Химия окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Т. Ф. ГОРБАЧЕВА»

Кафедра

«Углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Химия окружающей среды

Выполнил:

студент

гр. ГБбз-12

С.В. Голобоков

Кемерово 2015.

Содержание

1. Химические превращения органических соединений в тропосфере

2. Щелочность природных вод. Общая щелочность, карбонатная щелочность

3. Уровень токсических веществ в почве - подвижных форм алюминия и марганца

4. Реферат тема 8 "Физико-химические основы очистки воздуха"

Литература

1. Химические превращения органических соединений в тропосфере

Фотохимическое превращение метана и его гомологов в тропосфере протекает по радикальному механизму. На первой стадии при взаимодействии с гидроксидным радикалом происходит образование соответствующего алкильного радикала:

R-CH₃ + HO > R-CH₂ + H₂O.

В случае превращения метана образовавшийся на первой стадии метальный радикал при столкновении с молекулой кислорода в присутствии третьего тела дает другую неустойчивую частицу - метилпероксидный радикал:

CH₃ + O₂ + M > CH₃OO + M^*.

Метилпероксидный радикал в атмосфере разлагается с образованием метоксильного радикала по реакции

2CH₃OO > O₂ + 2CH₃O.

Возможными являются и процессы взаимодействия с оксидом азота или гидропероксидным радикалом:

CH₃ OO + NO > CH₃O + NO₂; CH₃ OO + HO₂ > CH₃O + O₂ + H.

При взаимодействии метоксильного радикала с кислородом происходит образование формальдегида:

CH₃O + O₂ > CH₂O + HO₂.

Молекулы формальдегида более устойчивы в атмосфере и являются промежуточными продуктами окисления метана. При окислении гомологов метана образуются соответствующие альдегиды.

Формальдегид может подвергаться фотолизу при взаимодействии с ультрафиолетом:

CH₂O + hн > CHO + H; CH₂O + hн > CO + H₂.

Формильный радикал (НСО) образуется также при взаимодействии формальдегида с гидроксидным радикалом:

CH₂O + OH > CHO + H₂O.

Реагируя с ОН-радикалом, формильный радикал образует оксид углерода, который является еще одним устойчивым промежуточным продуктом окисления метана и его гомологов:

CHO + OH > CO + H₂O.

Оксид углерода при взаимодействии с гидроксидным радикалом образует диоксид углерода, который является конечной стадией окисления метана и его гомологов в атмосфере:

CO + OH > CO₂ + H.

Необходимо отметить, что в процессе окисления органических соединений в атмосфере, протекающем через ряд последовательных стадий, происходит образование органических радикалов, отличающихся высокой реакционной способностью и малым временем жизни в атмосфере, и достаточно устойчивых промежуточных продуктов окисления, которые часто являются значительно более токсичными соединениями, чем исходные вещества.

2. Щелочность природных вод. Общая щелочность, карбонатная щелочность

органический химический щелочность токсический

Одной из важнейших особенностей большинства природных вод является способность нейтрализовать ионы водорода. Эта способность называется щелочностью воды и определяется экспериментально при титровании пробы воды сильной кислотой, обычно НСl в присутствии фенолфталеина (рН перехода окраски - 8.3) и затем метилоранжа (рН перехода окраски - 4.5).

Основными компонентами, ответственными за процессы связывания ионов водорода, в большинстве природных вод являются ионы НСО₃^-, СО₃^2- и ОН^-. Другие ионы, источниками которых могут служить органические кислоты, фосфаты, бораты и т.д., вносят лишь незначительный вклад в процессы нейтрализации ионов водорода и начинают играть определенную роль лишь после связывания гндрокарбонат-ионов.

Основные химические реакции, протекающие в водоеме при нейтрализации ионов водорода, можно представить следующими уравнениям:

HCO₃^- + H⁺ CO₂ + H₂O

CO₃^2- + H⁺ HCO₃^-

OH^- + H⁺ H₂O

При экспериментальном определении щелочности на первом этапе (до рН перехода 8.3) связываются все ионы гидроксила и практически все ионы карбоната переходят в гидрокарбонат ион. Израсходованное при этом количество кислоты соответствует карбонатной щелочности воды. В дальнейшем при титровании пробы (до рН перехода 4.5) связываются практически все гидрокарбонат-ионы (и присутствовавшие в воде первоначально, и образовавшиеся при титровании карбонат ионов). Поэтому суммарный расход кислоты (израсходованной до рН 4.5) эквивалентен содержанию ионов НСО₃^-, 2СО₃^2- и ОН^- и представляет общую щелочность воды. Таким образом, численное значение щелочности можно определить как сумму концентраций ионов НСО₃^-, ОН^- и удвоенной концентрации ионов 2СО₃^2-:

Щ = [НСО₃^-] + 2[СО₃^2-] + [ОН^-].

где Щ - общая щелочность воды, моль л.

Если рН водной пробы еще до титрования ниже 4, 5. то о такой воде говорят как о воде с нулевой щелочностью.

Необходимо четко представлять себе разницу между основностью и щелочностью раствора. Основность раствора характеризует лишь концентрацию ионов гидроксила в данный момент времени. Щелочность же показывает как бы резервную емкость воды. Так. например, раствор, содержащий 0.001 моль/л NaOH. будет иметь рН 11 и общую щелочность, равную концентрации гндроксид-ионов 0.001 моль/л. В то же время раствор, содержащий 0.1 моль л NаНСО₃. будет иметь более низкое значение рН (рН 8.3). но его щелочность, которая будет определяться в основном концентрацией гидрокарбонат-ионов, будет в 100 раз больше, чем у раствора NaOH с концентрацией 0, 001 моль/л.

Величина щелочности природных вод имеет большое значение и с точки зрения фотосинтеза, протекающего в водоемах. В упрощенном виде процесс фотосинтеза может быть представлен следующим образом:

СO₂ + Н₂O {СН₂} + O₂

НСO₃^- + Н₂O {СН₂O} + O₂ + ОН^-

Следовательно - при связывании углерода и синтезе органических соединений в случае отсутствия дополнительного поступления диоксида углерода возрастает рН раствора, а количество синтезируемых органических соединении зависит от содержания СО: и НСО₃^- в растворе, или от его щелочности.

Иногда в природных водоемах в связи с бурным протеканием процессов фотосинтеза и недостаточной скоростью поступления диоксида углерода рН поднимается до 10 и выше. Такие высокие значения рН. как и закисление отрицательно сказываются на развитии водных экосистем.

3. Уровень токсических веществ в почве - подвижных форм алюминия и марганца

Особенно тесно кислая реакция среды связана с подвижными формами в почве алюминия и марганца. Чем кислее почва, тем больше в ней подвижных алюминия и марганца, которые отрицательно влияют на рост и развитие растений. Вред от алюминия в подвижной его форме по своим размерам часто превосходит вред, вызываемый непосредственно актуальной кислотностью, ионами водорода. Алюминий нарушает у растений процессы закладывания генеративных органов, оплодотворения и налива зерна, а также обмена веществ. В растениях, выращенных на почвах с большим содержанием подвижного алюминия, часто уменьшается содержание сахаров, тормозится превращение моносахаров в сахарозу и более сложные органические соединения, резко увеличивается содержание небелкового азота и самих белков. Подвижный алюминий задерживает образование фосфотидов, нуклеопротеидов и хлорофилла. Он связывает в почве фосфор, отрицательно влияет на жизнедеятельность полезных для растений микроорганизмов.

Растения обладают разной чувствительностью к содержанию в почве подвижного алюминия. Одни без вреда переносят относительно высокие концентрации этого элемента, а другие при тех же концентрациях погибают. Высокой стойкостью к подвижному алюминию обладают овес, тимофеевка, средней - кукуруза, люпин, просо, чумиза, повышенной чувствительностью характеризуются яровая пшеница, ячмень, горох, лен, турнепс и наиболее чувствительны - свекла сахарная и кормовая, клевер, люцерна, озимая пшеница. Порог токсичности алюминия лежит в границах до 1, 5 - 2, 0 мг для более чувствительных культур и до 3, 5 - 4, 0 мг на 100 г почвы для культур средней чувствительности.

Количество подвижного алюминия в почве находится в большой зависимости от степени ее окультуренности и от состава применяемых удобрений. Систематическое известкование почв, применение органических удобрений приводят к уменьшению и даже полному исчезновению подвижного алюминия в почвах. Высокий уровень обеспеченности растений фосфором и кальцием в первые 10-15 дней, когда растения наиболее чувствительны к алюминию, существенно ослабляет его отрицательное действие. В этом, в частности, заключается одна из причин высокого эффекта рядкового внесения суперфосфата и извести на кислых почвах.

Марганец относится к числу элементов, необходимых растениям. В ряде почв его не хватает, и в этом случае вносятся марганцевые удобрения. В кислых же почвах марганца содержится часто в избыточном количестве, что вызывает его отрицательное действие на растения.

В биосфере марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Mn²⁺. В кислых слабодренированных почвах возможно проявление марганцевой токсичности для растений. По литературным данным валовое содержание марганца в различных типах почв колеблется от 100 до 4000 мг/кг (в среднем 850 мг/кг), содержание подвижных форм (Mn²⁺, Mn³⁺) - от 15 до 170 мг/кг (в среднем 110 мг/кг).

Большое количество подвижного марганца нарушает в растениях углеводный, фосфатный и белковый обмен, отрицательно влияет на закладывание генеративных органов, процессы оплодотворения, а также налива зерна. Особенно сильное отрицательное действие подвижного марганца наблюдается во время зимовки растений. Токсичный Мn накапливается в виде минеральных соединений в листьях и стеблях, при этом на них появляются фиолетовые, черные и коричневые пятна, а также черные и черно-бурые точки. Марганец вызывает активацию окислительных процессов, что приводит к нарушению углеводного обмена.

Культурные растения по их восприимчивости к содержанию в почве подвижного марганца располагаются в том же порядке, что и по отношению к алюминию. Высокоустойчивыми являются тимофеевка, овес, кукуруза, люпин, просо, турнепс; чувствительными - ячмень, яровая пшеница, гречиха, репа, фасоль, свекла столовая; высокочувствительными - люцерна, лен, клевер, рожь озимая, пшеница озимая. У озимых культур высокая чувствительность проявляется лишь в период их зимовки.

Количество подвижного марганца зависит от кислотности почвы, ее влажности и аэрации. Как правило, чем кислее почва, тем больше в ней содержится марганца в подвижной форме. Резко увеличивается его содержание в условиях избыточной влажности и плохой аэрации почв. Именно поэтому особенно много подвижного марганца содержится в почвах ранней весной и осенью, когда влажность наиболее высокая, летом количество подвижного марганца уменьшается. Чтобы устранить избыток марганца, почвы известкуют, вносят органические удобрения, суперфосфат в рядки и лунки, устраняют избыточное увлажнение почвы.

4. Реферат тема 8 "Физико-химические основы очистки воздуха"

Способы очистки газа (воздуха) от капельной жидкости (влаги) и (или) взвешенных частиц (механических примесей, пыли), условно можно разделить на три основные группы - это механическая очистка газа, электрическая очистка газа и физико-химическая очистка газа. Для улавливания влаги и взвешенных частиц, как правило, используют механическую и электрическую очистку, а для выделения газообразных примесей используют физико-химический способ.

Физико-химические методы основаны на физико-химических взаимодействиях загрязнителей с очищающими агентами. К таким методам относятся: абсорбция, хемосорбция, адсорбция, конденсация, каталитический метод, термический метод.

Абсорбция. Метод основан на подборе такой жидкости, при прохождении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем без химических взаимодействий и образования новых химических веществ - это физическая абсорбция. Например, физическая абсорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. В тех случаях, когда абсорбенты вступают в химические реакции с очищаемым газом, например при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью водных растворов слабых оснований - аммиака, анилина, ксилидина, происходит процесс, называемый химической абсорбцией

Абсорбция представляет собой процесс, включающий массоперенос между растворимым газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в абсорбере. Движущей силой абсорбции является разность между парциальным давлением растворенного газа в газовой смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Если значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит. Если это значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция, и количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти.

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз в аппаратах, называемых абсорберами, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на поверхностные, распыливающие и барботажные.

Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, образующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом. В таких абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Примером пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер, в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверхности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом.

В качестве насадочных абсорберов широкое распространение получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, но течение жидкости происходит только по элементу насадки, а не по всей высоте аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента на другой пленка жидкости разрушается.

Барботажные абсорберы представляют собой обычно вертикальные колонны, внутри которых размещены горизонтальные перегородки - тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке.

Для удаления из выбросов аммиака, хлористого и фтористого водорода применяют воду. Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту. В настоящее время наибольшее распространение в качестве абсорберов получили скрубберы-абсорберы (рис. 1).

Рис. 1. Орошаемый скруббер-абсорбер с насадкой: 1 - насадка; 2 - разбрызгиватель

Адсорбция- это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции, когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений.

При физической адсорбции адсорбированное вещество можно полностью удалить при обратном процессе (десорбции), например, понизив давление или увеличив температуру, а хемосорбированное вещество вернуть в газовую фазу невозможно, т.к. процесс необратим. Поскольку процессы хемосорбции идут только в тонких поверхностных слоях адсорбента, то для повышения эффективности процесса активную поверхность хемосорбента увеличивают за счет нанесения его тонкими слоями на поверхности инертного тонкодисперсного носителя.

В промышленности в качестве поглотителей чаще всего применяют активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты).

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента.

Хемосорбция основана на поглощении газов и паров жидкими и твердыми поглотителями с образованием химических соединений. Этот метод используется для удаления из выбросов сероводорода и окислов азота. В качестве очистного оборудования используются скрубберы, а химическими поглотителями являются мышьякощавелевые и этаноламиновые растворы.

Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары веществ при температурах, близких к их точке росы. Этот метод наиболее эффективен в случае углеводородов и других органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой фазе в относительно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих достаточно низкое давление пара при обычных температурах, можно использовать конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для очень летучих растворителей возможна двухстадийная конденсация с использованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемпературного охлаждения - на второй. Замораживание до очень низких температур только с целью удаления загрязнителей редко является целесообразным; если в замораживании нет необходимости по каким-либо другим технологическим причинам. Максимальное снижение содержания инертных или неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение процесса конденсации и повысить ее экономическую эффективность.

Конденсацию можно проводить при непосредственном контакте или косвенном охлаждении. В первом случае охлаждаемый пар непосредственно контактирует с охлажденной или замороженной жидкостью. При косвенном охлаждении используется поверхностный конденсатор с металлическими трубками. Трубки охлаждаются жидким хладореагентом с другой стороны стенки. В случае неконденсирующихся газов пере охлаждением проводят их сжатие, что позволяет достичь эквивалентного парциального давления загрязняющего вещества при более высоких температурах.

Каталитический метод очистки заключается в селективном ускорении химической реакции и превращении загрязнителя в безвредное вещество (рис. 2). Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические нейтрализаторы, в которых загрязненный воздух пропускают над катализатором, чаще всего оксидом алюминия. С помощью такого очистного оборудования можно очистить воздух от угарного газа, углеводородов, окислов азота. В жидкостных нейтрализаторах применяют для уменьшения содержания альдегидов и оксидов азота 10 %-ные водные растворы Na₂SO₃ или NaHSO₄ с добавкой 0, 5 %-ного основного реагента для предохранения от преждевременного окисления. Таким методом может быть достигнута полная очистка газов от альдегидов, а содержание оксидов азота снижено на 70 %.

Рис. 2. Каталитический нейтрализатор: 1 - корпус; 2 - реактор; 3 - сетка; 4 - теплоизоляция; 5 - катализатор; 6 - фланец

Термический метод (рис. 3) основан на дожигании и термической деструкции вредных веществ в выбросах. Используется в том случае, когда вредные примеси в выбросах горючи. Этот метод применяют для очистки выбросов от лакокрасочных и пропиточных участков. Системы термического и огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки до 99 %.

Рис. 3. Схема очистки топочных газов котельной

Характерным примером очистки газов этим способом является применение факела на нефтеперерабатывающих заводах. Со всех производств нефтеперерабатывающего завода отработавшие газы с различным содержанием горючих веществ собираются в одну магистраль, подаются в трубу и на высоте около 100 м сжигаются. Выброс этих газов (отходов производства) без сжигания недопустим, так как они не только ядовиты, но и взрывоопасны. Преимуществом метода сжигания вредных примесей является полная очистка газов в широком диапазоне типов загрязнителей с выделением оксида углерода и пара, а недостатком - дополнительный расход топлива.

Химические методы очистки отходящих газов. Устранение нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция, и ее роль является преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными физико-химическими методами. Рассмотрим химические методы на примере очистки газов от оксидов азота и серы.

1. Очистка газов от оксидов азота. Наиболее часто для очистки от NO_X применяются два метода: некаталитическое гомогенное восстановление NO_X добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NН₃.

Некаталитический процесс основан на восстановлении NO до N₂ и Н₂О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя - аммиака (NН₃) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота.

Метод селективного каталитического восстановления (СКВ) основан на реакции восстановления оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин селективный в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим прежде всего к топочным газам в условиях полного сгорания - содержание кислорода в них не более 1% и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях.

Неселективное каталитическое восстановление (НСКВ). В данном методе восстанавливающий агент - аммиак заменяется другими восстановителями (Н₂, СО, углеводороды). Эти восстановители действуют неселективно, поскольку взаимодействуют с кислородом и SO₂ газового потока: это взаимодействие идет параллельно с целевой реакцией восстановления оксидов азота, что требует значительного избытка восстановителей.

2. Очистка газов от SO₂. Методы очистки газов от SO2 предполагают предварительную стадию адсорбции SO2, но их основу составляют химические превращения оксидов серы в новое химическое соединение, выделяемое из газового потока.

Процесс с использованием СuO/CuSO4. Метод обеспечивает одновременную очистку газов от NOX и SOX в присутствии катализатора - оксида меди (CuO), нанесенного на оксид алюминия. Топочный газ подается в реактор с параллельным расположением каналов для прохождения газового потока, заполненных катализатором.

Методы с добавлением извести: приготовление гранул из угольной крошки с добавлением извести для использования в колосниковых топках и добавление порошкообразной извести к угольной пыли для использования в топках с форсуночным распылением топлива.

Введение сухого сорбента позволяет снизить концентрацию диоксида серы на 50%. Сухой щелочной агент вдувается под давлением в магистраль отходящего топочного дыма, и прореагировавшие твердые продукты отделяются от потока. Для отделения используются тканевые фильтры.

Литература

1. Андруз. Д. Введение в химию окружающей среды - М.: Наука, 2003 - 271 с.

2. Крупнова Т.Г. Химия окружающей среды - Челябинск, ЮурГУ, 2005 - 36с.

3. Шевченко, Т.М. Химия и окружающая среда [Электронный ресурс]: учеб. пособие для вузов / Т. М. Шевченко, Л. А. Шевченко; ГОУ ВПО "Кузбас. гос. техн. ун-т". - Кемерово, 2005. - 135 с. // http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90351&type=utchposob:common.

Размещено на Allbest.ru