Биосфера. Основные функции и свойства живого вещества в биосфере

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей по характеру протекания физико-химических процессов делятся на четыре группы: промывка выбросов растворителями примеси (метод абсорбции); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (метод хемосорбции); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (метод адсорбции); поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

Метод абсорбции. Этот метод заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси поглотителем (называемым абсорбентом) с образованием раствора. Физическая сущность процесса абсорбции объясняется так называемой пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности раздела обеих фаз образуется жидкостная и газовая пленки.

Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси проникает путем диффузии сначала через газовую пленку, а затем сквозь жидкостную и поступает во внутренние слои абсорбента. Для осуществления диффузии необходимо, чтобы концентрация растворяемого компонента в газовоздушной смеси превосходила его равновесную концентрацию над жидкостью. Чем менее насыщен раствор, тем больше он поглощает газа.

Поглощающую жидкость (абсорбент) выбирают из условия растворимости в ней поглощаемого газа, температуры и парциального давления газа над жидкостью. Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и давления. Если растворимость газов при 0° С и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы называются хорошо растворимыми.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н2О. При поглощении же из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.

Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) проводится либо снижением общего давления (или парциального давления) примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов, одновременно.

В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой насадку  размещенную в полости вертикальной колонны. В качестве насадки, обеспечивающей большую поверхность контакта газа с жидкостью, обычно используются кольца Рашига, кольца с перфорированными стенками и др. Материалы для изготовления насадки (керамика, фарфор, уголь, пластмассы, металлы) выбираются исходя из соображений антикоррозионной устойчивости. Орошение колонн абсорбентом осуществляется при помощи одного или нескольких разбрызгивателей.

Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы, как правило, находят применение при небольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые - при высокой производительности, достигающей десятков и сотен тысяч м3/ч.

Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.

Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер, т. е. отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенным недостатком таких аппаратов являются большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента.

Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность работы установки. Такие методы позволяют более полно, чем при проведении процесса с неподвижным слоем адсорбента, использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации оборудования. В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о друга и истирания о стенки аппарата.

Основное назначение бытовых воздухоочистителей – очистка воздуха помещений от взвешенных частиц, некоторых газов и запахов.

Бытовые воздухоочистители по принципу фильтрации воздуха можно условно разделить на несколько основных категорий:

- Фотокаталитические “фильтры”

- Адсорбционные фильтры

- Пылевые фильтры

- Ионизирующие очистители или электрофильтры

Фотокаталитический фильтр — новинка в области очистки воздуха.

Принцип действия основан на том, что на поверхности катализатора под действием ультрафиолетового излучения происходит окисление всех органических веществ до безвредных компонентов чистого воздуха. На сегодняшний день, этот метод является, наиболее эффективным и экономичным. Как считают ученые, он станет в XXI веке основным методом молекулярной очистки воздуха. Многие, особенно автомобилисты, слышали о так называемых “катализаторах” — термокаталитических дожигателях выхлопных газов автомобиля. В этих устройствах токсичные примеси окисляются на поверхности катализатора, как правило на платине, под действием высокой температуры.

Фотокаталитическая очистка воздуха несколько напоминает эти процессы. ФКО — по сути, повторяет естественные фотохимические процессы очистки воздуха в природе. Сущность ФКО метода состоит в разложении и окислении токсичных примесей на поверхности фотокатализатора под действием ультрафиолетового излучения. Реакции протекают при комнатной температуре, при этом примеси не накапливаются, а разрушаются до безвредных компонентов, причем фотокаталитическое окисление не делает разницы между токсинами, вирусами или бактериями — результат один и тот же. Большинство запахов вызываются органическими соединениями, которые также полностью разлагаются очистителем и поэтому исчезают.

Явление было открыто более 20 лет назад, однако бытовые приборы серийно стали выпускаться только недавно. В период с 1993 по 1999 г.г. методу посвящено пять международных конференций, на которых в качестве примеров его опытно-промышленного применения сообщалось об очистке воздуха:

Адсорбционные угольные фильтры улавливают практически все токсичные примеси воздуха с молекулярной массой более 40 атомных единиц. Однако, исследования и практика использования адсорбционных угольных фильтров, показали, что уголь практически не адсорбирует легкие соединения, к числу которых относятся такие типичные загрязнители городского воздуха как окись углерода, окислы азота, формальдегид. Таким образом, воздухоочистители, использующие угольные фильтры, оказались не эффективны для очистки воздуха городских помещений от его основных экозагрязнителей.

Существенным недостатком любых адсорбционных фильтров является их ограниченная емкость и при несвоевременной замене адсорбента, они сами становятся источником токсичных органических веществ и болезнетворных бактерий, загрязняющих окружающую атмосферу. Адсорбционные фильтры используются в приборах фирм Philips (Голландия) и Honeywell (США), а также в ряде отечественных системах воздухоочистки.

+ Улавливает практически все токсичные примеси с молекулярной массой более 40 атомных единиц, хорошо улавливает пыль.
- Не эффективен для основных экозагрязнителей городского воздуха.
- Высокие эксплутационные расходы.

- При несвоевременной смене фильтров — воздухоочистель становится источником вредных веществ.

Пылевые фильтры – представляют собой специальную ткань из различных волокон, способных задерживать частицы пыли размером от 0.3 микрон и выше. Принцип их работы достаточно прост: воздух вентилятором прогоняется через ткань и тем самым освобождается от частиц пыли. Технология использования пылевых фильтров в промышленных и бытовых воздухоочистителях широко распространена на Западе и носит название HEPA (High Efficiency Particulate Air). Данный принцип пылеулавливания используется в воздухоочистителях фирм Bionaire (Канада) и Honeywell (США). В России — это ткань Петрянова.

+ Простота использования, средняя стоимость.

- Очистка только от частиц пыли средней дисперсности, летучие экозагрязнители остаются в воздухе.

- Высокие эксплутационные расходы.

Ионизирующие очистители, или электрофильтры, хорошо очищают воздух от пыли и копоти, абсолютно не освобождая от таких токсичных загрязнителей как окись углерода, окислы азота, формальдегид и других вредных органических соединений, присутствующих в воздухе бытовых и производственных помещений. Кроме того, в процессе работы ионизационные очистители сами генерируют окислы азота и крайне опасный газ озон, который в 5 раз токсичнее, чем угарный газ.

Озон – тот самый газ который образуется в воздухе после грозы, запах которого мы ощущаем при сильных электрических разрядах. И, хотя присутствие этого запаха вызывает субъективное ощущение свежести, надо помнить, что озон является сильнейшим окислителем и, взаимодействуя с различными веществами, может приводить к образованию далеко не безопасных соединений. А у некоторых людей, страдающих астмой, наличие озона может вызывать приступы болезни. Причиной образования озона является использование в ионизационной камере воздухоочистительного прибора электрического напряжения в несколько тысяч вольт.

Ионизационные фильтры используются в ряде моделей воздухоочистителей фирм Bionaire (Канада) и Honeywell (США). Сегодня на отечественном рынке имеются бытовые модели воздухоочистителей, укомплектованных ионизационными фильтрами, фирмы Daikin (Япония) и российская модель “Супер-Плюс”. Следует отметить, что при использовании воздухоочистителя “Супер-Плюс”, озон в атмосфере помещения появляется практически сразу после начала его работы, т.е. даже при незагрязненном “заземлителе”.

К воздухоочистительным приборам, использующим принцип ионизации воздуха, относится и популярная в нашей стране “Люстра Чижевского”. Ее отличие от вышеупомянутого ионизационного фильтра в том, что осаждающей поверхностью в схеме воздухоочистки, служат потолок и стены вашей квартиры. Данный принцип очистки воздуха от пыли был бы незаменим в угольной шахте, но в случае “комнаты с белым потолком” результаты деятельности этого воздухоочистителя не замедлят проявиться в виде черного пятна над “Люстрой”.

+ Простота использования, средняя стоимость.- Очистка только от частиц пыли, органические и токсичные загрязнители остаются в атмосфере воздуха.- В процессе работы воздухоочистительных приборов генерируются окислы азота и крайне опасный для здоровья газ — озон.

Список использованных источников

1. Акимова Т.В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов/ Т.А.Акимова, В.В.Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:ЮНИТИ, 2006.- 556 с

2. Акимова Т.В. Экология. Природа-Человек-Техника.: Учебник для студентов техн. направл. и специал. вузов/ Т.А.Акимова, А.П.Кузьмин, В.В.Хаскин - М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2006.- 343 с

3. Бродский А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006. - 256 с.

4. Воронков Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006. – 424 с.

5. Коробкин В.И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В.И. Коробкин, Л.В.Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007.- 575с.

6. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экорлогия. 2-е изд.Учебник для вузов. М.: Дрофа, 2007. – 624 с.

7. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Уч. пособие для стут. химико-технол. и техн. сп. вузов./ Под ред. В.А.Соловьева, Ю.А.Кротова.- 4-е изд., испр. – СПб.: Химия, 2006. -238с.

8. Одум Ю. Экология. - М.: Наука,2006.

9. Чернова Н.М. Общая экология: Учебник для студентов педагогических вузов/ Н.М.Чернова, А.М.Былова. - М.: Дрофа, 2008.-416 с.

10. Экология: Учебник для студентов высш. и сред. учеб. заведений, обуч. по техн. спец. и направлениям/Л.И.Цветкова, М.И.Алексеев, Ф.В.Карамзинов и др.; под общ. ред. Л.И.Цветковой. М.: АСБВ; СПб.: Химиздат, 2007.- 550 с.

11. Экология. Под ред. проф.В.В.Денисова. Ростов-н/Д.: ИКЦ «МарТ», 2006. – 768 с.

3