Основные источники антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха. Особенности мониторинга стационарных источников газовых выбросов. Анализ причин и последствий загрязнения атмосферы газопылевыми выбросами. Расчет концентрации фторидов в растворах.
Аннотация к работе
При оценке экономических характеристик источника выбросов» таких как величина экономического ущерба, плата за выброс и определение предельно-допустимых нормативов выбросов, используется понятие массы токсичных примесей, которая определяется из концентрации соответствующей примеси и объема выбрасываемого газа. Величина выброса загрязняющего атмосферу вещества определяется произведением массовой концентрации этого вещества в газовом потоке и объемного расхода газовой смеси, представительных для данного источника и приведенных к одному сечению. Система контроля источников загрязнения атмосферы включает организационные, технические и методические мероприятия, направленные на выполнение требований законодательства в области охраны атмосферного воздуха, в том числе на обеспечение действенного контроля за соблюдением нормативов предельно-допустимых выбросов (ПДВ). В соответствии со статьей 25 федерального закона «Об охране атмосферного воздуха» № 199-ФЗ от 31 декабря 2005 г. производственный контроль атмосферного воздуха осуществляют юридические лица, которые имеют источники вредных химических, биологических и физических воздействий на атмосферный воздух* Для организации и проведения производственного контроля атмосферного воздуха на предприятиях назначают ответственных лиц и (или) организуют экологические службы. По результатам обследования определяют количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу за счет каждого вида выбросов, составляют общий их перечень, выполняют расчет рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере н сравнивают результаты расчета с предельно-допустимыми концентрациями (ТЩК) этих веществ на территории предприятия или в приземном слое атмосферы населенного пункта.В ходе проделанной работы были изучены особенности мониторинга стационарных источников газовых выбросов.
Введение
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой. Он представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли» деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземного слоя атмосферы - самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду. Атмосферный воздух имеет неограниченную-емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.
Одной из главных задач природопользования является охрана атмосферного воздуха от промышленного загрязнения. Основной вклад в высокий уровень, загрязнения воздуха вносят выбросы из стационарный источников предприятий черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, целлюлозно-бумажной промышленности, строительной индустрии и энергетики. Поэтому задача мониторинга источников газопылевых выбросов чрезвычайно важна.
Целью данной работы является обучение студентов практическим навыкам мониторинга стационарных источников выброса.
Мониторинг и контроль источников газовых выбросов По данным Министерства природных ресурсов Российской Федерации экологические проблемы экономически развитых районов России наиболее ярко проявляются на территории Москвы. Экологически опасные производства, транспорт и другие компоненты инфраструктуры оказывают негативное влияние на состояние атмосферного воздуха, водных объектов, почв, увеличивают объемы образования отходов.
Серьезной проблемой является загрязнение атмосферного воздуха. В зонах устойчивого сверхнормативного загрязнения атмосферного воздуха проживает около 8 млн."человек. Москва по валовым выбросам загрязняющих веществ в атмосферу (1,9 млн. т) занимает первое место среди субъектов Федерации, входящих в Центральный федеральный округ. Валовые выбросы обусловлены выбросами от автотранспорта (Ц$ млн. т) и стационарных источников (0,093 млн. т). Основные выбросы загрязняющих веществ в 2002 г. приходятся на энергетику (49%) и нефтеперерабатывающую промышленность (37%). Крупнейшим загрязнителем городского воздушного бассейна является Московский НПЗ, "обеспечивающий" треть выбросов от стационарных источников. Объем выбросов ТЭЦ-23 оценивается в 7%. АМО "ЗИЛ”-2%.
В перечень задач мониторинга стационарных источников входит контроль таких параметров выброса, как температура газа, влажность, запыленность, концентрация и мощность (напор) вредных примесей. При оценке экономических характеристик источника выбросов» таких как величина экономического ущерба, плата за выброс и определение предельно-допустимых нормативов выбросов, используется понятие массы токсичных примесей, которая определяется из концентрации соответствующей примеси и объема выбрасываемого газа. Величина выброса загрязняющего атмосферу вещества определяется произведением массовой концентрации этого вещества в газовом потоке и объемного расхода газовой смеси, представительных для данного источника и приведенных к одному сечению. Промышленные выбросы характеризуются изменчивостью во времени, поэтому величины выбросов загрязняющих веществ, основанные на единичных замерах, часто не соответствуют истинному положению вещей.
Стационарные источники подразделяются на организованные и неорганизованные.
Система контроля источников загрязнения атмосферы включает организационные, технические и методические мероприятия, направленные на выполнение требований законодательства в области охраны атмосферного воздуха, в том числе на обеспечение действенного контроля за соблюдением нормативов предельно-допустимых выбросов (ПДВ). Учет и контроль осу щестилястся на трех уровнях: государственном, ведомственном (отраслевом) и производственном.
В соответствии со статьей 25 федерального закона «Об охране атмосферного воздуха» № 199-ФЗ от 31 декабря 2005 г. производственный контроль атмосферного воздуха осуществляют юридические лица, которые имеют источники вредных химических, биологических и физических воздействий на атмосферный воздух* Для организации и проведения производственного контроля атмосферного воздуха на предприятиях назначают ответственных лиц и (или) организуют экологические службы.
Контроль воздуха на предприятии состоит в следующем. Периодически проводятся обследования, в результате которых устанавливаются источники вредных выбросов в атмосферу, определяются объемы и состав выбросов, составляется их технический паспорт, и разрабатываются рекомендации по предотвращению или сокращению выбросов. Обычно эти мероприятия проводятся 1 раз в 5 лет. Количество выбросов и концентрации загрязняющих веществ, как правило, определяются экспериментально, иногда расчетным путем.
Обследован иелтеточн и ка загрязнения (производств, цеха, участка) проводят а течение ) 0-15 дней, проводя контроль в момент оптимальной нагрузки производства, желательно во всех точках отбора проб. Обычно при обследовании учитывают все основные виды газовых выбросов (организованные и неорганизованные, постоянные и периодические, аварийные и т.д.). По результатам обследования определяют количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу за счет каждого вида выбросов, составляют общий их перечень, выполняют расчет рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере н сравнивают результаты расчета с предельно-допустимыми концентрациями (ТЩК) этих веществ на территории предприятия или в приземном слое атмосферы населенного пункта. Если уровень загазованности воздуха превышает ПДК вредных веществ, разрабатывают систему мероприятий по снижению выбросов, а затем производят повторный расчет загазованности с учетом запроектированных мероприятий по снижению объема выбросов.
Загрязнение атмосферы
Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.
Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.
К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреон ы), метан и тропосферный озон.
Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 - 25 млн. т. в год.
Разрушительное воздействие промышленных загрязнений зависит от вида вещества. Хлор негативно воздействует на органы зрения и дыхания. Фтор - химически активный элемент, который не встречается в природе в чистом виде. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений.
Фторосодсржащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами. При высоких концентрациях соли фтористоводородной кислоты (фториды) весьма токсичны и подавляют действие ферментов организма, хроническое фторидное отравление приводит к изменениям в скелете. В стоматологии фториды используются как средство профилактики кариеса зубов и в небольшом количестве добавляются к зубным пастам. Кроме того, иногда в этих же целях проводится фторирование воды» хотя в Германии, например, фторирование воды запрещено. Фториды, попадая в организм человека через пищеварительный тракт, вымывают кальций из костей и снижают содержание его в крови. При вдыхании фториды отрицательно воздействуют на дыхательные пути. Диоксид серы поражает дыхательные пути. Оксид углерода препятствует переносу кислорода, отчего наступает кислородное голодание организма. Продолжительное вдыхание оксида углерода может оказаться смертельным для человека.
Опасны в малых концентрациях в атмосфере альдегиды и кстоны. Альдегиды оказывают раздражающее воздействие на органы зрения и обоняния, являются наркотиками, разрушающими нервную систему, нервную систему поражают также фенольные соединения и органические сульфиды.
Наличие пыли в атмосфере уменьшает поступление к поверхности Земли ультрафиолетовых лучей. Наиболее сильно влияние загрязнений на здоровье человека проявляется в период смогов. В это время ухудшается самочувствие людей, резко возрастает число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.
Загрязняющие атмосферу вещества отрицательно влияют на сельскохозяйственные растения, как за счет непосредственного отравления зеленой массы, так и интоксикации почвы. Разные газы оказывают различное влияние на растения, причем восприимчивость растений к одним н тем же газам неодинакова. Наиболее вредны для них сернистый газ, фтористый водород, озон, хлор, диоксид азота, соляная и серная кислоты.
Загрязнение атмосферы промышленными выбросами существенно усиливает эффект коррозии. Кислотные газы способствуют коррозии стальных конструкций и материалов. Диоксид серы, оксиды азота, гидрохлорид при соединении с водой образуют кислоты, усиливая химическую и элсктрохимическую коррозию, разрушают органические материалы (резину, пластмассы, красители). На стальные конструкции отрицательно действуют озон и хлор. Даже незначительное содержание нитратов в атмосфере вызывает коррозию меди и латуни.
Аналогично действуют и кислотные дожди: снижают плодородие почв, отрицательно воздействуют на флору и фауну, сокращают сроки службы электрохимических покрытий, особенно хромоннкелевы.х красок, снижается надежность работы машин и механизмов, под угрозой находятся более 100 тыс. используемых видов цветного стекла.
Охрана атмосферного воздуха
Человек может долго жить без пищи (30-45 суток), без воды - до 5 суток, а без воздуха - не более 5 минут. Вредные воздействия разнообразных промышленных выбросов на человека определяются количеством загрязняющих веществ, поступающих в организм, их состоянием, составом и временем воздействия. Атмосферные загрязнения могут оказывать на здоровье человека малое влияние, а могут привести к полной интоксикации организма
Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды. Закон «Об охране атмосферного воздуха» обобщает требования, выработанные в предшествующие голы и оправдавшие себя на практике. Например, введение правил о запрещении ввода в действие любых производственных объектов (вновь созданных или реконструированных), если они в процессе эксплуатации станут источниками загрязнений или иных отрицательных воздействий на атмосферный воздух.
Государственным санитарным законодательством только для атмосферного воздуха были установлены ПДК для большинства химических веществ при изолированном действии и для их комбинаций. В Законе «Об охране атмосферного воздуха» предусматриваются требования об установлении нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие нормативы устанавливаются для каждого стационарного источника загрязнения, для каждой модели транспортных и других передвижных средств и установок. Оки определяются с таким расчетом, чтобы совокупные вредные выбросы от всех источников загрязнения в данной местности не превышали нормативов ПДК загрязняющих веществ а воздухе.
Предельно допустимые выбросы устанавливаются только с учетом предельно допустимых концентраций.
Антропогенные процессы загрязнения воздушного бассейна в большинстве случаев поддаются управлению.
Контроль загрязнения атмосферы на территории России осуществляется почти в 350 городах. Система наблюдения включает 1200 станций и охватывает почти все города с населением более 100 тыс. жителей и города с крупными промышленными предприятиями.
Средства защиты атмосферы должны ограничивать наличие вредных веществ в воздухе среды обитания человека на уровне не выше ПДК. Во всех случаях должно соблюдаться условие: С Сф < ПДК по каждому вредному веществу (Сф - фоновая концентрация).
Аппараты очистки вентиляционных и технологических выбросов в атмосферу делятся на: пылеуловители (сухие, электрические, фильтры, мокрые); туманоуловители (низкоскоростные и высокоскоростные); аппараты для улавливания паров и газов (абсорбционные, хемосорбционные, адсорбционные и нейтрализаторы); аппараты многоступенчатой очистки (уловители пыли и газов, уловители туманов и твердых примесей, многоступенчатые пылеуловители). Их работа характеризуется рядом параметров. Основными из них являются степень очистки, гидравлическое сопротивление и потребляемая мощность.
Широкое применение для очистки газов от частиц получили сухие пылеуловители - циклоны различных типов и электрофильтры.
Электрическая очистка с помощью электрофильтров - один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осаднтсльных и коронирующих электродах.
Для высокоэффективной очистки выбросов необходимо применять аппараты многоступенчатой очистки. В этом случае очищаемые газы последовательно проходят несколько автономных аппаратов очистки или один агрегат, включающий несколько ступеней очистки. Такие решения находят применение при высокоэффективной очистке газов от твердых примесей; при одновременной очистке от твердых и газообразных примесей; при очистке от твердых примесей и капельной жидкости и т. п. Многоступенчатую очистку широко применяют в системах очистки воздуха с его последующим возвратом в помещение.
Экспериментальная часть
Приборы и реактивы
Поглотительные склянки Рихтера.
Аспиратор
Соединительные трубки
4Мерные колбы, стаканчик для замера потенциала, пипетки, груши
Мономер типа ЭВ-74, РН-121, И-115, И-120
Фторселсктивн ый электрод типа ЭР-УТ
Электрод вспомогательный хлорссребряный типа ЭВЛ-1МЗ Раствор КАОН 10%-й.
Раствор аммиака 25%-й (продажный водный аммиак).
Фенолфталеин, 0,1% или 1% спиртовой раствор.
Буферный фосфатный раствор (РН=5.8). Для приготовления 1 л фосфатного буфера берут 79 мл раствора NAP04*2Н20 концентрацией 11,87 г/л и доводят до метки раствором КН2Р04 концентрацией 9,07 г/л.
Стандартные растворы фторида натрия.
Ход работы
1. Построить калибровочный график, используя готовые стандартные растворы фторида натрия.
2. Приготовить 200 мл 0,1%-го раствора ЫАОН, добавить 1-2 капли фенолфталеина для получения светло-розового окрашенного раствора. Этим раствором (по 15 мл) заполнить поглотительные склянки Рихтера и контрольную емкость (50 мл).
Собрать установку (рис. 1.2). С помощью силиконовых трубок последовательно соединить между собой поглотительные склянки Рихтера (3 шт.). Один свободный конец трубки подсоединить к источнику газовых выбросов, другой - через контрольную емкость к воздуходувке (аспиратору).
Установить на аспираторе расход воздуха 0,5 л/мин. включить установку и прокачивать через ловушки газовоздушную смесь в течение 30 минут.
Выключить установку и отсоединить поглотительные склянки. Содержимое склянок слить в один стакан, замерив объем раствора.
В исследуемом растворе измерить содержание ионов фтора со* гласно нижеприведенной методике. Эксперимент повторить трижды, каждый раз заполняя поглотительные склянки свежим 0.1%-ным раствором ЫАОН. полученные результаты усреднить. Рассчитать содержание фтористых соединении в газовом потоке.
Провести аналогичные эксперименты поглощения фтористых соединений из газовоздушной смеси, вместо раствора гидроксида натрия заполнив поглотительные склянки дистиллированной водой. Определить содержание фторид-ионов в дистиллированной воде (см. л.53). результаты экспериментов усреднить и сделать по работе выводы.
Лотскциомстрический метод определения концентрации фторид-ионов в растворе
По РД 52.24.6-83 фтор в поверхностных водах определяется иономстрически. Сущность метода заключается в прямом определении концентрации общего фтора в растворе потенциометрическим методом с использованием фторселективного электрода, т.е. в измерении электродного потенциала, величина которого зависит от содержания ионов фтора в анализируемом растворе.
Методика определения фторид-ионов в исследуемой пробе Аликвоту исследуемой пробы объемом 0,1-10 мл помещают в мерную колбу на 100 мл. Добавляют 20 мл дистиллированной воды, 1-2 капли раствора фенолфталеина и по каплям раствор аммиака до появления устойчивой розовой окраски. Раствор выдерживают 3 минуты. Приливают 20 мл буферного раствора и доводят водой до метки. Анализируют в стеклянном или тефлоновом стаканчике при перемешивании магнитной мешалкой. Замер потенциала производят в МВ.
Результаты эксперимента с раствором гидроксида натрия
№ опыта Расход газа, л/мин Объем раствора из погл. склянок, мл Объем раствора из контр. емкости, мл Потенциал р-ров из погл. склянок, МВ Потенциал р-ра из контр. емкости, МВ -lg CF (для погл. емк.) -lg CF (для контр. емк.)
Результаты расчета концентрации фтора в газе (опыт с р-ром гидроксида натрия)
№ опыта Конц.фтора в погл. р-рах, г/л Концентрация фтора в контрольной емк., г/л Масса фтора в погл. скл., г Масса фтора в контр. емк., г Объем пропущ. газа, л Конц. фтора в газе(погл.скл.), г/л Конц. фтора в газе(контр. емк.), г/л
Результаты расчета концентрации фтора в газе (опыт с дистиллированной водой)
№ опыта Конц.фтора в погл. р-рах, г/л Концентрация фтора в контрольной емк., г/л Масса фтора в погл. скл., г Масса фтора в контр. емк., г Объем пропущ. газа, л Конц. фтора в газе(погл.скл.), г/л Конц. фтора в газе (контр. емк.), г/л
В комплексе лабораторий, где проводится работа с фтористыми соединениями, установлено 5 вытяжных шкафов производительностью 0,5 л/мин. Лаборатории работают 300 дней в году по 8 часов.
1. Анализ причин и последствий загрязнения атмосферы газопылевыми выбросами
Загрязнение атмосферы - привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.
Основные загрязнители атмосферного воздуха: § Оксид углерода
§ Оксиды азота
§ Диоксид серы
§ Углеводороды
§ Альдегиды
§ Тяжелые металлы
§ Аммиак
§ Атмосферная пыль
§ Радиоактивные изотопы
Окись углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65% от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность. При вдыхании угарный газ за счет имеющейся в его молекуле двойной связи образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь.
Двуокись углерода (СО2) - или углекислый газ, - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.
Диоксид серы (SO2) (диоксид серы, сернистый ангидрид) - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он, в первую очередь, участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс SO2 оценивается в 190 млн. тонн в год. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем - к воспалению или отеку легких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания.
Оксиды азота (оксид и диоксид азота) - газообразные вещества: монооксид азота NO и диоксид азота NO2 объединяются одной общей формулой NOX . При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота. Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. тонн в год. От общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота на транспорт приходится 55%, на энергетику - 28%, на промышленные предприятия - 14%, на мелких потребителей и бытовой сектор - 3%.
Озон (О3) - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений.
Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д.
Свинец (Pb ) - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60% мировой добычи свинца ежегодно расходуется для производства кислотных аккумуляторов. Однако основным источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин.
Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяются на следующие 4 класса: § механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;
§ возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;
§ летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении;
§ промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.
Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции, потребляющие уголь. Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн. тонн в год.
Определить ущерб, наносимый окружающей среде в процессе работы лабораторий, и платежи за этот ущерб: -концентрация фтора равна определенной в ходе выполнения лабораторной работы, -концентрация фтора равна 0,5 мг/м3.
Уатм = Ууд. * ? * f * М
Где Ууд.- удельный ущерб от выбросов в атмосферу одной тонны вещества.
Для атмосферы Ууд. = 2,4 * 40 = 96р/т ? - показатель относительной опасности загрязнений для территорий различного типа, для города ? = 0,1* N, где N - плотность насеоения. f - фактор рассеивания (f=1)
М - масса условного вещества- загрязнителя, г
М= А * m
А - показатель относительной агрессивности. Для газообразных соединений фтора А= 980 m - колво загрязнителя т/год.
В ходе проделанной работы были изучены особенности мониторинга стационарных источников газовых выбросов. Также были определены концентрации примеси в газовом потоке потенциометричеким методом и рассчитаны величины ущерба, наносимого окружающей среде при работе лабораторной установки