Роза Рыскалиева.

Прикладная химия



скачать книгу бесплатно

С + 1/2О2 ? СО + 110,5 кДж/моль. Параллельно образуется очень ядовитый угарный газ СО.

Опираясь на обобщенную формулу топлива, можно перечислить другие химические процессы, протекающие при его сгорании. Так, одной из самых вредных примесей в топливе является сера. В процессе сжигания топлива она выделяется в виде диоксида серы: S + О2 ? SО2 + 296,9 кдж/моль. Известно, что диоксид серы SО2 – один из источников «кислотных осадков». Кроме этого сера можно выделяться и в виде серосодержащих соединений, обладающих высокой токсичностью и коррозионным воздействием.

В значительных количествах содержится в топливах и азот. Высокие температуры способствуют образованию оксидов азота – NOx:

N2 + O2 ? 2NO – Q (эндо); 2NO + O2 ? 2NO2 + Q (экзо).

NOx – компоненты «кислотных осадков» и разрушители озонового слоя.

На ТЭС топливо сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, которая в турбогенераторе превращается в электрическую. Уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов; туда же в больших количествах непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляются высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова направляется в котлы. При этом происходит тепловое загрязнение водоема – охладителя. Кроме оксидов углерода, серы и азота при работе ТЭС в атмосферу выбрасывается огромная масса золы, пыли и дыма, содержащих до 25 элементов, в том числе тяжелых металлов. В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232. Все это поступает в окружающую среду.

Каждый вид топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Уголь: в зависимости от относительного содержания элементов различают бурые, каменные угли и антрациты. При переходе от бурых углей к антрацитам увеличивается доля углерода (от 65 % до 90 %) и соответственно снижается доля водорода и кислорода. Органическая масса углей включает в себя битумы (жидкие или твердые смеси и их кислородные, сернистые и азотистые производные), гуминовые кислоты (высокомолекулярные соединения с фенолгидроксильными, карбоксильными, аминогруппами) и остаточный уголь (полуароматические соединения). Теплотворная способность бурого угля – 12000 кДж/кг, каменного угля – 19000 кДж/кг, антрацита – 29000 кДж/кг. Добывают уголь открытым и подземным способами. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахты. При открытой разработке почва и горные породы над угольным пластом вскрываются гигантскими экскаваторами.

При этом полностью уничтожаются наземные экосистемы. Хотя остающиеся карьеры и их отвалы можно рекультивировать, то есть разровнять, удобрить грунт и высадить на нем растения, прежде чем восстановиться экосистема пройдет много времени. Наиболее значительные экологические недостатки угля как топлива – загрязнения диоксидом серы 2, а также наличие больших зольных остатков. Кроме этого, отходы от сжигания угля в следовых количествах содержат мышьяк, свинец, ртуть, а также ряд радиоактивных веществ.

Торф и сланцы: теплотворная способность торфа и сланцев топлива 24000 кДж/кг. Но высокая зольность этих видов топлива, даже по сравнению с углем, делает их применение неэффективным, экологически сложным (зола составляет от 30 до 60 %).

Нефть: человечеству нефть известна с древнейших времен. Точных данных, когда именно впервые была обнаружена нефть, нет, но первая промышленная скважина глубиной 23 м была пробурена в 1859 г. в штате Пенсильвания в США. С 1880 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли свыше 3,2.1012 л. Это смесь углеводородов трех типов – алканов (СnH2n + 2), циклоалканов (СnH2n) и аренов (СnH2n – 6). Кроме этого, в нефти в наибольших количествах содержатся сера S – до 4 %, азот N – 1 % и немного меньше кислорода О. Эти добавочные элементы обычно входят в состав молекул углеводородов. В качестве микропримесей нефть содержит до 27 элементов (фосфор Р, ванадий V, марганец Mn, хром Cr, кобальт Co, бор B, магний Mg, никель Ni, железо Fe, алюминий A1 и другие). Всего в различных нефтях идентифицировано 805 индивидуальных химических соединений. Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения. Основное различие между нефтью, добытой в различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, что и влияет на химические и физические свойства сырой нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, другие имеют черную, янтарную или зеленую окраску. Некоторые нефтепродукты имеют приятный запах эфира, скипидара и камфары, а другие – очень неприятный запах, вызываемый присутствием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства различных углеводородов существенно различаются. Поэтому при оценке влияния компонентов нефти на окружающую среду необходимо знать состав определенного нефтепродукта.

Теплотворная способность нефтей высокая – 43000 кДж/кг, у продуктов нефтепереработки – до 46000 кДж/кг. Нефть практически лишена присущего твердым топливам недостатка – зольности. Но ее применение связано с одной специфической трудностью – транспортировкой. Химическая энергия, заключенная в нефти – самый «перевозимый» вид энергии. Почти вся нефть используется не там, где добывается. Добывается она там, где ее много и где добывать ее удобнее, а потребляется там, где есть развитая промышленность. В энергетическом балансе развитых стран главное место принадлежит нефти. Нефть универсальна в применении. Кроме того, что она используется в энергетике, в промышленности из нее получают более чем 3000 различных продуктов, в том числе в синтетические волокна, пластмассы, лекарства, красители и пестициды.

Углеводороды, находящиеся в составе нефти в месторождениях практически безвредны для окружающей среды. Но, попадая в атмосферу, почву, воду при использовании их человеком, нефть и нефтепродукты становятся загрязнителями природной среды. Легкокипящие фракции углеводородов являются огне– и взрывоопасными веществами и при попадании в атмосферу в больших количествах могут становиться виновниками взрывов и пожаров.

Особенно опасны последствия загрязнения гидросферы нефтью. Серьезное беспокойство вызывает загрязнение нефтью океанов в результате крушения танкеров и выбросов нефти на буровых скважинах, расположенных в открытом море. Такие примеры очень серьезны, но загрязнения нефтью вызванные ими, составляют лишь небольшую долю от общего количества загрязнений нефтяными углеводородами акватории мирового океана. Основная доля загрязнений приходится на транспортировку нефти (48 %, в то время как аварии около 5 %). В настоящее время более 58 % нефти перевозят морским путем, и ежегодно в морскую среду поступает до 3,5 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Почти такой же вклад в загрязнение океана нефтепродуктами дают реки и городские стоки. Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах крупных городов, попадая сюда из различных источников. К ним относятся системы отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки израсходованных смазочных материалов и т.д. Дожди вымывают эти остатки вначале в дренажные сооружения, а затем в воду. Периодически повторяющийся приток нефтепродуктов в воду даже в небольших количествах может привести к сокращению числа видов водных организмов, а в некоторых случаях – и к полному уничтожению жизни. В акваториях аккумуляции нефтепродуктов резко снижает содержание растворенного в воде кислорода, вызывая массовую гибель водных организмов не только в водной толще, но и в донных отложениях. Некоторые нефтяные продукты канцерогенны, и их накопление в трофической цепи может представлять опасность для человека. Загрязнение озерных вод нефтепродуктами губительно действует на водную растительность и плавающую птицу. Кроме того, нефтяные пленки на поверхности водоемов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между водой и атмосферой. Попавшая на поверхность воды нефть растекается на большие площади с расходом примерно 150 – 1000 л/км2. Вода приобретает запах керосина при содержании нефти 0,2 – 0,4 мг/л, причем этот запах не устраняется даже при хлорировании и фильтровании воды.

После попадания в океан нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. В результате таких процессов, как испарение, растворение, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок, состав нефти постоянно меняется из-за разложения и трансформирования составляющих нефти. Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25 % нефтяного пятна исчезает в результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения (до 5 %), причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре. Тяжелые фракции нефти с температурой кипения выше 3700С остаются на поверхности и, постепенно уплотняясь, со временем оседают на дно. Не разлагающиеся и не осаждающиеся нефтяные остатки обнаруживаются на поверхности воды в виде смолистых шариков. Биохимическое воздействие бактерий на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения или растворения. Но нет какого-либо одного микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Большинство превращений углеводородов нефти под действием бактерий сводится к процессу:

Н3С(СН2)nCH3 + O2 ? H3C(CH2)n-1COOH + CO2 + H2O

Нефтяные углеводороды подвержены также процессам химического окисления и фотоокисления. Подсчитано, что для полного окисления 4л сырой нефти требуется О2, содержащийся в 1,5?106л морской воды, насыщенной воздухом при 600С; это эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см с площадью 0,5?104м2. Сокращение площадей, покрытых нефтяной пленкой за счет испарения, растворения, оседания, эмульгирования, биологического и химического окисления свидетельствует о больших способностях морей и океанов к самоочищению, но эти возможности не безграничны.

По наблюдениям со спутников, нефтяная пленка покрывает до 10-15 % поверхности Мирового океана или 36-54 млн. км2. Эта пленка, будучи достаточно устойчивой, нарушает водо– и газообмен между океаном и атмосферой, угнетает процессы фотосинтеза, изменяет световой и температурный режим у поверхности воды. Интенсивность света под слоем нефти убывает до 90 %, испарение воды уменьшается на 60 %. Одна тонна пролитой нефти может загрязнить около 12 км2 поверхности океана и погубить в нем все живое. Если загрязнение океана будет продолжаться, то это повлияет на кругообороты кислорода, диоксида углерода и воды. Многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так, под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бензо[а]пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.

Еще большую опасность нефть и нефтепродукты представляют для подземных вод. Когда углеводороды нефти попадают в подземную воду, они полностью сохраняют устойчивость, и не приходится рассчитывать на их бактериальное разложение или биохимическое окисление, что обусловлено недостатком бактерий и отсутствием кислорода, а также низкой температурой. Для загрязнения воды хватает совершенно незначительных количеств нефти, при содержании нефтепродуктов от 0,001 до 1 мг/л вода приобретает специфический запах и привкус. Восстановление первоначального состояния такой воды может происходить в течение длительного времени – даже столетий. А ведь подземные воды представляют собой не возобновляемые ресурсы пресной воды, которые необходимо сохранить для будущих поколений.

При аварийных разливах нефть проникает и в глубокие слои почвы, вплоть до грунтовых вод. Основные причины разливов нефти и нефтепродуктов – это коррозия и механические повреждения трубопроводов, нарушение герметичности резервуаров и аварии на нефтепромыслах. Разрыв только одного трубопровода может вызвать загрязнение территории площадью до 0,11 га. Реальные последствия для почв при накоплении в них различных нефтяных продуктов изучены далеко не полно. Поступление в почву компонентов нефти вызывает изменение физических, химических, биологических свойств и характеристик. Все это неизбежно вызывает снижение и даже полную утрату почвенного плодородия. Кроме того, углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенными свойствами, характеризующиеся стойкостью к микробиологическому расщеплению и способные переходить в растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и создает определенную угрозу для здоровья человека и животных. В загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели: изменяются содержание и состав гумуса, азота, фосфора, нарушается почвенно-поглощающий комплекс, снижаются порозность, аэрация и водопроницаемость, уменьшается доступная растениям влага.

Токсичные химические вещества нефти в процессе геохимической миграции в цепи почва – растения – живые организмы нарушают генетические свойства почв, оказывают ингибирующее влияние на растения, уменьшают их общую зеленую массу, вызывают глубокие изменения в составе крови живого организма, в клетках мозга, являются причиной онкологических заболеваний. Высокая степень загрязнения почв и атмосферного воздуха нефтепромыслов токсичными химическими веществами вызывает у населения тяжелые формы гепатита, болезней органов дыхания и туберкулез.

Газообразные топлива: сюда входят природный газ, попутные газы нефтедобычи, а также образующиеся во многих процессах углехимии, нефтепереработки и нефтехимии в качестве сопутствующих основным продуктам смеси газообразных горючих веществ (коксовый и генераторный газы, газы крекинга и пиролиза, отходящие газы многих производств органического синтеза). Природные газы богаты метаном (95 %) и почти не имеют в своем составе непредельных углеводородов. Попутные газы нефтяных месторождений обогащены пропаном и бутаном. В качестве примесей в горючих газах содержатся циклические и ароматические углеводороды, небольшое количество азота N2, водорода H2 аргона Ar, гелия He; нередко присутствие значительных количеств сероводорода Н2S, меркаптанов и углекислого газа СО2. В зависимости от состава газы используют как сырье для химической промышленности, а также как промышленное и бытовое топливо. Теплотворная способность природного газа 34000 кДж/м3. По сравнению с твердым и жидким топливом газ содержит меньшее количество нежелательных примесей, полностью отсутствует зольность. Но он взрывоопасен, возможны аварии на газопроводах, помещениях и так далее.

Транспорт почти на 100 % обеспечивается жидким топливом, на выработку электричества идет уголь, в быту – природный газ. Но запасы ископаемого топлива ограничены. Поэтому в настоящее время рассматриваются перспективы получения синтетического топлива. Все виды топлива близки по своему составу. Самое существенное отличие – содержание водорода. Следовательно, есть возможность химическим путем получить, например, из угля нефтеподобный набор жидких углеводородов.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В конце второй мировой войны была открыта энергия атома. Ведущие страны мира взяли курс на «атомную эру». Предполагалось, что ядерная энергия позволит вырабатывать электричество в огромных количествах и очень дешево. Поэтому параллельно с совершенствованием ядерного оружия были развернуты научные и технические разработки в области создания атомных электростанций (АЭС). Интерес к АЭС стал падать в 70х годах, а после Чернобыльской катастрофы в 1986 г. сменился недоверием. Тем не менее, АЭС существуют и перспективы атомной энергии огромны.

Высвобождение ядерной энергии происходит в результате ядерных реакций, в которых меняются сами атомы. Происходит это в результате расщепления ядра (тяжелое ядро одного элемента распадается на два более легких ядра др. элементов) или ядерного синтеза (два легких ядра соединяются в одно более тяжелое ядро другого элемента). В обоих случаях суммарная масса продуктов реакции меньше, чем у исходного материала. «Теряемая» масса превращается в энергию. Количество энергии, выделяющееся при ядерной реакции, чрезвычайно велико. Мгновенное расщепление или слияние ядер одного кг вещества по своему эффекту соответствует взрыву атомной бомбы.

Основной процесс, идущий на современных АЭС – это управляемое расщепление, при котором тепловая энергия выделяется за счет высвобождения энергии связи n и р при делении ядер U-235 под воздействием n. Если при сжигании 1 г угля выделяется 7 ккал теплоты, то при «сжигании» 1 г ядерного топлива – 20 млн. ккал, т.е. почти в 3?106 раз больше. Для агрегата ТЭС мощностью 1 млн. кВт в течение трех лет нужно 300 тыс. вагонов угля, а для АЭС той же мощности за три года потребуется два вагона ядерного топлива. Три года – продолжительность непрерывной работы реактора АЭС без смены «горючего». АЭС строятся в месте, где имеется много воды, для охлаждения реактора и где нет серьезной сейсмической опасности, отсутствует осаждение грунта и нет угрозы разрушения здания АЭС в результате каких-либо внешних причин.

В тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) находится ядерное горючее, содержащее обычно около 3 % U-235 и 97 % U-238. U-235 единственное природное вещество, способное самостоятельно поддерживать цепную реакцию деления ядер. В природе цепная реакция не происходит, т.к. атомы U-235 слишком рассеяны среди атомов других элементов, в том числе и стабильного U-238: 99,3 % – U-238 и 0,7 % – U-235. В таких условиях, когда U-235 спонтанно расщепляется, выделившиеся нейтроны редко достигают другие такого же атома. Поэтому высвобождается энергия одного ядра, которую можно зафиксировать с помощью специальных счетчиков. Чтобы получить ядерное топливо, добытую руду очищают и обогащают. Обогащение означает разделение U-238 и U-235 с получением материала, в котором концентрация U-235 повышена. Функция ядерного реактора на АЭС заключается в поддержании непрерывной цепной реакции, которая не должно переходить в ядерный взрыв. Это достигается путем обогащения руды до содержания в нем 3 % U-235 и 97 % U-238. Такая низкая степень обогащения не позволяет цепной реакции выйти из-под контроля.

Захватывая нейтроны n, U-235 превращается в крайне неустойчивый U-236, который расщепляется на 2-3 осколка более легких элементов (бром Br, иод I, криптон Kr, барий Ba и другие). Образующийся «дефект массы» вызывает выделение большого количества энергии и рождение новых двух-трех нейтронов, обеспечивающих дальнейшее протекание ядерной реакции. Эти новые n обладают огромной скоростью (около 20000 км/с) и начальной энергией в несколько млн. электрон-вольт. Захват нейтронов n ядрами U-235 эффективен, если движение нейтронов n в реакторе замедлить до 2 км/с. При этом появляется возможность управлять цепной реакцией в реакторе. Замедление «быстрых» нейтронов n происходит с помощью тяжелой воды или графита.

Возможна реакция и на быстрых нейтронах. Часть нейтронов захватывается ядрами неделящегося U-238, который составляет основную «начинку» ТВЭЛов. При этом появляется новое ядерное «горючее» – плутоний-239, который в природе не встречается из-за относительно малого периода полураспада: 238 92U + n ? 239 92U ? 239 93Np ? 239 94Pu.

Pu-239 является более эффективным ядерным «горючим», чем U-235 и используется для создания ядерного оружия. Вместо U-238 можно использовать торий-232. В этом случае конечным продуктом является U-233: 232 90Th + n ? 233 90Th –23,5 мин. ? Pa –27,4 мин ? 233 92U.

Через три года эксплуатации отработанные ТВЭЛы вынимают из реактора и около трех лет выдерживают на АЭС в спец. бассейнах. За это время полностью распадаются накопившиеся в ТВЭЛах радиоактивные продукты (радионуклиды) с малым периодом полураспада. После этого из ТВЭЛов выделяют Pu-239, а отходы готовят к захоронению. Захоронению подлежат и сами реакторы, срок службы которых составляет 30-40 лет.

Еще большую проблему представляет захоронение различных радиоактивных веществ, накопившихся в ходе многолетней наработки плутония Pu для ядерного топлива на всех АЭС. Именно радиоактивные отходы и возможность аварий на АЭС вызывают всеобщую тревогу. Чтобы оценить опасность ядерной энергетики, надо представить себе, что такое радиоактивные вещества и в чем суть их воздействия на окружающую среду. При делении какого-либо тяжелого элемента, образующиеся легкие атомы представляют собой нестабильные изотопы, которые, переходя в стабильное состояние, испускают элементарные частицы и высокоэнергетическое радиоактивное излучение. Сами же нестабильные изотопы называют радиоактивными веществами. Кроме непосредственных продуктов деления ядерного топлива нестабильными могут стать и другие вещества внутри и вокруг реактора, поглотив испускаемые при ядерной реакции n. Все эти прямые и косвенные продукты расщепления называются радиоактивными отходами АЭС.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4