерционное осаждение отсутствует, эффект зацепления характеризуется… R=dч/d

Диффузионное осаждение.

где D – коэффициент диффузии, характеризует эффективность броуновского… Отношение сил внутреннего трения к диффузионным силам характеризуется критерием Шмидта:

Осаждение под действием элементарных зарядов

Элементарная зарядка частиц может быть проведена тремя путями: 1. При генерации аэрозолей 2. За счет диффузии свободных ионов

Термофорез

Это отталкивание частиц нагретыми телами. Вызывается силами, действующими со стороны газообразной фазы на находящиеся в ней неравномерно нагретые… Если размер частиц больше 1 мкм, отношение конечной скорости процесса к… Замечание: побочно отрицательный эффект возникает, когда твердые частицы, оседающие из горячих газов на холодных…

Диффузиофорез.

Это движение частиц вызывается градиентом концентрации компонентов газовой смеси. Проявляется в процессах испарения и конденсации. При испарении с…  

Осаждение частиц в турбулентном потоке.

Скорости турбулентной пульсации возрастают, диаметры вихрей убывают, а перпендикулярные к стенке мелкомасштабные пульсации уже возникают на…  

Использование электромагнитного поля для осаждения взвешенных частиц.

При движении газов в магнитном поле на частицу действует сила, направленная под прямым углом и в направлении поля. В результате такого воздействия…   Суммарная эффективность улавливания частиц под воздействием различных механизмов осаждения.

Тема 7. Коагуляция взвешенных частиц

Сближение частиц может происходить за счет броуновского движения (тепловая коагуляция), гидродинамический, электрических, гравитационных и других… Скорость убывания счетной концентрации частиц  

Раздел 3. Механизмы распространения загрязнений в окружающей среде

Тема 8. Массоперенос

Распространение загрязнений в окружающей среде (рис. 13) происходит в основном за счет естественных процессов и зависит от физико - химических свойств веществ, физиче­ских процессов, связанных с их переносом, биологических процессов, принимающих участие в глобальных процессах круговорота веществ, циклических процессов в от­дельных экосистемах. Тенденция веществ к распространению является причиной не­контролируемого регионального накопления веществ.

 

А - атмосфера

Г - гидросфера

Л - литосфера

Ж - животные

Ч - человек

Р - растения

 

Рис. 13. Схема массопереноса в биосфере.

В экосфере в процессе переноса в первую очередь играют роль физико-химические свойства молекул, давление пара, растворимость в воде.

 

Механизмы массопереноса

Диффузия характеризуется коэффициентом диффузии [м2/с] и зависит от молеку­лярных свойств растворенного вещества (относительная диффузия) и… Конвекция - это принудительное перемещение растворенных веществ потоком во­ды.… Дисперсия- это перераспределение растворенных веществ, вызванное неоднород­ностью поля скоростей потока.

Почва - вода

Распространение загрязнений в почве происходит в основном за счет естественных процессов. Зависят от физико-химических свойств веществ, физических… Граница раздела Почва - вода играет важную роль в процессе переноса. Основной…

Уравнение Ленгмюра

x/m – это отношение массы адсорбированного вещества к массе адсорбента; и - константы, характеризующие рассматриваемую систему; - равновесная концентрация вещества в растворе.

Уравнение изотермической адсорбции Фрейндлиха

K – коэффициент адсорбции; 1/n - характеристика степени адсорбции Второе уравнение используется в основном для описания распространения…

Тема 9. Поступление и накопление веществ в живых организмах. Другие виды переноса

Любое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Установившаяся концентрация является концентрацией насыщения. Если она выше, чем в… Процессы накопления веществ в организме: 1.Биоконцентрирование – обогащение химическими соединениями организма в результате прямого восполнения из окружающей…

Тема 10. Модели распространения примесей в средах

Модели распространения примесей в водной среде

   

Распространение загрязнений в атмосфере.

  Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ, со­держащихся в выбросах… Критерии оценки загрязнения атмосферы.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнении.

Выделяют следующие основные методы:

1. Абсорбция - промывка выбросов растворителями примесей.

2. Хемосорбция — промывка выбросов растворами реагентов, связывающих при­
меси химически.

3. Адсорбция — поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами.

Термическая нейтрализация отходящих газов.

Биохимические методы.

В технике очистки газа процессы адсорбции называются скрубберными. Метод за­ключается в разрушении газо-воздушных смесей на составные части путем… Организация контакта газового потока с жидким растворителем осуществляется: … · Пропусканием газа через насадочную колонну.

Физическая адсорбция.

Ее механизм состоит в следующем:

Молекулы газа прилипают к поверхности твердых тел под действием межмолекуляр­ных сил взаимного притяжения. Высвобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения и совпадает с теплотой конденсации пара (достигает до 20 кДж/м³). При этом газ называется адсорбат, а поверхность адсорбент.

Преимущества этого метода состоят в обратимости: при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава (это также происходит при уменьшении давления).

Химическая адсорбция (хемосорбция).

Недостаток хемосорбции заключается в том, что в данном случае она необратима, изменяется химический состав адсорбата. В качестве адсорбата выбирают… Адсорбентами могут быть и простые, и комплексные оксиды (активированный…

Раздел 4. Теоретические основы защиты гидросферы и почвы

Тема 11. Теоретические основы защиты гидросферы

Промышленные сточные воды

Промышленные сточные воды по характеру загрязнения подразделяются на кислотно-щелочные, с содержанием ионов тяжелых металлов, хром-, фтор-, и цианосодержащие. Кислотно-щелочные сточные воды образуются от процессов обезжиривания, химического травления, нанесения различных покрытий.

Хромосодержащие сточные воды в основном образуются в гальванических цехах от процессов хромирования, пассивации, травления. Эти стоки загрязнены ионами шестивалентного хрома, ионами трехвалентного хрома, железа, кадмия, цинка, меди и т.д.

Фторосодержащие сточные воды образуются в ряде технологических процессов, в которых используется плавиковая кислота, бифторид аммония или смесь плавиковой, азотной и других кислот.

Цианосодержащие сточные воды образуются от процессов цианистого меднения, цинкования, серебрения и др. Стоки загрязняются простыми и комплексными цианидами.

Реагентный метод

На стадии предварительной обработки стоков используются различные окислители, восстановители, кислоты и щелочные реагенты, как свежие, так и… Доочистку сточных вод можно производить на механических и угольных фильтрах. …  

Электродиализ.

При этом методе сточные воды обрабатываются электрохимическим способом с использованием химических реагентов. Качество очищенной воды после электродиализа может быть близко к дистиллированной. Возможна очистка вод с разнообразными химическими загрязнениями: фторидом, хромом, цианидами и др. Электродиализ можно использовать перед ионным обменом для поддержания постоянного солесодержания воды, при регенерации отработанных растворов и электролитов. Недостаток - значительный расход электроэнергии. Используются серийно выпускающиеся электродиализные установки типа ЭДУ, ЭХО, АЭ и т.д. (производительностью от 1 до 25м³/ч).

Очистка воды от нефтепродуктов

Международная конвенция 1954 года (с поправками 1962,1969, 1971 г.) по предотвращению загрязнения моря нефтью установила запрет на слив за борт трюмно-балластных вод, содержащих нефтепродукты, в пределах прибрежной зоны (до 100-150 миль) о концентрацией их более 100 мг/л). В России установлены следующие предельно допустимые концентрации (ПДК) нефтепродуктов в воде: многосернистые нефтепродукты - 0,1 мг/л, несернистые нефтепродукты - 0,3 мг/л. В связи с этим большое значение для охраны окружающей среды имеет разработка и усовершенствование способов и средств очистки воды от содержащихся в ней нефтепродуктов.

Методы очистки нефтесодержащих вод.

_Коалесценция. Это процесс укрупнения частиц за счет их слияния. Укрупнение частиц нефтепродуктов может проходить самопроизвольно при их… Некоторые увеличения скорости коалесценции можно получить при подогреве… Коагуляция. В этом процессе происходит укрупнение частиц нефтепродуктов при добавлении к эмульсии различных…

Тема 12. Теоретические основы защиты почвы

Теоретические основы защиты почвы включают в том числе · вопросы перемещения загрязнений в почве для регионов с различными… · модель распространения загрязнений в почве

Рис. 14. Виды захоронений отходов

а — отвальный тип захоронения; б — захоронение на склонах; в - захоронение в котлованах; г — захоронение в подземном бункере; 1 — отходы; 2 — гидроизоляция; 3 — бетон

Недостатки захоронений отвального типа: сложность оценки устойчивости откосов; высокие сдвиговые напряжения на основании откосов; необходимость использования специальных строительных конструкций для повышения устойчивости захоронения; эстетическая нагрузка на ландшафт. Захоронения на склонах в отличие от рассмотренных захоронений отвального типа требуют дополнительной защиты тела захоронения от сползания и от смыва водой, стекающей по склону.
Захоронение в котлованах в меньшей степени влияет на ландшафт и не создает опасности, связанной с устойчивостью. Однако оно требует отвода вод с помощью насосов, так как основание расположено ниже поверхности земли. Такое захоронение создает дополнительные трудности для гидроизоляции боковых склонов и основания захоронения отходов, а также требует постоянного контроля за дренажными системами.
Захоронения в подземных бункерах по всем параметрам более удобны и экологически чисты, однако из-за больших капитальных затрат на их сооружение они могут использоваться только для удаления небольших количеств отходов. Подземное захоронение широко используется для изоляции радиоактивных отходов, так как позволяет при определенных условиях обеспечить радиоэкологическую безопасность на весь требуемый период и является наиболее экономически эффективным способом обращения с ними. Укладка отходов на полигоне должна осуществляться слоями толщиной не более 2 м при обязательном уплотнении, обеспечивающем наибольшую компактность и отсутствие пустот, что особенно важно при захоронении крупногабаритных отходов.
Уплотнение отходов при захоронении необходимо не только для максимального использования свободного пространства, но и для уменьшения последующего оседания тела захоронения. Кроме того, рыхлое тело захоронения, имеющее плотность ниже 0,6 т/м усложняет контроль за фильтратом, так как в теле неизбежно возникает множество каналов, затрудняющих его сбор и удаление.
Однако иногда, прежде всего по экономическим соображениям, заполнение хранилища производят посекционно. Основными причинами секционного заполнения являются необходимость разделения различных типов отходов в пределах одного полигона, а также стремление к уменьшению площадей, на которых образуется фильтрат.
При оценке устойчивости тела захоронения следует различать внешнюю и внутреннюю устойчивость. Под внутренней устойчивостью понимают состояние самого тела захоронения (устойчивость бортов, устойчивость к вспучиванию); под внешней устойчивостью понимают устойчивость основания захоронения (оседание, раздавливание). Недостаточная устойчивость может повредить дренажную систему. Объектами контроля на полигонах являются воздух и биогаз, грунтовые воды и фильтрат, почва и тело захоронения. Объем мониторинга зависит от вида отходов и устройства полигона.

Требования к полигонам: предотвращение воздействия на качество грунтовых и поверхностных вод, на качество воздушной среды; предотвращения негативного влияния, связанного с миграцией загрязнителей в подземное пространство. В соответствии с этими требованиями необходимо обеспечить: непроницаемые покрытия грунта и отходов, системы контроля за утечками, обеспечение обслуживания и контроля свалки после закрытия, и другие целесообразные меры.

Основные элементы безопасной свалки: слой поверхностного грунта с растительностью; система дренажа по краям свалки; легко проницаемый слой песка или гравия; изолирующий слой из глины или пластика; отходы в отсеках; мелкий грунт как основа для изолирующего слова; вентиляционная система для удаления метана и двуокиси углерода; дренажный слой для отвода жидкости; нижний изолирующий слой для предотвращения просачивания загрязнителей в грунтовые воды.

Список литературы.

1. Еремкин А.И., Квашнин И.М., Юнкеров Ю.И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.: учебное пособие – М., изд АСВ, 2000 – 176 с.

2. Гигиенические нормативы «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест»(ГН2.1.6.1338-03), с Дополнениями №1 (ГН 2с.1.6.1765-03), Дополнениями и изменениями №2(ГН 2.1.6.1983-05). Введены в действие Постановлениями Главного санитарного врача Российской Федерации от 30.05.2003 г. №116, от 17.10.2003 №151, от 03.11.2005 г. №24 (зарегистрированы Минюстом России 09.06.2003 г. рег. №4663; 21.10.2003 г. рег. №5187; 02.12.2005 г. рег. №7225)

3. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишков В.Н.. Инженерная экология , общий курс в 2-х томах. Под общей ред. М.И. Мазура. - М.: Высшая школа, 1996. – т.2, 678 с.

4. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). Постановление Госкомгидромета СССР от 04.08.1986 г. №192.

5. СН 245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий.

6. Ужов В.И., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. –М.: Химия, 1981 – 302 с.

7. Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» (с изм. На 31.12.2005) от 04.05.1999 г. №96-ФЗ

8. Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды» от 10.01.2002г. №7 –ФЗ (с изменениями на 18 декабря 2006 г.)

9. Худошина М.Ю. Экология. Лабораторный практикум УМУ ГОУ МГТУ «СТАНКИН», 2005. Электронная версия.