Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-

СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

А.Г. Ветошкин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебное пособие

Пенза 2002

УДК 628.5

ББК 20.1

Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды. Учебное

пособие. – Пенза: Изд-во ПГАСА, 2002. - с.: ил., библиогр.

Рассмотрены основные направления инженерной защиты окружающей

среды, приведены классификации существующих видов загрязнений, их ос-

новные характеристики, классификации методов и способов защиты атмо-

сферы, гидросферы, литосферы от химических и физических видов загрязне-

ний, основанные на использовании основных законов природопользования.

Рассмотрены физические основы защиты атмосферного воздуха от аэрозо-

лей, способы очистки выбросов от вредных газов и паров, изложены вопросы

разбавления загрязненных выбросов путем их рассеивания в атмосфере, при-

ведено описание основных методов очистки сточных вод, методы защиты

литосферы от промышленных и хозяйственно-бытовых отходов, изложены

теоретические основы защиты от энергетических воздействий.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Инженерная экология»

Пензенской государственной архитектурно-строительной академии и предна-

значено для подготовки специалистов по направлению 553500 «Защита ок-

ружающей среды» со степенью «Бакалавр техники и технологии» и инжене-

ров-экологов по специальности 330200 «Инженерная защита окружающей

среды». Оно может быть использовано в качестве дополнительной учебной

литературы при изучении дисциплины «Экология» студентами других инже-

нерных специальностей.

Рецензенты:

Кафедра «Экология и безопасность жизнедеятельности» Пензенского

государственного университета (зав. кафедрой, к.т.н., доцент, член-

корресподент МАНЭБ В.И.Симакин).

Кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ

В.В.Арбузов (Пензенский филиал Международного независимого эколого-

политологического университета).

Издательство ПГАСА

А.Г.Ветошкин

Содержание

Введение.

Раздел 1. Основные физико-химические закономерности

защиты окружающей среды

1.1. Агрегатные состояния вещества

1.2. Свойства твердых тел

1.3. Объединенный газовый закон

1.4. Основные понятия и законы термодинамики

1.5. Смачивание и капиллярные явления

1.6.Коллоидные системы

1.7. Поверхностные явления

1.8. Растворенное состояние веществ

1.9. Кинетика химических процессов

1.10. Свойства переноса в гетерогенных системах

1.11. Кинетика гетерогенных процессов

1.12. Составы многокомпонентных систем

1.13. Структурно-геометрические характеристики пористых сред

Раздел 2. Характеристики загрязнений окружающей среды и

основные методы ее защиты.

2.1. Показатели качества окружающей среды.

2.2. Источники загрязнения атмосферы.

2.3. Характеристики пылегазовых загрязнителей воздуха.

2.4. Основные свойства аэрозолей.

2.5. Вредные газы и пары.

2.6. Классификация вод и свойства водных дисперсных систем.

2.7. Классификация промышленных отходов.

2.8. Энергетическое загрязнение окружающей среды.

2.9. Методы защиты окружающей среды от промышленных

загрязнений.

2.10. Методы очистки пылевоздушных выбросов.

2.11. Способы очистки газовых выбросов.

2.12.Классификация способов очистки сточных вод.

2.13. Методы защиты литосферы.

2.14. Методы защиты от энергетических воздействий.

2.15. Принципы интенсификации процессов защиты окружающей

среды.

Раздел 3. Очистка воздуха от аэрозольных примесей.

3.1. Гравитационное осаждение частиц.

3.2. Центробежное осаждение частиц.

3.3. Инерционное осаждение частиц.

3.4. Фильтрование аэрозолей.

3.5. Мокрая газоочистка.

3.6.Осаждение частиц в электрическом поле.

3.7. Термофорез частиц аэрозолей.

Раздел 4. Очистка газовых выбросов.

4.1. Абсорбция газовых примесей.

4.1.1. Растворы газов в жидкостях.

4.1.2. Равновесие в процессах абсорбции.

4.1.3. Материальный баланс абсорбции.

4.1.4. Массоперенос в процессе абсорбции.

4.1.5. Кинетические закономерности абсорбции.

4.1.6.Схемы абсорбционных процессов.

4.2.Адсорбция газовых примесей.

4.2.1. Теория адсорбции.

4.2.2. Адсорбенты.

4.2.3. Механизм процесса адсорбции.

4.2.4. Равновесие при адсорбции.

4.2.5.Материальный баланс процесса адсорбции.

4.2.6. Кинетика адсорбции.

4.2.7. Десорбция поглощенных примесей.

4.3. Термохимическое обезвреживание газообразных выбросов.

4.3.1. Каталитические методы очистки газовых выбросов.

4.3.2. Теория катализа.

4.3.3. Кинетика реакций гетерогенного катализа.

4.3.4. Высокотемпературное обезвреживание газовых выбросов.

4.4. Конденсация газообразных примесей.

Раздел 5. Рассеивание и разбавление примесей в атмосфере

и гидросфере

5.1. Диффузионные процессы в атмосфере.

5.2. Распространение загрязнений в атмосфере.

5.3. Изменение концентрации примесей в атмосфере.

5.5. Разбавление примесей в гидросфере.

5.5. Разбавление сточных вод при спуске в водоемы.

Раздел 6. Защита гидросферы.

6.1.Гидромеханические способы очистки сточных вод.

6.1.1. Отстаивание сточных вод.

6.1.2. Центробежное осаждение примесей из сточных вод.

6.1.3. Фильтрование сточных вод.

6.2.Физико-химические методы очистки сточных вод.

6.2.1. Коагуляция и флокуляция загрязнений сточных вод.

6.2.2. Флотационная очистка сточных вод.

6.2.3. Очистка сточных вод адсорбцией.

6.2.4. Ионный обмен в растворах сточных вод.

6.2.5. Очистка сточных вод экстракцией загрязнений.

6.2.6. Обратный осмос и ультрафильтрация в растворах

сточных вод.

6.2.7. Десорбция, дезодорация и дегазация растворенных примесей.

6.2.8. Электрохимические методы очистки сточных вод.

6.3. Химические методы очистки сточных вод.

6.3.1. Нейтрализация сточных вод.

6.3.2. Окисление загрязнителей сточных вод.

6.3.3. Очистка сточных вод восстановлением.

6.3.4. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов.

6.4.Процессы биохимической очистки сточных вод.

6.4.1. Основные показатели биохимической очистки сточных вод.

6.4.2. Аэробный метод биохимической очистки.

6.4.3. Механизм биохимического распада органических веществ.

6.4.4. Кинетика биохимического окисления.

6.4.5. Анаэробные методы биохимической очистки.

6.4.6. Обработка осадков сточных вод.

6.5. Термические методы очистки сточных вод.

6.5.1. Концентрирование сточных вод.

6.5.2. Кристаллизация веществ из растворов.

6.5.3. Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод.

Раздел 7. Защита литосферы от отходов.

7.1. Механические методы обработки жидких отходов.

7.1.1. Гидромеханическое обезвоживание осадков сточных вод.

7.1.2. Фильтрование осадков сточных вод.

7.1.3. Центробежное фильтрование осадков.

7.2. Механическая переработка твердых отходов.

7.3. Физико-химические основы обработки и утилизации отходов.

7.3.1. Реагентная обработка осадков сточных вод..

7.3.2. Физико-химические методы извлечения компонентов

из отходов.

7.3.3. Обогащение при рекуперации твердых отходов.

7.4. Термические методы обработки отходов.

7.4.1. Термические методы обезвреживания минерализованных

стоков.

7.4.2. Термические методы кондиционирования осадков

сточных вод.

7.4.3. Сушка влажных материалов.

7.4.4. Термохимическая обработка твердых отходов.

Раздел 8. Защита окружающей среды от энергетических воздействий.

8.1.Теоретические основы защиты окружающей среды

от энергетических воздействий.

8.2. Защита окружающей среды от механических и

акустических колебаний.

8.3. Защита от ионизирующих излучений.

8.4. Защита от электромагнитных полей и излучений.

Контрольные вопросы.

Литература.

Введение

Развитие цивилизации и современный научно-технический прогресс не-

посредственным образом связаны с природопользованием, т.е. с глобальным

использованием природных ресурсов.

Природопользование - отрасль материального производства и наука,

решающие и исследующие проблемы удовлетворения материальных потреб-

ностей человеческого общества, необходимых для его нормального воспро-

изводства, интеллектуально-духовного развития в течение неограниченно

долгого времени на базе ограниченных природных ресурсов без деградации

окружающей среды.

Составной частью природопользования является переработка и воспро-

изводство природных ресурсов, охрана их и защита окружающей среды в це-

лом, которая осуществляется на основе инженерной экологии – науки о

взаимодействии технических и природных систем.

Теоретические основы защиты окружающей среды - комплексная на-

учно-техническая дисциплина инженерной экологии, изучающая основы соз-

дания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промыш-

ленных производств, реализации инженерно-экологических решений по ра-

циональному природопользованию и охране окружающей среды.

Цель курса «Теоретические основы защиты окружающей среды - полу-

чение необходимых базовых знаний об основных методах и закономерностях

физико-химических процессов защиты окружающей среды, основах техноло-

гий очистки пылегазовых выбросов, жидких сбросов, утилизации и перера-

ботки твердых отходов, о физических принципах защиты окружающей среды

от энергетических воздействий.

С точки зрения современной науки, геофизическая оболочка Земли

представляет собой ноосферу - сферу взаимодействия природы и общества,

или систему «окружающая природная среда - человек – техника». Под "ок-

ружающей природной средой" или "окружающей средой" понимается сово-

купность естественных и измененных природных условий обитания человека

и производственной деятельности общества.

В процессе бытовой и производственной деятельности человеческое

общество неизбежно влияет на окружающую среду, которая немедленно или

через определенный промежуток времени реагирует на это влияние и оказы-

вает обратное положительное либо отрицательное действие.

Развитие мирового общественного производства идет все ускоряющи-

мися темпами, и размеры ущерба, наносимого окружающей среде, увеличи-

ваются при этом так, что их уже невозможно, как раньше, преодолеть естест-

венным путем, без использования глубоко продуманного комплекса законо-

дательных и технологических мероприятий, затрагивающих все сферы про-

изводственной деятельности человека.

Промышленные отходы (ПО) и загрязнения, выделяющиеся в техноло-

гических циклах предприятий и при очистке производственных сточных вод,

представляют наибольшую опасность прежде всего для населения крупных

промышленных центров и окружающих их регионов, создают трудности в

работе городских коммунальных служб.

В связи с этим в дальнейшем необходимо внедрение технологических

процессов, дающих минимальные выбросы, при которых самоочищающаяся

способность природы в достаточной степени будет препятствовать возникно-

вению необратимых экологических изменений.

Под безотходной технологией понимается идеальная модель производ-

ства, в результате деятельности которого не происходит выбросов в окру-

жающую среду, но в большинстве случаев она не может быть реализована в

полной мере. Безотходное производство можно характеризовать всемерно

возможной утилизацией образовавшихся в прямых технологических процес-

сах отходов.

Малоотходная технология представляет собой промежуточную ступень

безотходной и отличается от нее тем, что обеспечивает получение готового

продукта с не полностью утилизируемыми отходами. Отходы представляют

собой побочные продукты промышленного производства, выделяющиеся в

процессе производства основных видов продукции и характеризующиеся оп-

ределенными физико-химическими свойствами. Отходы производства и по-

требления, пригодные для переработки в товарную продукцию, относятся к

вторичным материальным ресурсам.

При создании и реализации малоотходной и безотходной технологии

природопользования используются различные методы и технологические

процессы инженерной экологии, включая механические, физико-химические,

химические, термические и биологические процессы: осаждения и разделе-

ния гетерогенных систем, коагуляции и электрокоагуляции, флокуляции,

сорбции, катализа, конденсации, флотации и электрофлотации, жидкостной

экстракции, ионного обмена, химического и электрохимического окисления

и восстановления, биохимического окисления и разложения, пиролиза, огне-

вого обезвреживания и др.

Раздел 1. Основные физико-химические закономерности

защиты окружающей среды

1.1. Агрегатные состояния вещества

В большинстве случаев каждое вещество в зависимости от внешних ус-

ловий (температуры и давления) может находиться в газообразном, жидком и

твердом видах, получивших название «агрегатные состояния». Однако для

некоторых веществ не все три агрегатных состояния достижимы. Так, карбо-

нат кальция (известняк) при обычных или близких к ним давлениях окру-

жающей среды не удается получить ни в жидком, ни в газообразном состоя-

нии, так как он разлагается при нагревании раньше, чем наступает его плав-

ление или испарение. Вместе с тем возможны условия, при которых вещест-

во может находиться одновременно в двух или даже трех агрегатных состоя-

ниях. В частности, вода при 0,01°С и давлении 4,58 мм ртутного столба на-

ходится в равновесном устойчивом состоянии в виде льда, жидкости и водя-

ных паров.

Каждому химическому соединению или простому веществу соответст-

вует одна форма газообразного состояния и одна - жидкого (не считая жид-

ких кристаллов).

В твердом же состоянии одно и то же вещество может иметь две и более

формы (модификации), отличающиеся внутренним строением и свойствами.

Явление существования нескольких модификаций твердого состояния данно-

го соединения или простого вещества называется полиморфизмом.

Сравнительная устойчивость конкретной фазы или модификации зави-

сит от условий, в которых они находятся, в частности от температуры и дав-

ления. При их изменении вещество может перейти из одного агрегатного со-

стояния или полиморфной формы в другие.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется па-

рообразованием. В частном случае, когда парообразование происходит толь-

ко на поверхности жидкости, процесс называется испарением. Обратный пе-

реход газа в жидкое состояние есть сжижение.

Переход из твердого состояния в газообразное определяется как возгон-

ка или сублимация. Обратный переход из газообразного состояния в твердое

именуется десублимацей.

Примерами сублимации являются сушка продуктов, охлаждение «сухим

льдом» (твердым диоксидом углерода), который непосредственно переходит

в газообразное состояние. Явление десублимации лежит в основе выпадения

инея на почву, замерзания стекол в окнах помещений и других природных

процессов.

Переход газообразного вещества в жидкое или твердое состояние (сжи-

жение и десублимация) объединяются общим понятием конденсация пара. В

связи с этим твердое и жидкость рассматриваются как конденсированное со-

стояние.

Переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а об-

ратный процесс - отвердеванием (или замерзанием, если оно имеет место

при невысокой температуре). Переход из одной модификации твердого со-

стояния в другую называется полиморфным превращением или просто пере-

ходом.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое или полиморф-

ное превращение сопровождаются выделением или поглощением теплоты

(парообразования или испарения, сублимации, плавления, полиморфного

превращения и т.д.).

По характеру теплового явления (поглощение или выделение тепла)

можно судить, в каких температурных условиях то или иное агрегатное со-

стояние и полиморфные формы вещества устойчивее. При более высоких

температурах устойчивее те состояния и формы, переход в которые протека-

ет с поглощением тепла, а при более низких - те, переход в которые обуслов-

лен выделением тепла. В рассмотренных выше случаях плавление и испаре-

ние сопровождаются поглощением теплоты, поэтому жидкое состояние за-

метно устойчивее твердого при более высоких температурах, а газообразное

состояние устойчивее жидкого при еще более высоких температурах.

1.2. Свойства твердых тел

Обычно вещество называют твердым, если оно сохраняет свои форму и

объем. Однако это лишь внешние признаки твердого состояния. Наличие

только их не дает возможности четко разграничить твердое и жидкое. По

этим признакам, например, аморфные вещества являются твердыми, хотя по

внутреннему строению относятся к жидкостям.

Под твердыми телами в физике подразумеваются только такие, у кото-

рых имеется кристаллическое строение.

Под кристаллами понимается элементарная естественно образованная

часть тела, которая сохраняет все его физические свойства и размеры кото-

рой ограничены гладкими плоскими поверхностями, расположенными под

определенными углами. Такие части тела называют монокристаллами.

Обычно монокристаллы имеют очень маленькие размеры, хотя в отдельных

случаях они весьма значительны, как, например, кристаллы горного хруста-

ля, достигающие величины человеческого роста (сросток крупных кристал-

лов называют друзой).

Частицы в кристаллах (атомы, молекулы, ионы) образуют кристалличе-

скую (пространственную) решетку. В кристаллической решетке точки, соот-

ветствующие наиболее устойчивому (равновесному) положению частиц, со-

ставляют узлы решетки. Они имеют правильное расположение, периодиче-

ски повторяющееся внутри кристалла. Данное расположение частиц в узлах

решетки кристаллов называют дальним порядком.

Правильное расположение частиц в решетке кристаллов является при-

чиной их анизотропии, т.е. неодинаковости свойств кристаллов в различных

направлениях.

Многие кристаллы имеют явную анизотропию механических свойств.

Например, слюда легко расщепляется на пластинки, каменная соль раскалы-

вается на кубики и т.д. Плоскости, по которым кристаллическое вещество

наиболее легко раскалывается, называются плоскостями спайности. Извест-

на также анизотропия электрических свойств, теплопроводности и т.п.

Однако в реальных твердых телах всегда имеются отступления от иде-

ально правильного расположения частиц в пространстве, что отклоняет их

строение от монокристаллического и нарушает дальний порядок.

Большинство твердых веществ имеет не монокристаллическое, а поли-

кристаллическое строение, т.е. состоит из множества очень мелких кристал-

ликов, хаотично расположенных по отношению друг к другу. Поэтому поли-

кристаллические твердые тела в целом являются изотропными, иначе говоря,

обладают одинаковыми свойствами по всем направлениям, хотя каждый от-

дельный кристаллик обладает свойством анизотропии.

Идеальный дальний порядок во внутреннем строении кристаллов на

практике тоже никогда не соблюдается. Эти отступления от идеального по-

рядка во, внутреннем строении кристаллов называют дефектами кристалли-

ческой решетки.

Дефекты кристаллической решетки и некоторые другие отклонения, по-

являющиеся в результате формирования кристалла или последующего меха-

нического воздействия на него, называют дислокацией кристаллов.

Дефекты кристаллических решеток и дислокации, их характер и концен-

трация сильно влияют на многие свойства твердых тел, существенно ухуд-

шая, например, их прочность, пластичность, электропроводность и другие

характеристики. Многие области современной техники, в особенности мик-

роэлектронной, стали возможны только с развитием технологий получения

сверхчистых веществ и разработкой способов выращивания кристаллов с

минимальным количеством дефектов и примесей.

Однако многие свойства твердых материалов определяются не столько

дефектами кристаллической структуры, сколько характером сил, действую-

щих в ней между частицами.

По характеру сил, действующих между частицами, находящимися в уз-

лах решетки кристалла, различают четыре типичных кристаллических струк-

туры: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

Ионная структура характеризуется наличием положительных и отри-

цательных ионов в узлах решетки. Удерживают ионы в узлах решетки силы

взаимного электрического притяжения и отталкивания.

Разноименно заряженные ионы в кристаллической решетке расположе-

ны ближе друг к другу, чем одноименно заряженные, поэтому силы притя-

жения между ними преобладают над силами отталкивания, что обусловлива-

ет значительную прочность кристаллов. По этой же причине кристаллы с

ионной решеткой имеют сравнительно высокие температуры плавления и

малую летучесть.

При плавлении или растворении веществ с ионной кристаллической ре-

шеткой ионы, перешедшие в расплав или раствор, становятся свободными

носителями зарядов. Поэтому расплавы и растворы являются хорошими про-

водниками электрического тока.

К веществам с ионной кристаллической решеткой относятся соли неор-

ганических кислот (соляной, серной, азотной, угольной и т.д.), значительная

часть оксидов и сульфидов одно-, двухвалентных металлов и многие другие

соединения.

Молекулярная кристаллическая структура характеризуется пространст-

венной решеткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещест-

ва. Внутри самих молекул связи являются ковалентными, т.е. насыщенными.

Поэтому взаимное притяжение молекул в кристаллической решетке осущест-

вляется слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-

дер-Ваальса). Ван-дер-Ваальс первым исследовал их влияние и отразил его в

уравнении состояния реальных газов (см. формулу 1.6). Межмолекулярные

связи имеют различную природу и определяются, в частности, ориентацион-