Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

резервы

запасы

резервы запасы

Алюминий 256 805 124 407

Медь 41 277 4 26

Кобальт 109 429 10 40

Молибден 67 256 8 33

Никель 66 163 7 16

Каменный

уголь

206 3226 29 457

Нефть 35 83 3 7

1. Резервы - объемы данного ресурса, которые могут быть эффективно извлечены

средствами современной технологии.

2. Запасы - общий предполагаемый объем залежей ресурса в недрах Земли.

3. Предполагается, что в 2030Hг. потребление ресурсов 10-миллиардным населением

Земли будет на уровне современного потребления в США.

Под возобновляемостью ресурсов следует понимать прежде всего

рециркуляцию, т.е. возвращение "полезной формы" элемента в цикл из

недоступной или малодоступной химической формы. Из двух источников

материалов - первичного (руд и недр) и вторичного (в результате

рециркуляции) - второй будет приобретать со временем все большее

значение.

Проблемы, связанные с рециркуляцией (использованием вторичного

сырья), чрезвычайно сложны прежде всего в технологическом аспекте.

Приведем некоторые примеры. Цикл платиновых металлов, которые сейчас

стали использоваться в каталитических нейтрализаторах автомобилей

технологи стремятся замкнуть, т.к. эти металлы чрезвычайно дороги по

стоимости. Однако и их рециркуляция сама по себе очень дорога, поскольку

каждый автомобильный нейтрализатор содержит всего около 2Hг платины.

Таким образом, становятся невыгодны поиск, сбор и переработка старых

нейтрализаторов. Кроме того, нейтрализатор служит около 10Hлет, и потому

возврат металлов в цикл оказывается очень медленным процессом.

Сбор металлического лома должен сопровождаться (при современных

технологиях его переработки) сортировкой, поскольку, например, если лом

содержит значительную примесь меди, он становится непригодным для

производства листовой стали. Сортировка же сама по себе дорога и

технологически трудоемка.

В циклах полимерных матералов вторичные ресурсы применяются

пока еще мало. Вторичные пластмассы трудно отделять друг от друга

(сортировать), сжигать их нельзя из экологических соображений, а

использование некоторых их них (например, поливинилхлорида) вторично на

изготовление пищевых упаковок опасно из-за образования при переработке

канцерогенных и токсичных продуктов.

6.1.1. Энергетические ресурсы

Рассматривая энергетику как область практической деятельности

человека, необходимо постоянно обращаться к экологическим сторонам

энергетических проблем. Сложившаяся в мире ситуация такова, что

проблемы энергетики тесно переплелись с проблемами экологического

состояния биосферы и неотделимы друг от друга. Можно сказать, что

отношения человечества и биосферы базируются на основе все более

усложняющихся процессов извлечения, преобразования, передачи и

использования энергии.

Взаимосвязь экологических и химических аспектов обсуждаемого вопроса

может иллюстрировать следующая схема:

Экологическая чистота и

безопасность процессов

эксплуатации источников

энергии

Создание экологически

жизни человека

Изучение химизма процессов,

связанных с извлечением,

преобразованием, передачей

и использованием энергии

Разработка химических

процессов и создание

новых материалов,

используемых в энергтетике

Энергетика

Экологический аспект

Химический аспект

комфортных условий

Истощение в ближайшей перспективе ресурсов органического топлива

увеличивает актуальность поиска технических решений по повышению

безопасности использования энергии атома, снижению затрат при

использовании энергии Солнца, ветра и других источников, называемых

альтернативными, возобновляемыми.

Рассмотрим возможности атомной энергетики. Существуют три

способа извлечения энергии (Е), заключенной в атоме.

1. Цепное деление ядер. В этом процессе используется изотоп урана

235U, которого всего лишь 0,7H% в общей массе урана Земли, оцениваемой,

кстати, в 1,3×1014 т металла. Таким образом, запасы этого активного изотопа

относительно невелики и при интенсивном использовании довольно быстро

истощатся.

II.HВоспроизводство ядерного топлива (реакция размножения). На

долю изотопа

238

U приходится 99,3H% всего урана планеты. Следовательно,

его выгоднее использовать, чем изотоп

235

U, но для этого его первоначально

необходимо превратить в активный материал, пригодный для цепных

процессов (изотоп

238

U неспособен к делению при захвате нейтронов). В этом

случае используют начальное количество

235

U для возбуждения изотопа

238

Ядро атомов

238

U при воздействии на них быстрых нейтронов (с

энергией ~ 25HэВ) превращаются в изотоп

239

U, распадающийся затем до

изотопа

239

Pu,

ядра которого делятся при захвате медленных нейтронов:

238

239

U n U Np Pu   

b b

Реакторы-размножители, где осуществлялся бы этот процесс, более

перспективны и эффективны, чем реакторы, использующие реакции цепного

деления. Однако до сих пор еще не разработана технологическая схема этого

процесса (в котором, кстати, урана хватило бы на несколько столетий).

И для I и для II способов существенный отрицательный момент -

проблема захоронения радиоактивных отходов (предлагали даже отправлять

их на орбиту вокруг Солнца!). Другое серьезное возражение против

строительства ядерных реакторов - возможность экологических катастроф

при их эксплуатации.

III.HТермоядерный синтез. В основе этого способа лежит реакция,

принципиально отличающаяся от рассмотренных выше. Для ее проведения

нужен дейтерий, а его запасов в океанах хватит на миллионы лет! Кроме

того, при этом способе извлечения энергии нет радиоактивных отходов.

Однако идея маловероятна для осуществления, т.к. процесс синтеза (рис.H7.4)

не удается стабилизировать, а для "затравки" процесса необходимы

громадные температуры ( ~ 108 °С). Здесь пока не предложено какой-либо

приемлемой технологии.

Таким образом, успехи в области ядерной энергетики не так велики,

как хотелось бы, и существуют серьезные возражения против атомных

источников энергии (прежде всего с экологических позиций).

Масштабы использования энергии Солнца продолжают увеличиваться,

и в отличие от ядерной стоимость энергии, извлекаемой на солнечных

установках, постоянно снижается.

Солнце поставляет на нашу планету ~ 1,7×10

Вт энергии

электромагнитного излучения. Даже 1H% площади планеты,покрытой

коллекторами излучения с эффективностью 10H% , может собрать 10

HкВт

энергии (в то время как всего в мире используется около 10

HкВт). Однако

здесь существуют трудности преобразования энергии Солнца в другую,

более удобную для человека, форму энергии. Какую? В настоящее время

доступны следующие методы преобразования энергии Солнца.

1.HФотогальванические элементы (ФГЭ). Они превращают солнечный

свет в электричество. Себестоимость этой электроэнергии примерно

30Hцентов США за 1 кВт×ч. Такие солнечные батареи могут служить 30 лет в

качестве источников питания калькуляторов, часов и искусственных

спутников.

Механизм их дейтсвия основан на том, что поток фотонов от Солнца,

попадая на поверхность двухслойного полупроводника (например, из

кремния), возбуждают электроны. Последние мигрируют к поверхности

раздела между кремниевыми пластинками (р- и n-типа) генерируют там

разность потенциалов (рис. 7.5).

В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния

(или германия). Полупроводник - вещество, имеющее элктрическое

сопротивление, промежуточное между значениями, свойственными

электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам

Полупроводниковые свойства кремния

Вещество Электросопротивление,

Ом/см3

Характеристика

по

проводимости

Серебро 5×10-5 Проводник

Кремний 5×10-4 Полупроводник

Слюда 1012 Диэлектрик

Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической

решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным

отрицательным зарядом.

Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в решетке "электронные

дырки", т.е. эффективные положительные заряды.

Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа,

останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык

называется р - n-переходами. Электроны, идущие в обратном направлении,

проходят через переход, чтобы заполнить"дырки" в слое р-типа (рис. 7.6)

При достаточно большой величине площади фотогальванических

кремниевых пластинок можно получать силу тока значительной величины.

Одна из сложностей в производстве ФГЭ - получение беспримесных

высокочистых полупроводников, например, из кремния с высокой степенью

монокристалличности. Для ФГЭ характерны экологическая чистота и

неистощаемость источника (в отличие от ядерного топлива).

2.HСолнечные термоустановки (зеркальные гелиоконцентраторы). Эти

системы преобразуют солнечную энергию (Е) в тепловую. Они просты в

устройстве и достаточно распространены. Себестоимость энергии,

полученной этим методом, равна 1 - 8Hцентам США за 1 кВт×час (для

сравнения себестоимость Е, полученной с установок на угле, равна

~3Hцентам за 1 кВт×ч).

Система следящих за Солнцем зеркал фокусирует его лучи и собирает

их энергию для того, чтобы довести до кипения рабочую жидкость (Н

О или

лучше жидкий NН

). Кипятильник же работает как обычная тепловая машина

и может вырабатывать электричество, отдавая теплоту электрогенератору

(рис. 7.7).

Создание легких зеркал и применение жидкостей с повышенной

теплопроводностью (например, расплавленных солей) могут существенно

улучшить качество солнечных термоустановок.

3.HФГЭ на искусственных спутниках Земли. В космосе нет поглощения,

характерного для земной атмосферы. Поэтому на 1Hм2 поверхности

искусственного спутника солнечной Е попадает гораздо больше, чем на 1Hм2

Земли. Нет там и облачности, а самое главное - нет ночи!

Поэтому ФГЭ предполагают размещать на специальных платформах,

вращающихся вокруг Земли по "спутниковым" орбитам.

На Землю собранная Е будет поступать в виде потока излучения с

преобразованной частотой - микроволнового луча

Излучения такого диапазона проходят через атмосферу с малыми

потерями в результате поглощения. На Земле эти лучи примут и преобразуют

в электроэнергию, а та пойдет на получение водорода. Последний можно

хранить, транспортировать и легко по мере надобности использовать как

топливо (т.е. вновь получать Е).

Проект этот кажется фантастичным, однако усовершенствование

космической техники рано или поздно приведет к его реализации как

перспективного.

4.HГенератор "океан - Солнце". Работа этого генератора, пока еще тоже

находящегося в стадии модели основана на использовании для выработки

энергии разности температур в океане. Поверхностные воды в тропиках

обычно нагреты Солнцем до 20 - 25H°С, на глубине же 1 - 2Hкм температура

падает до 5H°С. Остается только создать конструкцию с непрерывным

рабочим циклом, типа тепловой машины, где, например, аммиак мог бы

поочередно конденсироваться в нижней части агрегата (глубоководной) и

кипеть в верхней. Такой коллектор, принцип работы которого основан на

температурном градиенте, должен быть более эффективен, чем ФГЭ или

гелиоконденсаторы, поскольку он добывает энергию, накопленную океаном

за время, предшествующее облучению (как бы запасенную ранее). ФГЭ и

гелиоконцентраторы собирают в лучшем случае всю энергию Солнца,

поступающую к ним в данный момент времени. Если в облачность или

ночью ФГЭ и гелиоконцентратор вынуждены "отдыхать", то генератор

"океан - Солнце" будет трудиться, т.к. градиент температур сохраняется!

Кроме энергии Солнца можно преобразовывать энергию ветра и сил

гравитации. Все это также экологически чистые источники.

Энергию можно получать из растительной биомассы. Об этом люди

знали давно, с тех пор, как стали разжигать костры. Затем научились

превращать тепло в механическую или электрическую энергию (Е).

Возможные способы извлечения Е из биомассы показаны на схеме:

Сухое вещество

биомассы

Сырое вещество

биомассы

Специальные

сельскохозяй-

ственные

культуры,

содержащие

сахариды

Водоросль

Bothryococcus

Хлоропласты

растений,

бактерии

гидролиз

Гексозы

спиртовое

брожение

Этанол

экстракция

Углеводороды

- С

каталитический

фотолиз воды

биометаногенез

Биогаз

(метан)

сгорание

Ниже кратко рассмотрены особенности некоторых указанных способов

производства Е при помощи растений и микроорганизмов.

1. Биометаногенез (получение биогаза). Процесс биометаногенеза

осуществляют бактерии в три стадии. На первой стадии происходят

растворение и гидролиз сложных органических соединений до

пропионовой, масляной и молочной кислот:

( )

















---

  .COOHRCOOH

COOHOHCHH

CHCHCH

COOHCHCH

OHC

223

zyx

Вторая стадия - ацидогенез под действием уксуснокислых бактерий:

R COOH H C COOH CO H-  -  

3 2 2

Третья стадия - метаногенез:

.ОНСННСО

ерииметанобакт

 

Биогаз состоит в основном из метана (65H%) и углекислого газа (30H%).

В строго анаэробных условиях метан можно получить из

ароматических соединений. Этот процесс используют, кстати, при

утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе таким путем

может идти биотрансформация некоторых биоцидов:

4 24 12 4 8

12 12 12

4 4 4

3 12 3 6

4 18 15 13

6 5 2 3 2

3 4 2

2 2

2 2 4 2

6 5 2 4 2

С Н СООН Н О СН СООН НСООН Н

бензойная кислота

СН СООН СН СО

НСООН СО Н

СО Н СН Н О

C Н СООН Н О СН СО

   

 

  

Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а

также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и

промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в

виде СН4 в специальных реакторах-дайджестерах. В некоторых странах

(Индия, Китай, Филиппины) разработаны национальные энергетические

программы, нацеленные на производство биогаза.

2.HПроизводство этанола. Этанол можно использовать в качестве

альтернативного топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания

либо в безводном виде, либо в смеси с бензином (хорошо зарекомендовала

себя смесь из 6 - 9 частей бензина и 1 части С2Н5ОН, называемая

"газохолом"). Может применяться для этих целей также и гидратированный

этанол.

Процесс производства этилового спирта с помощью микроорганизмов

(спиртовое брожение) становится все более предпочтительным перед

химическим синтезом. Поставщиками сырья - запасных сахаридов (крахмала,

инулина, сахарозы) - служат некоторые сельскохозяйственные культуры

(свекла, сорго, тростник, маниок, кукуруза и т.д.). Ферментационный процесс

при участии бактерий или дрожжей включает в себя, в частности, следующие

стадии:

Наряду с этанолом (используя варианты спиртового и

ацетонобутанолового брожений) можно получать метанол СН3ОН и н-

бутанол С4Н9ОН. Так, во Франции к середине 1980-хHгг. 10H% чистого

бензина, предназначенного для автотранспорта, планировали заменить

метанолом и ацетонобутаноловой смесью. Последние получали после

гидролиза и брожения углеводов. Исходным сырьем служил инулин -

запасной полисахарид, содержащийся в клубнях топинамбура (земляной

груши).

Внедряя подобные способы извлечения Е из биомассы, некоторые

страны (например Бразилия) экономят нефть и, кроме того, решают в

значительной степени проблему экологического загрязнения,

обусловленного бензиновыми выхлопами.

3.HПроизводство углеводородов с помощью микроорганизмов.

ВHконце 1970-х гг. было обнаружено, что одноклеточная водоросль

Botryococcus braunif содержит в составе своей клетки 15 - 75H% (в сухой

массе) высших линейных алкенов с числом атомов углерода от 25 до 38. Эти

углеводороды получили название ботриококкцены.

При разработке технологий (а они уже есть, в частности во Франции и

США) ботриококкцены, продуцируемые этой водорослью, можно выгодно

использовать в качестве источника энергии и сырья для нефтехимической

промышленности (т.е. как альтернативный нефти материал).

Интересно отметить также способность некоторых водорослей

(например, сине-зеленых) продуцировать водород при облучении видимым

светом. Водороду же сулят роль экологически чистого топлива будущего.

В последнее время довольно часто обращаются к вопросам водородной

энергетики.

Сжигание водорода сопровождается образованием только паров воды,

хотя и они могут способствовать формированию парникового эффекта. Но в

отличие от горения углерода в данном случае отсутствует опасность

появления СО.

В форме водорода, самого легкого элемента, экономичнее всего

осуществлять передачу энергии на большие расстояния. наконец, водород -

самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле запасы его

практически неисчерпаемы.

Водород может применяться как топливо для самолетов и части

наземного транспорта. В автомобилях водород можно использовать

непосредственно для работы двигателей внутреннего сгорания либо через

посредство электрических топливных элементов. Теплотворная способность

водорода (в расчете на единицу массы) выше, чем у других сопоставимых

видов топлива:

Н О Н О Н

кДж моль

2 2 2

1 2 285 8  =-/ , , / .D

В металлургии при использовании Н2 в доменных печах выделялся бы

чистый водяной пар, а при переработке руд - элементарная сера и вода. Даже

если водород будет сгорать не полностью, то и это не будет приводить к

загрязнению атмосферы - этот газ нетоксичен и легко диффундирует в

верхние атмосферные слои.

Из водорода можно получать метанол и аммиак, а также формальдегид:

.ОНОСНСОН2

2222



Метанол СН

ОН - удобное топливо для наземного транспорта, а

формальдегид - исходное сырье для производства разнообразных

органических соединений.

Как получить водород в больших количествах?

1. В начальный период становления водородной энергетики

получение Н2 сводилось к следующему процессу (синтез Боша):

С (кокс) + Н

О  СО + Н

Из состава водяного газа (СО + Н

) монооксид углерода удаляется

доокислением:

2СО + О

 2СО

Однако уголь, как уже указывалось, - ресурс ограниченный, поэтому

перспективнее рассматривать в качестве источника Н

воду.

2. Термораспад воды - нерентабельный процесс (выход Н

равен

примерно 1H% при температуре около 2000HК).

3. Химический процесс с каким-либо веществом А через стадию

образования оксида:

А + Н

О  АО + Н

;

2АО  2А +О

Например,

а) получение из природного газа:

СН Н О СО Н

С Ni

4 2

900

3     



;

б) каталитическое окисление метана кислородом:

2СН

+ О

 2СО +4Н

;

в) получение из воды (простейший косвенный способ):

( )

4.O2/1OCuCuO2

3;C100OH2CuBr2CuO2OHCu2CuBr2

2;C100HOHCuBr2OCuHBr4

1;C730HBr4OHCu2OH4CuBr2

2222









Как видно из приведенных уравнений, химики прилагают дополнительные

усилия к тому, чтобы сделать процесс циклическим и максимально безотходным

(уравнения 3 и 4).

4. Крекинг и риформинг углеводородов. Водород в этом случае

получается как побочный продукт при переработке нефти.

5. Электрохимический метод. а) Электролиз воды. Электроды

помещают в подщелоченную или подкисленную воду, причем водород

собирают на катоде. б) Электролиз рассола. Водород можно выделять как

побочный продукт при электролизе водного раствора соли NaCl в процессе

производства хлора и гидроксида натрия.

Несмотря на высокую чистоту электрохимического метода, есть у

электролиза и минусы - на него необходимо тратить электроэнергию! Таким

образом, остается нерешенным до конца вопрос о наиболее подходящем

источнике Е для получения Н2 (ядерная установка или солнечные

преобразователи?).

6. Электролиз водяного пара. На первый взгляд это кажется

невероятным - разложить пары воды на Н

и О

при 900 - 1000H°С. Однако

опыты по созданию высокотемпературных топливных элементов (в качестве

электролизера) были успешно осуществлены. Электролитом в таких

элементах служит тонкая мембрана из диоксида циркония ZrO

. Водяной пар

на поверхности ZrO

диссоциирует под действием электрического тока на

2Н+ и О

-. Ток внешнего источника питания нейтрализует протоны, которые

дают Н

на одной стороне мембраны. Ионы О2- диффундируют через

мембрану и отдают свои электроны проводнику на другой стороне пленки из

ZrO

- в результате чего выделяется О

. Сложности при осуществлении

такого способа заключаются в создании качественных прочных и в то же

время очень тонких пленок из диоксида циркония.

Подводя итог сказанному о развитии энергетики, подчеркнем

следующее.

Современный уровень потребления энергии настолько высок, что

проблема ограниченности сырья для ее производства приобретает

первостепенное значение. За последние 30Hлет человечество использовало

столько же энергии и минерального сырья, сколько за всю предыдущую

историю.

Причем, потребление энергии растет быстрее, чем численность

населения и за каждое десятилетие примерно удваивается (в то время как

увеличение добычи топлив возрастает ежегодно лишь на 6 - 7H%).

Россия - единственная промышленно развитая страна, полностью

обеспечивающая свои потребности за счет собственных природных ресурсов.

Она располагает 23H% мировых доказанных запасов угля, 36H%

природного газа и 6 - 7H% нефти. Обеспеченность РФ запасами топлива по

последним международным оценкам составляет: нефти - 20Hлет

(среднемировая - 45Hлет); газа - 72Hгода (среднемировая - 64Hгода); угля -

500Hлет (среднемировая- 200Hлет).

По данным Российской Академии наук (РАН), учитывающих

климатические условия России, для полного удовлетворения потребности

каждого россиянина в тепловой и электрической энергии, необходимо иметь

19,8Hтонн условного топлива (т.у.т.) или 2700 - 2800Hт.у.т/год. (Условное

топливо - понятие, используемое для сопоставления различных видов

органического топлива и его суммарного учета. В качестве единицы

условного топлива в России применяют 1Hкг топлива, имеющего низшую

теплоту сгорания 29,3HМДж (7000 ккал).

Соотношение между условным и натуральным топливом выражается

формулой:

В Э В

н н

= × = ×

,29 3

, где

Ву - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

Вн - масса натурального топлива, кг (твердое, жидкое) или м3

(газообразное);

- низшая теплота сгорания данного натурального топлива, МДж/кг

или МДж/м3;