Роза Рыскалиева.

Прикладная химия



скачать книгу бесплатно

Отходы классифицируются по различным признакам:

1. по агрегатному состоянию – твердые – детали реактора на АЭС, инструменты, спец.одежда; жидкие – вода, используемая в технологическом процессе на АЭС и т.п.; газообразные – изотопы криптона, особенно 88Kr.

2. по периоду полураспада – короткоживущие t1/2 < 1года; среднего времени жизни 1год< t1/2 < 100 лет; долгоживущие t1/2 > 100 лет.

3. по удельной активности – низкоактивные менее 0,1 Кu/м3; среднеактивные 0,1-1000 Кu/м3; высокоактивные свыше 1000 Кu/м3.

4. по составу излучения – ? – излучатели (испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядро атома Не); ? – излучатели (испускание атомом электронов); ? – излучатели (выброс электромагнитного излучения); нейтронные излучатели.

До сих пор не решена проблема радиоактивных отходов. Наиболее распространенный способ их уничтожения – захоронение.

Из таких же веществ состоят радиоактивные осадки при ядерном взрыве. Радиоактивные излучения приводят к очень серьезным заболеваниям, так как разрушают молекулы в составе клеток. Облучение тканей организма при ядерном распаде вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (еводн.), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала: Н2О ? Н? + ОН? + еводн. Продолжительность существования этих продуктов распада около 1мс. В окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы. Это ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток. Радикалы Н? и еводн. реагируют с основаниями нуклеиновых кислот. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот кроме нарушения нормального образования пар оснований происходит и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.

Таким образом, использование ископаемого и ядерного топлива противоречит принципу устойчивого развития, так как эти ресурсы невозобновляемы, а применение их загрязняет окружающую среду. Движение к устойчивому обществу требует постепенного устранения зависимости от ископаемого и ядерного топлива и перехода к альтернативным источникам энергии.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

К этой группе источников энергии относятся источники, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

Солнечная энергия – эта кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Так как ее запасы практически неистощимы (подсчитано, что Солнце будет «гореть» еще несколько млрд. лет) ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Полная мощность излучения Солнца выражается астрономической цифрой – 4?1014 млрд. кВт. На каждый квадратный метр суши приходится около 0,16 кВт. Для всей же поверхности Земли количество падающей солнечной энергии составляет 105 млрд. кВт, что в 20 тыс. раз превышает производство всех известных видов энергии.

В естественных экосистемах лишь 1 % солнечной энергии поглощается листьями и используется для фотосинтеза. Она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органического вещества. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта. Кроме того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Весь вопрос в том, как преобразовывать энергию падающего излучения Солнца в доступную для практического использования электрическую энергию. Также надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью и в пасмурные дни. Сейчас энергия солнечного излучения в основном используется для получения в основном низкопотенциальной тепловой энергии (до 1000С) для нужд коммунального хозяйства, в сельском хозяйстве и частично в промышленности. Это различного рода водо– и воздухонагреватели, теплицы, сушилки, опреснители воды и т.д. Световое излучение можно улавливать и использовать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Существует несколько таких методов, доступных в настоящее время.

1. Фотогальванические элементы (ФГ) или фотоэлектрические преобразователи. Поток фотонов от Солнца попадает на верхнюю часть двухслойного полупроводника (например, кремния). Фотоны возбуждают электроны, и они мигрируют к поверхности раздела между кремнием различных типов. При этом создается избыток электронов на верхней поверхности раздела, поэтому здесь образуется разность потенциалов. Такая разность потенциалов составляет около 0,8В. Для того чтобы получить больший потенциал, следует соединить последовательно большее число кремниевых элементов. При увеличении площади кремния элементов можно получить ток желаемой величины. В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния Si (или германия Ge). Полупроводник – вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между значениями электрических изоляторов (диэлектриков) и проводников. Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом. Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решетке «электронные дырки», то есть эффективные положительные заряды. Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется n-р-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить «дырки» в слое р-типа.

При осуществлении фотогальванического метода преобразования энергии возникают трудности экономического характера. К таким трудностям относится получение кремния нужного качества. SiО2 (кремнезем), является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Но для получения химически чистого кремния, необходимо осуществить восстановительную стадию, чтобы выделить материал из имеющегося в изобилии кремнезема. Трудности заключаются в следующем:

• для ФГЭ нужно получить материал исключительно высокой чистоты. Электроны, возбужденные фотонами, теряют энергию при столкновении с атомами примесей; при этом они теряют высокую энергию, которой обладали в зоне проводимости, и, попадая снова в валентную зону вещества (если это полупроводник) с меньшей энергией, больше не участвуют в диффузии. В результате они не достигают поверхности раздела между двумя типами кремния и не участвуют в создании разности потенциалов.

• кремний нужно получить в виде монокристалла или в виде материала с высокой степенью монокристалличности. Так как большинство материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа индивидуальных кристалликов, то возбужденные электроны будут перемещаться от одного кристаллика к другому, дезактивируясь при столкновении с гранями кристалликов. Из-за этого лишь незначительное число электронов достигнет поверхности раздела, и примет участие в создании разности потенциала. Достаточно высоким напряжением обладают только чистые монокристаллы кремния. Поэтому этот метод использования энергии Солнца является весьма дорогостоящим. Но в противоположность атомной энергетике преобразователь солнечной энергии является целиком и полностью «чистым».

2. Метод зеркального гелиоконцентрата более простой, чем ФГ метод. Установка содержит ряд зеркал, образующих следящую систему, которая поворачивается вслед за Солнцем. Целью этого движения является слежение за Солнцем в течение дня, при этом фокус зеркал, установленных в строго определенном порядке, собирает всю солнечную энергию. Площадка, на которой находится зеркало, направленное в данный момент на Солнце, является частью кипятильника, установленного на башне на несколько десятков метров выше ряда зеркал. Кипятильник заполняется рабочей жидкостью, например водой или жидкостью с низкой температурой кипения типа аммиака. Кипятильник работает как обычная тепловая машина.

3. Солнечные коллекторы. Прямое использование солнечной энергии идеально подходит для отопления, горячего водоснабжения. Достаточно плоского коллектора. Существует множество разновидностей коллекторов, но у всех есть черная поверхность, а над ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает ее в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. Воздух для нагреваний пропускают между черной поверхностью и окном, а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую сводится к минимуму.

4. Солнечные пруды. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему слою остыть. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещение.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них необходимы большие площади, не менее чем на три порядка больших, чем для ТЭС той же мощности, причем недалеко от потребителя (в пределах 80 км). Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Также, любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью (алюминий, кремний и другие); при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных электростанций (СЭС), которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни км2. По мнению академика Капицы, применение фотопреобразователей с высоким коэффициентом полезного действия может привести к падению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и, следовательно, прекратят работу фотоприемники.

Солнечная энергия обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха, накопление органического вещества в биосфере. Все это различные преобразованные формы энергии Солнца, полностью зависят от его падающего на Землю излучения. Обращаясь к этим энергоресурсам, идет непрямое использование солнечной энергии.

БИОЭНЕРГЕТИКА. Биоэнергетика – это использование в качестве источника энергии биомассы. Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов.

1. Прямое сжигание – это топка печей дровами. Этот вид использования биомассы самый простой, но экологически грязный, т.к. идет загрязнение атмосферы и уничтожение лесных экосистем.

2. Получение бензоспирта. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство из сахарного тростника как автомобильного горючего, является Бразилия:

С6Н12О6 (глюкоза) ? 2С2Н5ОН + 2СО2. Но это топливо не лишено недостатков. Во-первых, в качестве исходных продуктов используются пищевые продукты (сахарный тростник, зерновые). Во-вторых – загрязнение окружающей среды. Хотя сгорание спирта – довольно чистый с экологической точки зрения процесс, его производство очень «грязное» из-за использования для перегонки др. топлива (например, угля), причем оно требуется в больших количествах. Поэтому спирт очень дорогой продукт.

3. Получение биогаза (биометаногенез). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением биогаза, на 2/3 состоящего из метана СН4. Процесс биометаногенеза осуществляется бактериями в три стадии.

На первой стадии происходит растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:

Н3С – СН2 – СООН – пропионовая кислота
СхНуОz ? Н3С – СН2 – СН2 – СООН – масляная кислота (R – COOH)
Н3С – СН(ОН) – СООН – молочная кислота

Вторая стадия – ацидогенез – идет под действием уксуснокислых бактерий:

R – COOH ? H3C – COOH + CO2 + H2

Третья стадия – метаногенез – идет под действием метанобактерий:

СО2 + Н2 ? СН4 + Н2О

Биогаз состоит в основном из метана СН4 (65 %) и углекислого СО2 (30 %). Его теплотворная способность составляет 23000 кДж/м3.

В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используется также при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе этим путем может идти биотрансформация некоторых биоцидов:

6Н5СООН + 24Н2О ? 12СН3СООН + 4НСООН + 8Н2
12СН3СООН ? 12СН4 + 12СО2
4НСООН ? 4СО2 + 4Н4
2СО2 + 12Н2 ? 3СН4 + 6Н2О

суммарное уравнение: 4С6Н5СООН + 12Н2О ? 15СН4 + 13СО2.

Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в виде метана СН4 в специальных реакторах – дайджестерах. В некоторых странах (Индия, Китай, Филиппины) разработаны национальные энергетические программы, нацеленные на производство биогаза. А в Китае многие фермеры специально сбраживают навоз и получаемого биогаза хватает на удовлетворение всех энергетических нужд хозяйства. Таким образом, использование биогаза в качестве источника энергии таит в себе большие возможности.

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА. Выработка электроэнергии на гидроэнергетических установках не сопровождается загрязнением окружающей среды. Полные расчетные гидроресурсы рек планеты оцениваются в 1000 трлн. кВт/час. Гидроресурсы, которые можно реализовать с помощью гидроэлектростанций (ГЭС), примерно в 30 раз меньше. По оценкам специалистов, даже при полном использовании потенциала всех рек планеты, гидроэнергетика может обеспечить человечество электроэнергией не более чем на 25 %. На территории бывшего СССР находится 12 % мировых гидроресурсов, эффективность использования которых составляла 20 %. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов выше: в Канаде – 50 %, в Японии 62, в Швеции и Италии – 74, во Франции и Швейцарии – 90, в США – 44 %.

Существует 3 вида гидроэнергетических установок (ГЭУ):

1. гидроэлектрические станции (ГЭС) используют энергию рек. ГЭС представляют собой наиболее простые устройства для получения электроэнергии. ГЭС имеют очень высокий коэффициент полезного действия (кпд) (93 %), в то время как кпд ТЭС – 40 %. ГЭС являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. На них гораздо легче, чем на АЭС или ТЭС пускать или останавливать агрегаты, нет ограничений по скорости изменения их мощности. Поэтому ГЭС имеют важное значение как дешевый источник энергии.

Отрицательное воздействие ГЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

• затопляются земли, часть которых относится к высокопродуктивным сельскохозяйственным и лесным угодьям. Затопленные плодородные почвы обогащают воду большим количеством биогенных элементов, что приводит к развитию процессов эвтрофикации и вызывает резкое ухудшение качества воды;

• наличие плотины является практически непреодолимым препятствием для нерестового хода рыб, что отрицательно сказывается на состоянии рыбных запасов;

• к отрицательным последствиям относят также увеличение потерь воды на испарение, локальное изменение климата, нарушения в режиме грунтовых вод и так далее;

• создание крупных водохранилищ можно способствовать возникновению или повышению сейсмической активности в прилегающих к ним районах.

2. гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) способны накапливать и использовать энергию озер и искусственных водоемов. ГАЭС используют ту гидравлическую энергию, которая специально ими же накоплена. Они объединяют две установки: турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн. На это затрачивается энергия. В требуемое время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, и тем самым будет получена определенная энергетическая мощность. Коэффициент полезного действия ГАЭС – 70-80 %. Создание ГАЭС связано с проблемой пиковой энергии. Электроэнергия потребляется неравномерно – больше всего утром и вечером. Для покрытия кратковременных пиков и существуют ГАЭС. Ночью они, потребляя энергию ТЭС или АЭС, накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки эта энергия используется. Недостатки ГАЭС те же, что и у ГЭС.

3. приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов морей и океанов. Морские приливы и отливы – следствие воздействия на Землю (на ее водную поверхность) лунного (главным образом) и солнечного притяжений, а также воздействия центробежных сил, образовавшихся в результате вращения систем Земля-Луна и Земля-Солнце. Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Максимальное поднятие воды (полная вода) над минимальным опусканием уровня воды (малая вода) составляет в открытом океане около 1 м. Но в зависимости от очертания береговой линии, а также географической широты, глубины моря вблизи суши и других факторов, величина прилива может быть гораздо больше. В некоторых местах разность уровня моря во время приливов и отливов достигает 18 м (например, побережье Атлантического океана). Но таких мест на Земле мало. Так как приливная волна периодически изменяется (волна то наступает на берег, то отступает), то в соответствии с ней меняются напор и мощность станции. Первая ПЭС мощностью 240 тыс. кВт была построена во Франции в 1967 г. в месте впадения реки Роны в Ла-Манш. Устье реки было перегорожено дамбой длиной 700 м. В теле дамбы установлены «обратимые» гидроагрегаты, вращающиеся в одну стороны при приливе и в обратную при отливе. Стоимость сооружения ПЭС на Роне в 2,5 раза превысила стоимость обычной речной ГЭС такой же мощности.

Главный недостаток ПЭС – их вынужденный режим. ПЭС дают свою мощность, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волны. По мнению академика Капицы, есть еще более серьезные последствия использования ПЭС: строительство ПЭС большой мощности (сотни гигаватт) – а именно такие нужны для компенсации дефицита горючих ископаемых, на доли секунды замедлит вращение Земли. Последствия этого трудно даже предположить.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА. Ветер – движение воздуха относительно поверхности Земли, также имеет солнечное происхождение. Поверхность Земли в разных местах имеет различную степень черноты. Поэтому различные участки Земли под действием солнечной радиации нагреваются до различной температуры. Следовательно, и нижние слои атмосферы имеют неравномерный нагрев. Из-за этого неодинаково давление воздуха на одной и той же высоте, то естьь в атмосфере существует горизонтальное распределение давления. Это приводит к перемещению больших масс воздуха и возникает ветер. Наряду с энергией воды и домашних животных, ветер также используется с глубокой древности (ветряные мельницы). Сейчас используются ветротурбины. Чем больше площадь лопастей ветротурбин, тем больше энергии она позволяет получить. Очень эффективно использование комплексов небольших по размерам ветротурбин с размахом лопастей около 17 м и мощностью порядка 100кВт. От 50 до нескольких тысяч таких установок объединяют в ветроэлектростанцию (ВЭС). Например, в Калифорнии ВЭС в 17 тыс. ветротурбин суммарной мощностью 1500 МВт, заменяют полторы АЭС. Стоимость сооружения этих установок всего 1,25$ в пересчете на ватт, в то время как для ТЭС и АЭС расходы составляют 3 и 5$ соответственно.

Отрицательное воздействие ВЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

1. для изготовления десятков тысяч ветряных колес и башен придется резко увеличить производство алюминия или стеклопластика, а это весьма грязные производства;

2. при мощности одной установки в 250 кВт возникает шум силой 50-80дБ;

3. ветряные колеса генерируют опасные инфразвуковые колебания, которые весьма неблагоприятно действуют на организм, причем до такой степени, что территория самой ВЭС и прилегающие к ней участки становятся непригодными для жизни людей и животных;

4. возникают сильные радиопомехи;

5. нарушаются траектории движения перелетных птиц, ликвидируются места традиционного обитания птиц;

6. из-за крупномасштабного использования энергии ветра, он может рассеиваться; изменится «роза ветров», и следовательно, может нарушится климатическое равновесие, перенос влаги и тепла не только в районе, где построена ВЭС, но и далеко за его пределами;



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4