Поверхностно-активные вещества: строение, свойства, использование, вопросы экологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: "Поверхностно-активные вещества: строение, свойства, использование, вопросы экологической безопасности"

Содержание

1. Применение

2. Нефть, связанные с ней экологические проблемы и пути их решения

3. Проблема К.П.Д.

4. Проблема этилена

5. Полимерные мембраны

6. Фильтры

7. ТБО, гниение

8. Биоразлагаемые полимеры

9. Органические кислоты

Литература

1. Применение

Очистка сточных вод. ПАВ активно используются для очистки сточных вод. Большинство очистных сооружений устанавливают на конечном стоке. Если добавить в эти воды смесь поверхностно-активных веществ и полиэлектролитов загрязнители выпадают в осадок.

Также существует другое решение принципиально иное решение: обрабатывать по нашей методике не конечные стоки, а промывные воды окрашивающих аппаратов. В такой воде содержится довольно много красителя - до нескольких граммов в литре. А главное, в растворе практически нет примесей, искажающих цвет. В таком растворе наши полиэлектролиты и ПАВ дают с красителем тройной нестехиометрический комплекс, нерастворимый в воде. Его несложно извлечь из раствора - фильтрацией, центрифугированием, декантацией или флотацией - и пустить в дело. К примеру, этим осадком можно окрашивать полимеры, использовать в типографских красках или в цветных лаках.

Главные загрязнители наших рек в порядке убывания опасности можно расположить так: нефтепереработка - целлюлозно-бумажное производство - гальваника - текстильное производство

Быт. Моющие и чистящие свойства ПАВ хорошо известны каждому читателю. Современные синтетические ПАВ - это основа рецептур жидких и порошкообразных моющих средств. Они позволяют удалять загрязнения при невысокой (25-30°С) температуре моющего раствора. Это очень важно для сохранения прочности и окраски тканей; более того - тонкие синтетические ткани только так и можно стирать.

Средства для мытья и чистки окон, ванн, полов, мебели, шампуни и зубные пасты и, наконец, дезинфекционные средства-все это можно создать лишь на основе синтетических ПАВ.

Промышленность. Бурение нефтяных скважин, глубина которых превышает иногда 5 км, - весьма трудоемкий процесс. Если при бурении применять раствор ПАВ, то можно отказаться от тяжелых глинистых растворов, снизить почти в четыре раза износ инструментов и значительно повысить скорость бурения.

ПАВ применяют для обогащения фосфатов, калийных солей, каменного угля, многих руд. Известный способ обогащения-флотация основана как раз на различиях в смачиваемости отдельных компонентов руд растворами ПАВ.

При обработке металлов для охлаждения и смазывания мест соприкосновения режущего инструмента с металлом применяют растворы ПАВ (эмульсолы). Это уменьшает работу по резанию в 10 раз, улучшает внешний вид и механические свойства металлических поверхностей. В текстильной промышленности ПАВ используют для подготовки прядильных растворов, а также для размягчения и крашения волокон. Все это повышает качество тканей и придает окраске красивый тон.

Большие перспективы сулит применение ПАВ в производстве строительных материалов. Введение ПАВ в растворы цемента и бетона повышает их пластичность. При этом в 1,5-2 раза увеличивается прочность бетона, повышается его морозостойкость, водонепроницаемость. ПАВ применяют и в пищевой промышленности. Добавки ПАВ к хлебу увеличивают его пышность и стойкость к очерствению; кондитерские изделия становятся вкуснее и наряднее. ПАВ применяют в производстве майонеза, мороженого, взбитых кремов, шоколада.

Сельское хозяйство. Чтобы равномерно нанести различные химические средства на растения или внести их в почву, готовят эмульсию этих веществ. И здесь ПАВ - незаменимы.

Перспективны работы по применению ПАВ в качестве веществ, понижающих испарение влаги. При поливке почвы растворами ПАВ они образуют на поверхности тончайшую невидимую пленку, которая препятствует испарению влаги. В то же время атмосферные осадки легко проникают в почву. Пленка пропускает внутрь также воздух, жидкие удобрения и другие полезные вещества. Химические способы борьбы с засухой экономичны и могут применяться на больших площадях.

Важно, что применение ПАВ в необходимых (весьма незначительных) дозах не оказывает вредного влияния на человеческий организм. Ими можно даже смачивать фрукты и овощи, предназначенные для зимнего хранения. Это позволяет сохранить их свежими до весны.

Горнодобывающая отрасль. Каждому, кто бывал в районах добычи полезных ископаемых, наверняка бросались в глаза горы пустой породы - побочного и, к сожалению, неизбежного продукта при добыче сырья из недр. Любого, по существу, ископаемого, будь то уголь или металлические руды, фосфориты или сланцы. Зачастую доля ценного продукта, с огромным трудом извлекаемого из руды, составляет ничтожную часть перерабатываемой горной массы.

Комплексная переработка минерального сырья - актуальнейшее направление современной технологии.

Нельзя сказать, чтобы пустая порода не находила применения. К примеру, "горелые" породы, оставшиеся после добычи угля, используют в строительстве, в первую очередь дорожном. Некоторые виды отходов применяют в производстве строительных материалов, в частности в качестве добавки к цементу или извести. Однако и материалоемкая стройиндустрия пока не может использовать десятки и сотни миллионов тонн пустой породы, скопившихся к настоящему времени.

Другая проблема, связанная с добычей полезных ископаемых, - степень извлечения из подземной горной выработки. В большинстве случаев при добыче угля или руд подземным способом значительную часть их приходится оставлять под землей нетронутыми, в виде так называемых целиков. Делается это для того, чтобы горное давление не могло разрушить выработку, раздавить ее. Столбы-целики вместе со специально устанавливаемой шахтной крепью принимают на себя тяжесть лежащих над выработкой мощных пластов. При этом под землей остается до половины (а иногда и больше) ценного сырья.

Чтобы пустая порода могла работать, ее надо скрепить связующим, реальнее всего цементом. Такая технология с замкнутым циклом, безотходная по сути, полностью отвечала бы современным требованиям - и экономическим, и экологическим. Однако попытки реализовать эту чрезвычайно, привлекательную идею натолкнулись на множество препятствий и противоречий.

Чтобы транспортировать по трубопроводу пастообразную смесь из пустой породы, цемента и воды на несколько километров от места ее приготовления, смеси необходимо прежде всего придать максимальную подвижность - текучесть, то есть наименьшую вязкость. Самый простой и общепринятый при решении аналогичных задач путь (например, в технологии приготовления бетона) состоит в том, что в состав смеси вводят избыток воды. Однако для горного дела этот прием неприемлем. Избыток воды (минимально необходимый избыток!) на практике оказывается столь большим, что взвесь в процессе транспортировки расслаивается - крупные частицы оседают в изгибах трубопровода и в конце концов полностью его закупоривают. Процесс аналогичен природному - взвешенные в воде быстрых рек частицы ила, глины и песка оседают на дно, скапливаясь и изменяя русло именно

Попытки уменьшить количество воды в закладочных смесях неизбежно приводили к многократному росту вязкости.

Дело в том, что из-за высокой удельной поверхности твердых компонентов (то есть поверхности, отнесенной к единице массы порошка пустой породы и цемента) очень велика избыточная поверхностная энергия на границе раздела фаз.

Законы термодинамики диктуют самопроизвольное течение таких процессов, при которых межфазная поверхность и соответствующая ей энергия будут уменьшаться. Именно поэтому практически мгновенно твердые частички сцепляются между собой через тончайшие прослойки воды, образуя рыхлые пространственные структуры. Свободная энергия системы в результате такого преобразования уменьшается. В ячейках этих пористых, как губка, структур удерживается огромное количество воды.

Наиболее простой и естественный путь состоит в том, чтобы разрушить структурную сетку, ослабив связи между частицами (изменяя химическую природу их поверхности) и одновременно прилагая к твердым частицам во время приготовления и транспортировки смесей некую внешнюю силу. Сцепление в контактах позволяют ослабить ничтожные (десятые доли процента) добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ). Объемное же разрушение структуры достигается воздействием вибрации с определенными частотами и амплитудами. Сочетание физико-химических (ПАВ) и механических (вибрация) воздействий позволяет разрушить структурные сетки быстро и изотропно, то есть одинаково во всех направлениях. При этом вода, изгнанная из разрушенных сеток, активно пластифицирует смесь, придавая ей необходимую и, что не менее важно, регулируемую текучесть.

Эти два основополагающих принципа физико-химической механики были заложены в основу технологии приготовления и транспортировки закладочных смесей для заполнения пустот горных выработок на Ачисайском полиметаллическом комбинате в Казахстане. Достигнув нужного места, она заполняет ставшие ненужными штреки и штольни. Уже через сутки масса твердеет и приобретает ту минимальную прочность, которая достаточна, чтобы переложить на затвердевший материал горное давление, тяжесть лежащих выше слоев горной породы. Реализация этой технологии, сочетающей стопроцентное извлечение дорогостоящей руды с полной утилизацией отходов ее переработки, чрезвычайно выгодна экономически и вместе с тем весьма перспективна для решения проблем экологии.

Все это уже доказано практикой промышленного производства и многомиллионной экономией. Производительность комплекса (по закладочному материалу) - 1 млн. т в год. Это многие тонны дополнительно извлеченной ценной руды.

Синтетические ПАВ могут быть причиной аллергических заболеваний - диатезов у детей или бронхиальной астмы. В справочнике "Поверхностно-активные вещества и моющие средства" приведены, в частности, только биологически приоритетные, то есть безвредные для здоровья ПАВ. Второй экологический аспект - это содержание солей фосфора. Попадая в водоемы, эти соли становятся удобрениями для водорослей - отсюда "зацветание" воды и прочие неприятности. Поэтому даже самые безопасные моющие средства следует применять умеренно. Особенно это относится к прачечным.

2. Нефть, связанные с ней экологические проблемы и пути их решения

Для устранения разливов нефти возможно использовать гречишную или рисовую шелуху. Хотя сорбент из гречишной шелухи получается чуть хуже рисового, его производство помогает справиться с еще одной серьезной экологической проблемой. Если рисовые отруби можно использовать по-разному - для производства витаминов, лигнина, кормовых добавок, то шелуха гречихи - совершенно бесполезный отход, горы которого громоздятся вокруг элеваторов. Их можно даже назвать вулканами, поскольку шелуха время от времени загорается. Вот и получается, что наш сорбент - настоящее спасение для руководителей этих комбинатов, выплачивающих штрафы за ущерб, нанесенный такой вулканической деятельностью.

Ее производительность - 5 тысяч тонн в год (для сравнения - во всей Японии за тот же срок производят меньше ста тонн аналогичного сорбента). Сегодня мы совершенствуем свою технологию очистки воды от нефти; конструируем новые модели фильтров - для стоков и для водной поверхности; участвуем в работе комиссий, ликвидирующих аварийные выбросы нефти. Если фильтров мало, а шелухи много, то пропитанный нефтью сорбент может служить топливом.

Превращения нефти в воде очень сложны, и ученые строят разные модели, чтобы их описать. Сейчас таких моделей разработано более двадцати.

Все они в какой-то мере отражают эти процессы, но не всегда помогают точно предсказывать их ход. Это обусловлено не только сложностью объекта исследований, но и многообразием природных условий.

По опыту известно, что через десять минут после разлива тонны нефти на поверхности моря образуется пятно радиусом 50 м и толщиной около 10 мм.

Затем пленка становится тоньше (менее 1 мм) и растекается по площади в 12 км 2. А дальше начинается каскад физических, химических, биологических процессов, активность которых зависит от качества нефти, погоды, места катастрофы и многих других обстоятельств.

Среди существующих на сегодняшний день моделей (так называемых "моделей нефтяных разливов. Вычислительные алгоритмы позволяют также включить в модель действия средств механической уборки нефти с поверхности моря, применение химических диспергентов, локализации нефти с помощью боновых заграждений, сжигания нефти

Современный вариант модели учитывает также трансформацию антропогенных загрязняющих веществ (нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов, фенолов). Отдельные его блоки использовались при исследовании экосистемы Охотского моря. Для прогноза нефтяных разливов модель пока не использовали из-за отсутствия заказчика.

На качественном уровне сегодня известно, что в первые сутки после аварии до 75 % нефти (в зависимости от состава) испаряется. 15-17 % остается на поверхности в пленочном состоянии - эти пятна называются сликами, и покрывают они от 1 до 4 % поверхности океана. Космонавты утверждают, что слики распространены на трети океанической поверхности - может быть: им виднее. Средняя толщина нефтяной пленки составляет 0,038 мм. Каждый квадратный километр акватории, покрытой сликом, содержит 40 кг нефтепродуктов. 5-10 % сырой нефти превращается в комки - нефтяные агрегаты, 15 % растворяется, а 10-30 % сорбируется на взвеси и осаждается на дно.

Непонятно пока, в какой мере на скорость распада нефти влияет понижение температуры воды. Многочисленные исследования дают противоречивые результаты, а в итоге мы так и не знаем, что происходит с нефтепродуктами в морских глубинах, где температура воды не превышает 5°С, или в полярных водах, где она понижается до - 2 °С.

Нефтяное пятно, казалось бы, может распространяться по акватории до бесконечности, покрывая ее при этом все более и более тонкой пленкой. Но этого в природе не происходит. При растекании сырой нефти летучие фракции испаряются, а более вязкие тормозят распространение пятна. Уже через полчаса после разлива на поверхности

моря не остается летучих соединений, исчезает запах нефти. Затем испаряются более тяжелые углеводороды. А остатки переходят в нефтяные агрегаты - смолистые комки размером от миллиметра до полуметра, которые болтаются во внутренних морях от месяца до года, а в открытом океане - до нескольких лет. Эти комки наполовину состоят из асфальтенов - высокомолекулярных соединений тяжелых фракций нефти. Подсчитано, что такого "добра" в Мировом океане 300 тыс. т - впору налаживать промышленную добычу.

Больше всего агрегатов в Средиземном, Яванском, Красном морях, в Атлантике у Западной Европы и северо-западного побережья Африки. Часть нефти (до 15 %) растворяется в морской воде. В основном это низкомолекулярные ароматические соединения: бензол, толуол, ксилол. Если разлив нефти происходит во время шторма, образуются устойчивые эмульсии, на 30-80 % состоящие из воды - муссы. После шторма они покрывают море желеобразным ковром шоколадного цвета. Такое обычно наблюдается в теплых водах.

Часть нефти сорбируется на частичках взвеси и оседает на дно. Наиболее интенсивно седиментация протекает в прибрежных водах, которые богаты взвесью и активно перемешиваются. Таким образом на долгие годы (до 20 лет) консервируется от 10 до 30 % пролитых нефтепродуктов - тоже своеобразный привет потомкам. Вот только доставит ли он им радость?

Спустя сутки после попадания нефти в море важное значение приобретают химические процессы - окисление и деструкция. Их скорость зависит от состава нефти: наличие в ней ванадия, например, ускоряет, а соединений серы - замедляет химические превращения. В итоге образуются высокотоксичные, легкорастворимые в воде соединения: фенолы, гидроперекиси, кетоны, альдегиды, карбоксильные кислоты и множество другой гадости, отравляющей морские воды и их обитателей.

Наконец, определенная доля нефтепродуктов, оказавшись в воде, достается морским организмам. Многие планктонные виды поглощают эмульгированную нефть, а затем она оседает на дно с их трупами или продуктами жизнедеятельности. Подсчитано, что компания типичных представителей зоопланктона - десятиногих рачков Calanus finmarchicus, обитающая на квадратном километре шельфа в десятиметровом поверхностном слое, может осадить в составе фекалий до 15 кг нефти в день (при концентрации нефти 1,5 мкг/л и более).

Кроме того, некоторые микроорганизмы с помощью набора ферментативных реакций используют компоненты нефти для роста и развития, заодно разрушая их. Кстати сказать, в море обитает около ста видов бактерий и грибов, включающих в свое меню нефтепродукты. Их количество, в чистой воде не превышающее 0,1-1 % от общего числа гидробионтов, в зонах нефтяного загрязнения возрастает в 10-100 раз.

Море способно к самоочищению, но его возможности не безграничны.

Черные приливы. Так или иначе, но в итоге по характеру воздействия на гидробионтов нефтепродукты приравниваются к нервно-паралитическим ядам. У животных нарушается деятельность центральной нервной системы, в том числе двигательные рефлексы и способность к ориентации, рыбы начинают плавать хаотично, часто на боку, и погибают в судорогах, а моллюски перестают фильтровать воду. Нередко происходит паралич дыхания. Животные отказываются от пищи, их кожа теряет чувствительность, страдает репродуктивная функция. Сидячие формы перестают прикрепляться к субстрату.

Физиологические процессы нарушаются уже на уровне клеток. В результате воздействия углеводородов на мембраны и другие структуры клеток повреждаются органы и ткани, в первую очередь жабры. У микроводорослей замедляется или прекращается деление клеток.

Кровь у отравленных животных хуже насыщается кислородом, что приводит к удушью, выводит из строя обмен веществ. Появляются уродства, молодь становится менее жизнестойкой, что приводит к вырождению популяции. Зная эти признаки интоксикации и пределы толерантности морских обитателей, можно иногда понять, почему у них возникают болезни, изменяются поведение и внешний вид, почему они гибнут. Теперь, например, ясно, что привело к сокращению популяций многих черноморских рыб. Районы их нереста совпали с участками максимального загрязнения моря пленками нефтепродуктов. Рыбы погибают еще в детстве, так как на стадии икринки и личинки они находятся в тонком поверхностном слое и наиболее уязвимы к токсическому воздействию нефтяных углеводородов.

Донные осадки Севастопольской бухты настолько загрязнены нефтепродуктами, что ставрида, традиционно нагуливающая вес у дна, недалеко от берега, сегодня пахнет нефтью и практически несъедобна из-за накопления в ее тканях бензола, толуола, ксилола и их производных. То же самое наблюдалось в прибрежных лососевых аквахозяйствах у Шетлендских островов в 1993 году, когда после катастрофы танкера "Braer" рыба в садках за несколько дней приобрела запах нефти, утратив товарную ценность. Даже спустя восемь лет после катастрофы танкера "Amoco Cadiz" у берегов Франции прибрежные донные отложения в районе устричных банок оказались заражены нефтью, а сами устрицы, пораженные опухолями пищеварительного тракта и половых желез, потеряли способность размножаться.

В Северном море в районах нефтепромыслов стали часто попадаться уродливые личинки промысловых рыб.

В дельте Волги аномалии эмбрионального развития осетров уже достигают 50-100 %. В прибрежных водах Австралии из-за нефтяного загрязнения от 30 до 80 % эмбрионов и личинок рыб оказываются уродами, в то время как в чистой зоне их не больше 10 %. В Новороссийской бухте Черного моря за последнее десятилетие количество ихтиопланктона (икринки, личинки рыб), обитающего преимущественно в поверхностном слое, из-за нефтяного загрязнения сократилось в 4-8 раз.

Не последнее место в массе проблем занимают потери нефти при морских перевозках и разработке месторождений на шельфе.

Однако перемены к лучшему в нефтегазовой промышленности все же происходят. Новые проекты проходят пристальный экологический контроль и предусматривают выделение средств на обеспечение экологической безопасности и природоохранные мероприятия. Специалистов-экологов ждет большое будущее - безработица им не грозит.

Как известно, перечисленные неприятные свойства угля не помешали ему стать "хлебом индустрии", сыграть ключевую роль в развитии энергетики, транспорта, металлургии, производства красителей. Строилось на угольном фундаменте и здание органического синтеза. Из продуктов газификации угля методом Фишера-Тропша получали искусственное топливо. Таким же путем можно, в принципе, производить и олефины - этилен и пропилен, а от этого полшага до выпуска миллионов тонн пластмасс, волокон, растворителей. Но эти полшага так и не были сделаны. Нефть вытеснила уголь. Всюду, где могла: на транспорте, в производстве электроэнергии. И в химии тоже: уже более 30 лет массовые продукты органического синтеза производятся в основном из этилена, пропилена, бензола, толуола. Но цены на нефть растут и скоро затраты на производство химических продуктов из нефти и угля окажутся одинаковыми. Рассмотрим эти доводы с таких же общих позиций.

На химические нужды сегодня тратится не более 6 % всей добываемой нефти, остальное расходуется в энергетике, в производстве моторных топлив. Химическое использование угля вообще ничтожно. И современное движение цен на эти взаимозаменяемые энергоносители обеспечивает примерно равную эффективность потребления нефти и угля прежде всего в самой крупной области их применения - в энергетике, а не в химической промышленности.

В нашей стране новые цены на нефть и уголь, вводимые с 1 января 1982 г., соотносятся в среднем, как 2:1. Как мы увидим дальше, этого достаточно для близкого эффекта применения в энергетике (грубо говоря, с экономико-энергетической точки зрения все равно, что сжигать в топках ТЭЦ - мазут или уголь), но мало для к конкурентоспособности углехимических синтезов по сравнению с нефтехимическими. В США цена на уголь составляет 0,6-0,7 цены на нефть, что тоже в большей степени стимулирует энергетическое, а не химическое использование угля.

3. Проблема К.П.Д.

"В высокоцивилизованный век с ограниченностью энергоресурсов некоторые из наших технологических процессов могут выглядеть примерно так, как если бы мы вздумали сжечь целый дом, чтобы зажарить свиную тушу", - писал, размышляя о будущем источников энергии, Нобелевский лауреат по физике англичанин Дж. Томсон. Энергетические коэффициенты полезного действия превращений угля и нефти, вычисленные на основе термодинамических расчетов, неплохо иллюстрируют эту мысль.

В среднем на добычу одной тонны условного топлива - будь то нефть или уголь - нужно затратить энергию, эквивалентную энергии 20 кг того же условного топлива. Иными словами, можно считать, что из недр извлекается не тонна, а лишь 980 кг условного топлива. На этом этапе с общеэнергетической точки зрения позиции нефти и угля одинаковы. Различия наступают потом - когда мы начинаем превращать ископаемое топливо в нужные нам продукты. Например, при превращении в бензин энергетический к. п. д. нефти 90 %, а угля - всего 55 %. Если учесть, что к. п. д. карбюраторного двигателя 25 %, получаем конечную эффективность использования нефти в автомобилях - 22,5 %, а угля - 13,8 %. А вот в производстве электроэнергии и уголь и нефть по энергетическим к. п. д. друг друга " стоят: 35 % - и для мазутов, и для порошкообразного угля. И становится понятным, почему именно в этой области можно ожидать угольного ренессанса прежде, чем в какой-либо другой. Химическая переработка угля связана с его превращением в газообразные и нефтеподобные продукты, причем с невысоким энергетическим к. п. д. Вот почему и цены на уголь изменяются в последнее время так, чтобы его было равновыгодно с нефтью применять в первую очередь на ТЭЦ, а не на химических комбинатах.

4. Проблема этилена

Стержневой продукт нефтехимии - этилен. Его получают пиролизом (высокотемпературным расщеплением) углеводородов нефти. Хотя структура сырья современного оргсинтеза включает и другие углеводороды, нефтехимический потенциал промышленности определяется сегодня выработкой этилена, лежащего в основе производства миллионов тонн в год полиэтилена, винилхлорида, полистирола, этиленгликоля, уксусного альдегида, этилового спирта. Общая годовая мощность установок по выпуску этилена во всем мире около 50 млн. т. В общем, любое направление в органическом синтезе будет жизнеспособно лишь в том случае, если его продукты смогут заменить низшие олефины. Может ли современная углехимия что-либо противопоставить нефтехимии в этом ключевом секторе, где господствует этилен?

Нефтяное сырье отличается от угольного важнейшим для химической переработки отношением С:Н. Например, в бензине, который получают прямой перегонкой нефти, С:Н равно 0,5, а в каменноугольной смоле - 1,5. Этилен и пропилен, у которых это отношение меньше единицы, производятся почти исключительно из нефтяного сырья, а химические продукты с ОН, большим единицы, - из каменноугольной смолы. В бензоле С:Н равно единице, поэтому получение его из угольного и нефтяного сырья почти одинаково эффективно.

Разумеется, это лишь самое общее объяснение, почему производство олефинов из угля с применением самых последних способов его газификации и ожижения оказывается пока слишком дорогим. Для получения одной тонны этилена требуется переработать почти 30 т угля.

Какие капиталовложения потребуются на производство 45 млн. т этилена из угольного сырья? Без учета затрат на добычу угля - 550 млрд. долларов. За те же деньги можно было бы ввести этиленовые установки на нефтяном сырье общей мощностью минимум 250 млн. т. То есть в 5-6 раз больше.

Уголь, как уже говорилось, дорожает вместе с нефтью. Однако поиски эффективных углехимических процессов, и прежде всего производства этилена из угля, продолжаются.

Основное внимание исследователи уделяют совершенствованию весьма гибкой технологии получения химических продуктов из синтез-газа. Правда, для производств аммиака и метанола до последнего времени синтез-газ предпочитали получать не из угля, а из природного газа или нефтепродуктов. Но метанол из угля - вполне доступный продукт. Если метанол превратить в ди- метиловый эфир, крекингом последнего можно производить этилен. Однако даже в условиях Западной Европы, где нефтехимия работает на дорогой привозной нефти, а технология производства метанола хорошо отработана, такой этилен на 35-40 % дороже обычного - получаемого пиролизом нефтяного бензина. Да и капиталовложения с учетом производства синтез-газа достаточно высоки; слишком много стадий от угля до этилена: уголь - синтез-газ - метанол - диметиловый эфир - этилен. Обычный путь куда короче: нефть - прямогонный бензин - этилен.

Предлагаются и различные способы каталитической конверсии синтез-газа в этиловый спирт: непосредственно или через метанол. Теоретически это тоже решение проблемы этилена. Во-первых, сам этиловый спирт в настоящее время в больших количествах производится из этилена, который в этом случае заменяется на синтез-газ. Во-вторых, дегидратацией этилового спирта можно получать этилен. А есть этилен - есть и нефтехимия. Однако селективность превращения синтез-газа в этиловый спирт невелика, процесс обременен побочными продуктами, идет при высоких температурах и давлениях. Если в технологии углехимии не произойдут радикальные изменения, способные смягчить режимы процессов и повысить их селективность, то истинная целесообразность использования угля в производстве нефтехимикатов появится лишь при физическом исчерпании нефтяных ресурсов. Иными словами, органический синтез должен отстаивать свое право на нефть до последней ее капли в недрах земли.

В результате перехода на уголь не возникает больших дополнительных трат энергии. Если это не улучшит нефтяной баланс, придется последовательно заменять нефть и в тех областях, где использование угля вызывает все большие и большие расходы энергии на его превращение в целевой продукт. Энергетический К.П.Д. превращения угля в моторное топливо ниже, чем у нефти. Еще менее эффективны химические синтезы на основе угля - к энергоемкости первичных превращений прибавляется недостаточная селективность последующих стадий производства. Так что порядок организованного отступления нефти, если в нем возникнет необходимость, представляется следующим:

производство электроэнергии;

производство моторных топлив;

производство химических продуктов.

Напомним, что все эти соображения навеяны только прогнозами скорого исчерпания нефтяных ресурсов. Ни один из таких прогнозов до сих пор не подтвердился. Если не подтвердится и последний, широкого перехода на уголь не будет. И не следует забывать о крике души из XIV столетия. Конечно, техника охраны окружающей среды сегодня не та, но почти в любой публикации, посвященной химии или энергетике на угле, читаем и о проблемах экологии.

Между прочим, за приведенную выше очередность замены нефти углем есть еще один довод. Если в перспективе человечество станет испытывать нехватку нефти, то лишь потому, что ее сожгут под котлами ТЭЦ и в двигателях внутреннего сгорания. Вина химической промышленности в прогнозируемой беде ничтожна. Как уже говорилось, доля химии в потреблении нефти не превышает 6 %. Будь производство пластмасс, синтетических смол, волокон, растворителей и т. д. единственным направлением использования нефтяных ресурсов, их, по самым мрачным прогнозам, хватило бы еще не на одну сотню лет. Неужели эти 6 % сделают погоду и спасут энергетику вместе с транспортом от грядущих затруднений с энергоносителями? Мировое энергопроизводство удваивается каждые 14 лет. И, пожалуй, лишь химическая энергия угля, ядерная и солнечная энергия вместе взятые смогут решить связанные с этим проблемы.

Нефть же, по возможности, надо сохранить для химии. Например, уникальные по своему составу и свойствам бакинские нефти, которых к тому же не так уж много осталось, следовало бы вообще перестать сжигать. Здесь нам кажутся уместными любые барьеры: от прямого запрещения до экономических мер. Ведь можно даже установить так называемые запретительные цены - химии нефть отпускать за полцены, энергетике - за две. Это необходимо, потому что широкое вовлечение угля в органический синтез превратит эту отрасль из самой эффективной в одну из наиболее энергоемких, капиталоемких, материалоемких и трудоемких. А представить мир без дешевых пластмасс сегодня так же трудно, как и без энергии...

И наконец, последняя проблема: нужны ли исследования в области углехимии? Необходимы. Потому что анализ термодинамики физико-химических процессов, лежащих в основе существующей углехимической технологии, приводит к неутешительному выводу: заметных резервов повышения к. п. д. использования потенциальной энергии угля нет. Поэтому нужны принципиально новые подходы к переработке угля. За рубежом разработан процесс некаталитической экстракции летучей части угля специальным растворителем. После экстракции растворитель отделяется от жидких углеводородов, которые перерабатываются по обычным схемам нефтеперерабатывающих заводов. Предварительные данные свидетельствуют об эффективности процесса.

Работать в области химической переработки угля необходимо не только потому, что по современным представлениям полное исчерпание ресурсов нефти в принципе не отрицается. Ведь логически оправданная последовательность вовлечения угля в сырьевую базу производства электроэнергии, моторных топлив и химических продуктов выводится из самых общих посылок. И эта последовательность может быть нарушена конкретными условиями тех или иных стран или экономических районов.

5. Полимерные мембраны

Газопроницаемый полимер - поливинилтриметилсилан, способен эффективно разделять кислород и азот воздуха. Производство аппаратов с мембранами из этого полимера наладили на предприятии "Криогенмаш" и предложили использовать их для длительного хранения фруктов, ягод и овощей. В герметичном хранилище с "окнами" из такой пленки создается инертная атмосфера нужного состава, благодаря которой нежная сельскохозяйственная продукция, собранная в сентябре, сохраняется без замораживания в свежайшем виде до февраля.

В сыродельной промышленности при изготовлении творога до 15 % белка остается в растворенном виде в так называемом обрате. В лучшем случае обратом выпаивают телят и поросят, в худшем случае его просто спускают в канализацию. Но вот лет пять назад во Владимире, в институте "Полимерсинтез", создали мембранную установку, способную отделять белок от раствора солей; при добавлении этого белка к творогу выход сыра из молока удалось повысить более чем на 10 %.

Искать компромисс между селективностью и производительностью приходится и самой живой природе. В одних случаях она добивается полного разделения веществ; однако часто достаточно того, чтобы мембрана была способна лишь немного сдвигать химическое равновесие в ту или иную сторону - или наоборот, сглаживать незначительные отклонения от нормы концентраций тех или иных веществ или ионов.

Синтетические мембраны позволяют поддерживать в технологических системах оптимальное соотношение компонентов. Например, так называемый синтез-газ, получаемый путем пропускания водяного пара через раскаленный уголь и содержащий СО и Н₂ в соотношении 1:1, служит прекрасным сырьем для получения органических продуктов - альдегидов и кетонов. А после образования этих органических продуктов соотношение между СО и Н₂ изменяется, и, чтобы процесс шел с неизменной эффективностью, соотношение между СО и Н₂ нужно все время подправлять. Это можно делать, добавляя свежие порции водорода, но можно извлекать водород из отходящих газов с помощью мембраны и вновь создавать смесь оптимального состава.

Биологические мембраны, в отличие от обычных синтетических мембран, обладают еще одной важной особенностью: их селективность способна изменяться в зависимости от ситуации в клетках. Так, если содержание ионов калия повышается в них до опасного уровня, то проводимость мембранных каналов по отношению к этим ионам уменьшается, и гипертонический криз проходит. А можно ли управлять селективностью искусственных мембран, используемых в химической технологии?

Тут существуют две возможности. Во-первых, можно воспользоваться пассивными мембранами, а потоками частиц управлять с помощью внешнего электрического поля - на этом принципе основано использование явления электродиализа. Во-вторых, можно создавать мембраны, действительно обладающие перестраиваемой селективностью.

Такую особенность имеют, например, мембраны, в которых используются жидкокристаллические компоненты. Если обычный кристалл имеет лишь одну точку фазового перехода, - температуру, при которой он превращается в изотропную жидкость, - то у жидких кристаллов таких точек две: одна, когда жидкий кристалл превращается в обычную изотропную жидкость, и другая, когда жидкий кристалл переходит в обычное кристаллическое состояние. Причем эти фазовые переходы совершаются в узких температурных интервалах.

Теперь, если взять инертную полимерную матрицу и растворить в ней низкомолекулярное вещество, способное переходить в жидкокристаллическое состояние, или воспользоваться полимерной жидкокристаллической пленкой, то можно получить мембраны с управляемой селективностью. В тот момент, когда в результате повышения температуры мембрана перейдет в жидкокристаллическое состояние, в ней возникнут каналы, которые вновь закроются при понижении температуры, и все это будет происходить в интервале всего в два-три градуса. При этом коэффициент диффузии изменяется скачком, подобно фазовому переходу, и мембрана то становится проницаемой для определенных молекул, то служит для них неодолимой преградой. Проницательностью жидкокристаллических мембран можно управлять и с помощью электрического или магнитного полей.

Такие синтетические мембраны способны, в принципе, выполнять в химико-технологических процессах функции, аналогичные функциям, которые в живых организмах выполняют биологические мембраны, возникшие в ходе длительной эволюции.

6. Фильтры

Например, существует фильтр, который задерживает крупные частицы, но пропускает мелкие, а также воду и растворенные в ней вещества. Главный рабочий элемент в нем - трековая (от слова "трек" - след частицы), или ядерная мембрана, то есть продырявленная пучком ионов криптона лавсановая пленка. Чтобы эти частицы могли приобрести необходимую энергию, их разгоняют на ускорителе, а затем пробитые ими первичные поры обрабатывают щелочью, доводя до нужного размера. В отличие от обычных бумажных, ацетилцел- люлозных и стеклянных фильтров диаметр всех пор у трековых мембран примерно одинаков; различия составляют не более 5 %.

Уже существуют мембраны с диаметром отверстий 0,2-0,4 микрометра. Этого достаточно, чтобы задерживать бактерий и крупные вирусы. Но удерживающие свойства мембраны нельзя рассчитать из одной только геометрии (проходит - не проходит): мелкие частицы могут и адсорбироваться на материале мембраны. Так что фактически фильтр иногда может удерживать и те включения, которые "по геометрии" должны были бы проскакивать насквозь. Это относится и к частицам взвеси, придающим воде мутность. Кстати, такие частицы (обычно это алюмосиликаты или окись кремния) довольно эффективно связывают ионы тяжелых металлов, так что в растворе (и в воде, прошедшей через фильтр) их остается крайне мало.

Сложнее вопрос с органикой. В модельных опытах показано, что при невысоких концентрациях таких пестицидов, как ДДТ, - порядка 3 ПДК - фильтр удаляет их очень эффективно. Мембрана может задерживать и ту органику, которая адсорбируется на взвеси или выпадает в осадок.

Конечно, при пользовании фильтром часть дырочек забивается и скорость протока падает. Тогда фильтр можно промыть, и он частично восстановит работоспособность. Но при длительной работе отверстия забьются необратимо. Понятно, что срок службы зависит от количества и размера частиц взвеси. И все же фильтр удобен в тех случаях, когда вода заражена бактериями и нужно легкое переносное устройство, не требующее для работы электричества.

7. ТБО, гниение

Как сейчас борются с бытовым мусором и почему эти способы не всегда нас устраивают? Традиционный способ борьбы с мусором - полигоны твердых бытовых отходов (ТБО). В России это вообще основной способ.

Почему появились другие методы? Потому что не осталось места - отходы стало некуда складывать. И это не единственная проблема. Как только резко вырос объем мусора, стало ясно, что свалки портят окружающую среду. Во-первых, из них вытекают жидкости, так называемые "личаты", которые затем попадают в грунтовые воды. Во-вторых, выделяются газы. Сначала людей беспокоили неприятные запахи, а потом стали много говорить о парниковых газах: метане и СО₂. Эта тема, наверное, лучше всего представлена в нынешней научно-популярной литературе.

Сейчас многие считают, что ТБО надо сжигать. Однако никто не хочет, чтобы мусоросжигательный завод находился рядом с его домом. Известно, что при всяком сжигании, особенно плохо горящих веществ, выделяется дым, который может содержать токсичные вещества. Для его улавливания и нейтрализации разработано немало технических приемов, но это стоит больших денег. К тому же оборудование может сломаться. Конечно, мусоросжигательные заводы важны и нужны, но всех проблем они не решат.

Есть и такое мнение: справиться с ТБО можно, если наладить сортировку мусора и как можно больше фракций пускать в оборот. Пластики, например, вместе с крошкой от стекла пригодны для добавления в бетон, бордюрный камень, плитку и другие изделия, бумага - для переработки в дешевый картон. Эти технологии есть, но где-то их выгодно применять, а где-то нет.

Когда растительных отходов много, выгодно использовать еще один способ - компостирование. Готовят, к примеру, вермикомпосты - с применением червей. У нас этим занимаются, в частности, на факультете почвоведения МГУ, да и в других организациях. Пищевые остатки и растительный мусор могут составлять основу компоста, однако для этого мусор нужно как следует отсортировать. Если в компосте окажутся ядовитые вещества, какая от него будет польза?

Химики разрабатывают полимеры, которые легко и быстро разлагаются в природе. Из них можно делать упаковку для продуктов и других товаров. Однако такая упаковка тоже должна разлагаться не на газоне, а на свалке. И стоят эти полимеры пока больше, чем обычные, трудноразлагаемые. Не так уж все плохо на действующих полигонах ТБО.

Чтобы задержать распространение стоков, необходимо укреплять водоупорные защитные дамбы, как следует пересыпать отходы грунтом и т. д. Такие полигоны есть, и там все в порядке. В Подмосковье, например, это Хметьево. Уверен, что негативное общественное мнение о полигонах ТБО вызвано тем, что многие из них работают выше пределов своих возможностей. А главная беда - это стихийные свалки.

Все больше специалистов соглашается с тем, что полигоны ТБО должны быть реабилитированы в глазах общества, - но только те, где работают по схемам, а не просто сваливают мусор. А кроме того, необходимо улучшать существующие технологии. Нужно учитывать, что грунт везде разный, различаются условия дренажа, состав мусора. Предстоит еще выяснить, как лучше его уплотнять, до какого состояния и как тратить те минимальные деньги, которые все же отпускают на сортировку, чтобы на полигоны не попадали опасные вещества в запредельных концентрациях.

Биореактор на месте свалки. Кто и как может разгрести горы мусора, которые накапливаются вокруг городов и деревень?

Все нынешние способы предусматривают механическую переработку мусора. Можно ли каким-то образом воздействовать на сами процессы разложения?

У специалистов-микробиологов появилась идея: рассматривать полигоны ТБО как искусственно-природные системы, биореакторы. Почему биореакторы? Потому что в толще мусора идут биологические процессы, работают макро- и микроорганизмы, и осуществляются закономерные, последовательные реакции, приводящие к деструкции органических веществ. Одновременно идут химические реакции, физико-химические процессы, уплотнение, изменение влажности, создание определенных слоев, газовых полостей и т. д. В результате (в идеале, конечно) вся органика превращается в углекислый газ, который уходит в атмосферу, а остальное вещество (металлы, стекло и другие минеральные фракции разного размера и формы) уплотняется, и потом на этой территории опять можно складывать мусор. Или разрыть его остатки и снова рассортировать - может быть, какие-то компоненты будет уже проще превратить в полезные вторичные продукты. Таким образом, современный полигон - это природно-искусственный биореактор. И коль скоро в нем работают микроорганизмы, этими процессами можно управлять, то есть создать биотехнологию.

Разложение органики происходит и в природе. Можно ли использовать ее "технологии"? Достаточно хорошо описаны процессы, происходящие в донных осадках пресных водоемов. Как правило, в их верхних слоях - аэробный режим, а немного ниже начинается анаэробиоз.

Сначала там идет брожение, работают микроорганизмы - факультативные анаэробы. В аэробной фазе они тратят весь кислород, который им доступен, а затем переходят к брожению: все органические полимеры - углеводы, белки - превращают в летучие жирные кислоты (к ним относятся уксусная, масляная, пропионовая) и спирты - в то, чем пахнет силосная яма. А кроме того, при брожении выделяется много водорода. После этого начинают работать другие группы бактерий: гомоацетатные бактерии, образующие уксусную кислоту из водорода и СО₂, а в конце - самая мощная группа, метаногены. Это отдельная группа микробов.

Что же происходит на полигоне ТБО, например, в Хметьево? Слой уплотненного мусора в три метра толщиной засыпают прослойкой грунта. Потом опять идут три метра ТБО, снова засыпка и так далее. Мусор перебраживает, разлагается, и в результате из трех метров остается примерно один. При разложении образуется метан вместе с углекислотой и уходит в атмосферу, потому что засыпка слишком тонкая и метанокисляющие бактерии в ней не способны справиться с его потоком, идущим снизу.

Многие климатологи сейчас очень озабочены выделением метана, ведь это один из парниковых газов. Получается, что на полигонах тот углерод, который мог бы превращаться в углекислый газ, выделяется в виде метана.

Когда начались дискуссии о парниковом эффекте, встал вопрос, как же мы будем бороться с метаном. Интересное решение придумали в некоторых западных странах, где тратят большие деньги на полигоны, - там метан собирают. Тело биореактора пронизывают трубами с перфорацией, из них откачивают метан, но его не просто удаляют, а используют для получения электричества. Тут надо вспомнить, что в Бирме, Южной Индии, Южном Китае из растительных отходов делают биогаз - основной источник энергии в сельской местности. Тратить его на отопление домов там не требуется, но можно сжигать, чтобы готовить пищу. Добывать биогаз просто: взял солому, навоз, положил в бак - и больше ничего не надо.

Полигон тоже производит достаточно метана для выработки тепла и электроэнергии. Но у нас слишком холодно, чтобы эта технология работала круглый год, и получается дорого, а кроме того, у нас есть природный газ и метан пока нам не так уж и нужен.

Сейчас любой городской мусор с улиц содержит тяжелые металлы от автомобилей. Детали трутся, и образуется металлическая пыль, которая посыпает придорожный грунт, а при уборке попадает на свалку. Часть металлов растворяется, уходит в личаты. Дело еще в том, что при брожении образуются кислоты, из которых основные - молочная и уксусная.

Из-за них подвижность тяжелых металлов значительно возрастает.

Вы знаете, чем пахнет большая свалка? Биогазом. Исследователи из Пермского государственного технического университета предложили и опробовали новую математическую модель, чтобы прогнозировать, когда и сколько его выделится в зависимости от возраста и состава мусора.

Биогаз, состав которого меняется по мере гниения отходов, может вызывать у людей отравления и даже взрываться, если скопится в подвале здания по соседству с помойкой. Вот почему исследования, проведенные в ПермГТУ, совершенно необходимы, так как используемые ныне методы для расчета его количества далеки от совершенства.

Специалисты рассчитали приблизительную скорость, с которой гниют бытовые отбросы разного состава, привлекли уже имеющиеся данные по процессам, идущим в теле свалки, и вывели формулу, отражающую выделение биогаза во времени. Эта формула учитывает химический состав отходов, их "съедобность" для микробов, их влажность, возраст свалки и погоду. Не осталась без внимания и интенсивность, с которой свалка пополняется. Важная характеристика мусора - его метаногенный потенциал, то есть сколько литров метана образуется из одного килограмма в условиях свалки. (Самый высокий - у бумаги.)

Формула учитывает и то, что на многих захоронениях ТБО - твердых бытовых отходов - горит до одной десятой всего скопившегося там материала. Есть разница между процессами, идущими на действующем полигоне или отработанном, на месте которого теперь парк или жилой массив, и эту разницу теперь тоже можно отразить при расчетах.

Покончив с цифрами, ученые соорудили подобие свалки в лаборатории и проверили, работает ли их формула. За образец они взяли полигон Сафроны, появившийся в 12 км от Перми 25 лет назад. Бумажные, пищевые и садовые отходы в том же соотношении, что и на Сафронах, три месяца продержали под открытым небом, а потом размельчили, поместили в сосуд с газоотводной трубкой и стали мерить выделение газа.

Опыт продлился четыре месяца. Оказалось, что расчетные значения и экспериментальные данные не сильно различаются, а статистически и вовсе идентичны. Пользуясь этой формулой, исследователи рассчитали выделение метана этой свалкой аж до 2122 года.

Биогаз из мусора образуется без доступа кислорода. Его количество и состав меняются по мере разложения отходов.

Первые полгода он состоит из аммиака, сероводорода и углекислоты - это гниют пищевые отбросы. Бумага в это время распадается на сахара и воду. Потом наступает кислая фаза, в которой образуются уксусная и пропионовая кислота, а также вода и СО₂. В это время биогаз представлен в основном углекислым газом. Через три года наступает метаногенная фаза. Первая активная стадия может длиться от 10 до 30 лет. В это время биогаз особенно обилен и взрывоопасен, ведь тонна отходов выделяет до 80 кубометров газа в год, а в масштабах полигона счет идет уже на тысячи кубометров в год. После этого наступает стабильная фаза, которая течет веками. Метан в это время выделяется в десятки раз слабее, чем в активной фазе. На полигоне Сафроны, например, активная стадия в самом разгаре, а завершится примерно через 20 лет.

Ежедневно сжигает автотранспорт Москвы, если на полное окисление (сжигание) килограмма бензина или дизельного топлива уходит примерно три килограмма кислорода? (В Москве зарегистрировано три миллиона автомашин, каждая из которых за день потребляет в среднем три литра бензина.) Правильно, около 27 000 т (в весовом выражении), или 9 составов по 50 цистерн, в каждой цистерне 60 т жидкого кислорода. На машины пока хватает. А нам - для жизни?

В спокойном состоянии один человек в сутки тратит на дыхание приблизительно 2 кг (1,5 м³) кислорода; соответственно 12-миллионное население Москвы потребляет примерно в полтора раза меньше кислорода, чем все машины. Суммарное же потребление достигает 51 000 т.

На самом деле приведенный расчет очень приблизителен. Не все три миллиона машин каждый день на ходу, зато приезжают гости из других регионов; кроме людей и машин кислород потребляют энергетика и промышленность, городские животные, растения, процессы гниения и прочее. поверхностное активное применение экологическая

Кроме того, через Москву проходят воздушные массы, а, судя по последним данным, полученным с помощью космической съемки поверхности Земли, количество растений - продуцентов кислорода - в средней полосе Евразии увеличивается. Однако при общем постоянстве газового состава атмосферы недостаток кислорода может возникать временно и локально. Над крупными городами образуются "тепловые купола", надвигающиеся свежие воздушные потоки. Если коррекция не будет сделана, коллапс в той или иной форме не только возможен, но и неизбежен, и может наступить еще при жизни сегодняшнего поколения. При уменьшении количества кислорода в воздухе топливо сгорает не полностью, так что в выхлопе повышается содержание угарного газа.

...