1. Стадии жизненного цикла и оценка их влияния на уровень загрязнения окружающей природной среды
Жизненный цикл (полный жизненный цикл - ПЖЦ) – последовательность взаимосвязанных составляющих продукционной системы, начиная с процесса добычи сырья или воспроизводства природных ресурсов до конечной стадии – удаления отходов.
Стадии жизненного цикла – совокупность единичных процессов, объединенных по какому – либо принципу (например, обычно выделяют стадии производства, эксплуатации, утилизации и др.).
В соответствии с определенными на первом этапе оценки по ПЖЦ целью и сферой проводят инвентаризационный анализ входных и выходных потоков для единичных процессов и продукционной системы в целом.
Перед тем как описывать процедуру проведения инвентаризации необходимо более подробно рассмотреть основные понятия, используемые на этом этапе оценки ПЖЦ:
а) продукционная система;
б) единичный процесс;
в) категория данных;
г) модель продукционной системы.
Продукционная система - совокупность материально и энергетически взаимосвязанных единичных процессов, реализующих одну или более определенных функций. На рисунке представлен пример схемы продукционной системы. Описание продукционной системы включает единичные процессы, элементарные потоки (материалов и энергии) и потоки продукции, которые пересекают границы системы, а также потоки промежуточных продуктов внутри системы. Основной характеристикой продукционной системы является ее функция (назначение), в то же время система не может характеризоваться исключительно конечной продукцией.
Продукционная система подразделяется на несколько единичных процессов. Единичный процесс - наименьшая часть продукционной системы, используемая в качестве самостоятельной функциональной единицы, при проведении оценки по ПЖЦ. Единичные процессы связаны: друг с другом элементарными потоками промежуточных продуктов и (или) отходов, проходящих последующую переработку; с другими продукционными системами потоками продукции; с окружающей средой элементарными потоками сырья, энергии, выбросов, сбросов, отходов.
Каждый единичный процесс является физико-химическим процессом, поэтому должен подчинятся законам сохранения массы и энергии. Проверка баланса масс и энергий является полезным способом оценки правильности и полноты собранных инвентаризационных данных.
Категории данных. Собранные в процессе инвентаризации данные о единичных процессах и продукционной системе описывают входные и выходные потоки. Основными категориями, на которые их можно подразделить, являются: входные потоки энергии, сырьевых материалов, потоки вспомогательных материалов, другие входные потоки; потоки продукции; выходные потоки: выбросы в воздух, сбросы в воду, твердые отходы, другие потоки в окружающую среду.
Внутри приведенных выше категорий целесообразно выделять подкатегории, так, например, если описывают выбросы в воздух, то можно выделить такие подкатегории, как выбросы диоксида углерода, оксидов азота, углеводородов, пыли и т.п. (рис. 1).
Рис. 1 - Пример цепочки единичных процессов внутри продукционной системы (по ISO14041)
Модель продукционной системы. Для проведения инвентаризации создают модель продукционной системы, которая однозначно описывает взаимосвязи между единичными процессами и между продукционной системой и окружающей средой. Как правило, модель не охватывает всех возможных существующих в реальной жизни взаимосвязей, но описывает все существенные для рассматриваемой системы связи. Вопрос о том, что должно быть включено в модель, решается на основании поставленной цели и сферы исследования. Модель является необходимым компонентом инвентаризационного анализа, она помогает четко представить функционирование продукционной системы и объем данных, которые необходимо будет собрать и обработать.
Для более четкого представления о приведенных выше понятиях дан пример схемы продукционной системы производства стали.
Инвентаризация - этап оценки по ПЖЦ, на котором рассматривают следующие вопросы:
- сбор данных и проведение расчетов;
- определение границ продукционной системы;
- оценка достоверности данных;
- связь данных с функциональной единицей;
- распределение данных.
Данные, полученные на этапе проведения инвентаризации, являются исходными для оценки воздействия на окружающую среду на протяжении жизненного цикла и последующей интерпретации результатов оценки (рис. 2).
Рис. 2 - Схема продукционной системы производства стали
Распределение данных и рециклирование материалов. Инвентаризация при оценке ПЖЦ связывает единичные процессы в продукционную систему с помощью элементарных материальных и энергетических потоков. В реальной жизни лишь немногие производственные процессы имеют единственный входной поток и взаимосвязь между входным и выходным потоками может быть описана линейной зависимостью. Большинство продукционных систем производят несколько конечных продуктов, кроме того, в этих системах часть отходов или бракованной продукции рециклируется, то есть используется в качестве сырья. Таким образом необходимо распределять потоки материалов и энергии, а также выбросы в окружающую среду между несколькими конечными продуктами в соответствии с четко определенными правилами.
Поскольку инвентаризация основана на учете материального баланса между входными и выходными потоками, то процедура распределения должна учитывать взаимосвязи входа и выхода и их характеристики. При распределении используют следующие принципы:
- в ходе оценки необходимо идентифицировать единичные процессы, которые задействованы в нескольких продукционных системах, и в дальнейшем действовать в отношении к ним в соответствии с процедурой, описанной ниже;
- сумма распределенных входных и выходных потоков (например, баланс масс) для единичного процесса должна быть равна сумме входных и выходных потоков этого процесса до распределения;
- если существует несколько альтернативных вариантов распределения процессов, то необходимо обосновать выбор варианта путем проведения анализа чувствительности.
Перед тем, как перейти к дальнейшему изложению материала необходимо отметить, что существует несколько вариантов переработки отходов. Эти варианты подразделяют на:
- рециклирование - получение сырьевых материалов из выходного потока продукционной системы или единичного процесса;
- повторное использование (утилизацию) - когда детали и узлы после чистки, проверки и ремонта или восстановления снова используются в виде запасных частей;
- регенерацию энергии - сжигание отходов с целью получения тепловой или электрической энергии.
Описанные принципы распределения данных также применяются для случаев, когда в продукционной системе есть процессы повторного использования и рециклирования. Однако такие ситуации требуют дополнительного внимания так как:
- повторное использование и рециклирование подразумевает, что входные и выходные потоки, связанные с добычей и переработкой сырья и окончательным захоронением отходов, должны быть разделены между несколькими продукционными системами;
- повторное использование и рециклирование материалов может изменять их характеристики;
- особое внимание должно быть уделено определению границ продукционной системы в случае регенерации энергии (например, получения энергии сжиганием отходов).
- В случае повторного использования и рециклирования используют две модели: с открытым контуром и с закрытым контуром:
- в случае продукционной системы с закрытым контуром переработка материалов (или продукции) осуществляется внутри системы и распределение данных не нужно, поскольку переработанные (например, рециклированные) материалы частично заменяют сырьевые материалы;
- в случае продукционной системы с открытым контуром переработка материалов (или продукции) осуществляется в другой продукционной системе, тогда распределение данных осуществляется в соответствии с процедурой, изложенной выше на основе физических свойств материалов, их экономической оценки (например, стоимости), количества возможных циклов переработки (рис. 3).
а) закрытый контур б) открытый контур
Рис. 3 - Примеры продукционных систем с рециклированием материалов
Оценка воздействия на окружающую среду за полный жизненный цикл.
Этап оценки воздействий направлен на определение значимости потенциальных воздействий на окружающую среду по результатам инвентаризационного анализа стадий жизненного цикла. В широком смысле этот процесс включает в себя увязывание между собой инвентаризационных данных с конкретными воздействиями на окружающую среду и попытку осмыслить эти воздействия. Уровень детализации, выбор оцениваемых воздействий и применяемые методологии зависят от цели и сферы проводимой оценки.
Оценка воздействия может включать в себя итерационный процесс пересмотра цели и сферы исследования, с тем чтобы определить, достигнуты ли цели исследования или следует изменить цель и сферу, если оценка показывает, что они не могут быть достигнуты.
При оценке воздействия на окружающую среду рассматривают следующие вопросы:
- определение категорий воздействия;
- классификация данных;
- характеризация данных;
- нормализация данных;
- оценка значимости.
Определение категорий. Существуют различные категории для оценки воздействия на окружающую среду. Выбор категорий должен быть согласован с целью и сферой исследования. Этот выбор не должен использоваться для того, чтобы избегать или скрывать экологические проблемы или интересы. Полнота и степень рассмотрения зависит от цели и сферы.
При выборе категорий воздействия должны быть рассмотрены следующие вопросы:
- полнота - все экологические проблемы, относящиеся к исследуемому вопросу, должны быть рассмотрены в списке;
- практичность - перечень не должен содержать слишком много категорий;
- независимость - должен быть исключен двойной учет путем выбора взаимонезависимых категорий воздействия;
- связь с этапом характеризации - выбранные категории воздействия должны быть связаны с доступным методом их последующей характеризации.
Выделяют следующие основные категории воздействий:
- воздействие на абиотические ресурсы (ископаемые топлива, минеральные руды, водоносные горизонты, глина, торф, гравий, воздух, солнечная энергия, океанические течения);
- воздействие на биотические ресурсы (фауна и флора);
- использование земли (земля, как ресурс для производства пищи; земля как часть экосистем);
- глобальное потепление (возникновение парникового эффекта из-за повышенного выброса в атмосферу газов - диоксида углерода, метана, оксидов азота, хлорфторуглеродов и др.);
- разрушение озонового слоя (разрушение озона под действием хлора, содержащегося в хлорфторуглеродах и пр.);
- экотоксикологические воздействия (негативное воздействие загрязнения окружающей среды на экосистемы, приводящее к гибели растений и животных, снижению биоразнообразия, деградации экосистем);
- воздействие токсикантов на человека (воздействие загрязняющих веществ на здоровье человека);
- образование фотохимических оксидантов (образование озона в приземном слое при фотохимическом разложении летучих органических соединений в присутствии оксидов азота, более известное как образование фотохимического смога);
- образование кислотных осадков (вызвано выбросом в атмосферу диоксида серы, оксидов азота и других газов, способствующих образованию кислот в атмосфере) способствует разрушению зданий и сооружений, коррозии металлов, закислению почвы и воды;
- перенасыщение питательными веществами окружающей среды (повышенное содержание азота и фосфора в водных и наземных экосистемах, в водоемах, что ведет к повышенному росту водорослей и истощению запаса кислорода в воде);
- ухудшение условий в рабочей зоне (загрязненность воздуха токсичными веществами, температура, шум, монотонная работа и т. п., которые ведут к возникновению различных профессиональных заболеваний).
Классификация нацелена на то, чтобы отнести входные и выходные потоки к категориям воздействия. Такая классификация данных инвентаризации является простейшим или минимальным уровнем оценки воздействия. На этой стадии подразумевается предположение «меньше – лучше» и исключаются некоторые важные соображения, такие как различия в потенциале или экологической силе действия (например, когда одинаковый уровень выбросов различных веществ вызывает негативные воздействия на окружающую среду различной силы).
Категории воздействия могут быть размещены на шкале, делящей категории на три группы - глобальные, региональные, локальные воздействия.
Некоторые выходные потоки продукционной системы могут быть связаны с несколькими категориями воздействия, поэтому они должны упоминаться и учитываться несколько раз в соответствии с числом категорий. Такой многократный учет необходим и допустим только в том случае, когда воздействия на окружающую среду по различным категориям независимы друг от друга.
Пример проведения классификации для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся при производстве стали, приведен в таблице.
Классификации некоторых выбросов вредных веществ, образующихся при производстве стали.
| Категория воздействия |
Вещество |
| Изменение климата |
CO2
|
| N2
|
|
| Кислотные осадки |
SO2
|
| NOx
|
|
| Образование фотохимического смога (с участием NOx
|
Бензол |
| Толуол |
Цель характеризации - моделирование категорий в виде индикаторов и, если возможно, обеспечение базы для объединения инвентарных данных в категории. Другими словами на этапе характеризации определяется вклад каждого входа и выхода системы в общий вклад по каждой категории воздействия на окружающую среду.
Каждая категория должна иметь отдельную модель взаимосвязи между входными и выходными потоками и индикатором этой категории. Модель должна быть основана на научных знаниях, если возможно, но может иметь упрощающие предположения. Представительность и точность каждой модели зависит от нескольких факторов, таких как пространственная и временная совместимость категорий с инвентаризацией. Взаимосвязь между инвентарными входными и выходными потоками и индикатором категории - обычно сильная. Взаимосвязь между индикатором и реальным воздействием на окружающую среду обычно слабее и может быть в основном качественной.
Пример проведения характеризации для некоторых из выбросов, образующихся при производстве стали, приведен в таблице.
Нормализация данных происходит путем деления, полученных на предыдущей стадии индикаторов категорий воздействия на так называемые базовые значения, которые определяются для определенного региона за определенный период времени. Например, для парникового эффекта это может быть величина выбросов парниковых газов (приведенная к выбросу СО2
) на территории Европы за год. Этот шаг оценки воздействия не является обязательным и вводится на усмотрение тех, кто проводит оценку.
Индикаторы категорий воздействия для выбросов, образующихся при производстве 1 кг стали.
| Категория воздействия |
Вещество |
Выброс, г (mi
|
Весовой фактор (Fi
|
Индикатор категории, усл. г (Fi
|
| Изменение климата |
CO2
|
1600 |
1 |
1600 |
| N2
|
0,51 |
320 |
163,2 |
|
| ИТОГО |
1763,2 |
|||
| Кислотные осадки |
SO2
|
6,79 |
1 |
6,79 |
| NOx
|
4 |
0,7 |
2,8 |
|
| ИТОГО |
9,59 |
|||
| Образование фотохимического смога |
Бензол |
0,004 |
0,189 |
0,000756 |
| Толуол |
0,003 |
0,563 |
0,001689 |
|
| ИТОГО |
0,002445 |
В качестве базы для нормализации могу быть выбраны:
1. Общее количество выбросов или расход природных ресурсов на данной территории за определенный год (могут быть взяты глобальные, региональные, национальные или локальные данные).
2. Общее количество выбросов или расход природных ресурсов на данной территории на одного жителя в год.
3. Величины индикаторов категорий воздействия, которые обеспечивает альтернативная продукционная система.
Пример проведения нормализации для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся при производстве стали.
Оценка значимости нацелена на ранжирование, определение значимости (весомости) или, возможно, объединение результатов различных категорий оценки воздействия для определения относительной важности этих различных результатов. Оценка значимости может быть проведена при помощи научно обоснованных аналитических методик и может рассматриваться в отношении трех основных аспектов:
- выражать относительное предпочтение организации или группы лиц, основанное на политических целях и персональной или групповой точке зрения;
- удостоверять, что процесс является «обозримым», документируемым;
- устанавливать относительную важность результатов, основанных на состоянии знаний об этом вопросе.
Нормализованные индикаторы категорий воздействия для выбросов, образующихся при производстве 1 кг стали.
| Категория воздействия |
Индикатор категории, усл. кг (Ii
|
Коэффициент нормализации (kn
|
Нормализованные индикаторы (Ii
|
| Изменение климата |
1,7632 |
7,42×10-5
|
130,82944 |
| Кислотные осадки |
0,00959 |
0,0089 |
85,1592 |
| Образование фотохимического смога |
0,000002445 |
0,0507 |
0,1239615 |
Методы оценки значимости могут основываться на различных подходах. Подход уполномочивания - один или несколько количественных измерителей назначаются, чтобы выражать общее экологическое воздействие.
Подход технологических изменений - возможность снижения негативного воздействия продукционной системы на окружающую среду путем использования различных технологических решений может быть применен для установки значения экологической нагрузки (например, путем оценки дополнительных затрат энергии при использовании альтернативной, более экологически чистой технологии).
Монетаризация - оценка воздействия на окружающую среду в виде экономического ущерба. Выделяют несколько подходов:
- утилитаризм - значения измеряются по предпочтению людей;
- способность (желание) оплатить - адекватный измеритель предпочтений населения;
- оценка экологического качества, которое может быть достигнуто путем замены другим товаром (удобством).
Авторитетные цели или стандарты - экологические стандарты и цели повышения качества, а также политические цели, которые могут быть использованы для расчета критического объема выбросов, сбросов и т. п.
Пример проведения оценки значимости для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся при производстве стали, приведен в таблице. Итоговое значение индикатора воздействия на ОС показывает опасность данного вида деятельности для окружающей среды. Чем выше значение - тем выше опасность. Результаты проведения оценки воздействия на окружающую среду (ОС) для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся при производстве 1 кг стали.
| Категория воздействия |
Нормализованные индикаторы (Ii
|
Весовой коэффициент (kw
|
Индикатор воздействия на ОС (Ii
|
| Изменение климата |
130,82944 |
7,42×10-5
|
327,0736 |
| Кислотные осадки |
85,1592 |
0,0089 |
851,592 |
| Образование фотохимического смога |
0,1239615 |
0,0507 |
0,30990375 |
| ИТОГО |
– |
– |
1284,97550 |
История появления термина "живое вещество" и его определения.
В конце позапрошлого столетия английский натуралист доктор Карутерс наблюдал над Красным морем переселение саранчи с берегов Северной Африки до Аравии. Это явление поразило его своим размахом и он решил определить массу насекомых в одной из туч, что пролетала над ним 25 ноября 1885 года. Оказалось, что туча занимала площадь 6 тыс. км2
и весила 44 млн. т. Эти расчеты были опубликованы в журнале "Природа" за 1890 год.
Вернадский В.И. прочитал настоящую статью, был поражен таким явлением и записал на одной из и своих папок в рабочем кабинете "Живое вещество". Живое вещество (по Вернадскому В.И.) - это совокупность всех живых организмов, которые существуют в данный момент, численно выраженная в элементарном химическом составе, в весе и энергии. Она связана из ОС биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением.
Биосфера - область распространения живого вещества. Пределы этой области определены Вернадским В.И. Верхний предел обусловлен лучевой энергией, которая приходит из космоса и губительная для живых организмов. Это жесткое ультрафиолетовое излучение. Оно задерживается в озоновом слое на высоте 15 км (нижняя граница слоя). Нижний предел определяется температурой недр. На глубине 3÷3,5 км t = 100о
С.
Связь живого вещества и энергии в биосфере. Все живые организмы представлены как кое-что целое и единственное, потому что они являются функцией биосферы. "Живое вещество" - связана из ОС биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением.
Биосфера (Вернадский В.И.) - это не только пленка живого вещества на поверхности планеты, но и все продукты ее жизнедеятельности за геологическое время: почвы, осадки и метаморфические породы, и свободный кислород воздуха. Мы ходим по труппам наших предков; мы дышим жизнью тех, кто давно уже умер.
Косное вещество планеты подчинено закону роста энтропии. Живое вещество имеет антиэнтропические свойства. И все это многообразие живого и косного связано "биогенной миграцией атомов" или "биохимической энергией живого вещества биосферы".
Этногенез (скопление людей, похожих друг на друга) должен систематически удалять накопленную энтропию (энергию). Поэтому живое вещество обменивается из ОС энергией.
Человечество как часть живого вещества. Благодаря победе идей об изменениях и превращениях во второй половине ХІХ ст. в биологии, осознание неразрывной связи человека со всем живым стало доминирующим. В частности это отображается в том, что человеческая культура в ее историческом развитии уже осознается как естественно исторический проявление жизни на нашей планете. Изменена культурой земная поверхность не является чем-то чужим природе, а является естественным и неминуемым проявлением жизни как естественного процесса.
Новая форма живого вещества - человеческая, резко отличается от всех других однородных живых веществ:
1) Все растущей со временем интенсивностью своего геологическо
2) Влиянием, которое она осуществляет на других живи вещества.
При изучении геохимического значения человека как однородного живого вещества мы не можем возводить ее полностью к весу, сложу или энергии новый фактор - человеческое сознание. Вернадский называл это ноосферой.
Функции живого вещества (ЖВ). Для раскрытия сущности процессов, которые проходят в биосфере А.В. Лапо (1987) предложил основные функции ЖВ: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую. Энергетическая функция. Она выполняется растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Такую реакция можно записать в виде (Д. Кребс):
12Н2О + 6СО2+солнечная энергия + хлорофилл + энзимы → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О
Зеленые растения являются живым механизмом биосферы. Они улавливают солнечный луч и создают фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные сплетения, энергия которых в дальнейшем является действенной химической энергией биосферы.
По расчетам Вернадского В.И. на Земле ежегодно аккумулируется растениями около 1019
ккал энергии. Внутри экосистемы эта энергия в виде еды распределяется между животными. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в копательное состояние. Так образуются торф, каменный уголь, нефть.
Деструктивная функция. Эта функция заключается в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, втяжении образованных минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество раскладывается к простым неорганическим соединениям (углекислого газа, сероводороду. Метану, аммиаку и тому подобное), которые опять используются в начальном звене круговорота. Этом занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).
Особо следует сказать о химическом расписании горных пород. Благодаря ЖВ биотический круговорот пополняется минералами, которые высвобождаются из литосферы. Например, по свидетельству А.В. Лапо, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из базальта 3% входящего к нему кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа. Пионеры жизни на скалах - бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники - оказывают на горные породы более сильное химическое влияние растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, сернистой и разнообразных органических. Раскладывая с их помощью те или другие минералы, организмы избирательно изымают и включают в биотический круговорот более важные питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.
Общая масса зольных элементов, которая включается ежегодно в биотический круговорот только на сущих, складывает около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов образуется уникальное свойство почв - их плодородие.
Концентрационная функция заключается в выборочном накопленные при жизнедеятельности организмов атомов веществ, которые рассеяны в природе. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность ЖВ. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них сравнительно с естественной средой содержимое марганца увеличено в 1200000 раз, железа - в 65000, ванадию - в 420000, серебра - в 240000 раз и тому подобное.
Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или сени. Существуют, например, кальциевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известняковые водоросли и тому подобное) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевые губки). Особо следует обратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (трут, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотне тысяч раз превышать содержимое в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в еду может угрожать отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функция заключается в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместимым результатом всех рассмотренных выше функций ЖВ: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют исключению с естественной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.
Средообразующие функции ЖВ создали и поддерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе и человека. Вместе с тем ЖВ способна возобновлять условия существования, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного влияния. Эту способность ЖВ к регенерации экологических условий выражает принцип Лэ Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесие. Он заключается в том, что изменение любых переменных в экосистеме в ответ на внешние вмешательства осуществляется в направлении компенсации этих вмешательств. В теории управления аналогичное явление носит название негативных обратных связей. Благодаря этим связкам система возвращается в начальное состояние, если вмешательства не превышают предельных значений. Таким образом гомеостаз, стойкость экосистемы, оказывается явлением не статичным, а динамическим.
В результате средообразующие функции в географической оболочке случились последующие важные события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща пород осадок в литосфере; на поверхности сущие образовалась плодородная грунтовая сень (также плодородные воды океана, год и озер).
Вернадский объясняет парадокс: почему, несмотря на то, что общая масса ЖВ - пленка жизни, которая покрывает Землю, - очень имела, результаты жизнедеятельности организмов отображаются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?
Если ЖВ распределить на поверхности Земли ровным слоем, ее толщина сложит всего 2 см. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет очень быстрого размножения, то есть очень энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.
Масса ЖВ, которая отвечает данному моменту времени, с трудом сравнивающая с тем грандиозным ее количеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организмов. Если посчитать всю массу ЖР, образованной за это время биосферой, она окажется ровной 2,4*1020
т. Это в 12 раз превышает массу земной коры.
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могучей за своими конечными последствиями, чем живые организмы, взятые в целом. Глины, известняки, доломиты, бурый железняк, бокситы - это все породы органического происхождения. В конечном итоге, свойства естественных вод, соленость Мирового океана и газовый состав атмосферы определяются жизнедеятельностью существ, планета которых населяющей.
Рассмотрим влияние средообразующие функции организмов на содержимое кислорода и углекислого газа в атмосфере. Напомним, что повышение концентрации СО2 в атмосфере вызывает "парниковый эффект" и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов - сине-зеленых водорослей - имело место 2,5 млрд. лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным употреблением СО2
и уменьшением его содержимому в атмосфере. Это привело к ослаблению "парникового эффекта", резкому похолодание и первому в истории планеты обледенел.
В наши дни накопление в атмосфере углекислого газа от сжигания углеводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, которая ведет к потеплению климата, таяния ледников и угрожает повышением уровня Мирового океана больше чем на 100 м. В связи с этим следует заметил функцию увлечения и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами путем переводу ее в соединения углекислого кальция, а также путем образования биомассы ЖВ на сущих и в океане. Значит, чем больше зеленые, тем более поглощение СО2.
Чистота морских вод - во многом результат фильтрации, которая осуществляется разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добивает еду, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от примесей за 4 года. Байкал исключительной чистоте своих вод во многом обязан веслоногому рачку, который за год трижды процеживает его воду.
Действие средообразующие функции живого вещества на примере озера Вашингтон.
С 1963 года, с момента перепускания стоков мимо озера в океан резко уменьшается концентрация фосфора и количество биомассы фитопланктона (водоросли, хлорофилл). Концентрация азота в воде изменилась незначительно. Поэтому причиной уменьшения массы фитопланктону является уменьшение поступления Р в водоем. Вода стала более чистой.
Очистка стоков привела к резкому повышению качества воды в озере сравнительно с предыдущими состояниями. Это совпало с появлением в воде дафнии - фильтрующих организмов, которые поглощают небольшую зелень и таким образом очищают воду. С 1976 года резко выросли количество дафнии (на 12%) на протяжении года и держалась на этом уровне. Одновременно дафнии являются кормом для рыб, потому в озере появилась рыба. Это яркий пример возобновления функционирования экосистемы в результате действия средообразующие функции живого вещества.
2. Задача
Рассчитать и сделать анализ материального и энергетического балансов производства нитробензола по технологии представленной на рисунке. Оценить масштаб антропогенной нагрузки на окружающую среду (рис. 4).
Рис. 4 - Схема процесса получения нитробензола
Реакция получения нитробензола (С6
H5
NO2
) протекает в присутствии серной кислоты (H2
SO4
) и избытке бензола (С6
Н6
) из расчета 1 кмоль бензола на 0,95 кмоль азотной кислоты (HNO3
):
.
Азотная и серная кислоты поступают в виде растворов с массовыми концентрациями 2
и 3
. Концентрация серной кислоты в течение процесса получения нитробензола уменьшается до величины
6
. Вода, образующаяся в ходе реакции и поступающая с раствором азотной кислоты, уменьшает концентрацию серной кислоты в растворе.
Введение исходных продуктов в систему и выведение из нее продуктов реакции осуществляется при температуре окружающей среды t
1
. Реакция получения нитробензола протекает при температуре t
2
> t
1
с эффективностью, которая определяется выходом реакции.
В процессе смешения реагентов происходит выделение тепловой энергии при взаимодействии бензола с азотной кислотой и в результате разбавления серной кислоты реакционной водой и водой, поступающей с исходными реагентами. Количество выделяемой тепловой энергии определяется соответственно удельным тепловым эффектом нитрования бензола и (q
1
) и удельной теплотой разбавления серной кислоты (q
2
). Потери тепловой энергии нормируются коэффициентом тепловых потерь, который определяет долю тепла, теряемую от общего входного потока тепловой энергии.
При расчете принимаются следующие исходные данные:
| – масса С6
|
М
|
| – удельная теплоемкость С6
|
С
|
| – удельная теплоемкость НNO3
|
С
|
| – удельная теплоемкость H2
|
С
|
| – концентрация раствора HNO3
|
0,73 (масс. доли); |
| – концентрация раствора Н2
|
0,95 (масс. доли); |
| – концентрация отработанной Н2
|
0,75 (масс. доли); |
| – выход реакции |
0,75; |
| – температура окружающей среды |
t
|
| – температура реагирующей смеси |
t
|
| – удельный тепловой эффект реакции |
q
|
| – коэффициент тепловых потерь |
0,15. |
Решение
Материальный баланс
.
На основании закона сохранения вещества (массы) формируется материальный баланс производства нитробензола, который устанавливает связь между входными и выходными потоками вещества:
,(1.4)
Где М
вх
- масса входного потока вещества;
М
вых
- масса выходного потока вещества.
Рис. 5 - Схема материальных потоков процесса получения нитробензола: 1 - зона входных потоков вещества; 2 - зона выходных потоков вещества
Для расчетного анализа материальных потоков необходимо изучить упрощенную схему производства нитробензола. На ее основе составить подробную схему материальных потоков и подобрать не достающие исходные данные. Технологическую схему, можно представить как одну технологическую единицу, в которой структурные составляющие не различаются, и условно распределить в ней потоки вещества, так, как это сделано на рисунке.
Входной поток вещества
представляют как сумму составляющих его компонентов по формуле
Мвы
=М1
+М2
+М3
= 2,5+2,6+4,2=9,3 кг, (1.5)
где М
1
-масса бензола С6
Н6
(известна по условию), кг;
М
2
-масса раствора азотной кислоты HNO3
, кг;
М
3
-масса раствора серной кислоты H2
SO4
, кг.
По известному из условия оптимальному мольному соотношению исходных веществ определяем количество вещества HNO3
требуемого для реакции:
n
2
=
30.1 моль,
где n
1
-количество вещества С6
Н6
,
-мольная масса бензола, кг/кмоль, 78 кг/кмоль.
С другой стороны количество молей HNO3
определяется аналогично бензолу:
(1.6)
Где М
2
HNO
3
-масса HNO3
, кг;
мольная масса HNO3
, кг/кмоль, 63 кг/кмоль.
Отсюда
(1.7)
Так как НNO3
поступает в реактор-смеситель в виде раствора, то окончательно масса раствора HNO3
(М
2
) равна:
(1.8)
Где массовая доля HNO3
в водном растворе по условию.
Необходимое количество раствора Н2
SO4
, поступающего в реактор–смеситель, будет рассчитываться с учетом количества воды, образовавшейся в реакторе-смесителе.
Количество воды (M
2 Н2О
), поступившей в реактор вместе с раствором азотной кислоты,
(1.9)
Количество реакционной воды (M
р Н2О
) находится из уравнения реакции по исходному веществу, находящемуся в недостатке (НNO3
):
(1.10)
гдеn
2
-количество вещества НNO3
по формуле (1.6),
мольная масса H2
O, кг/кмоль, 18 кг/кмоль;
выход реакции по условию.
Подставляя полученные значения в выражение (1.10), определим количество воды по реакции нитрования бензола:
Общая масса воды (М
Н2О
) на разбавление H2
SO4
в реакторе-смесителе определяется как сумма M
2 Н2О
и M
р Н2О
:
(1.11)
Серная кислота в реактор-смеситель поступает в виде раствора с начальной массовой концентрацией
3
. В ходе реакции концентрация раствора уменьшается до конечной величины
6
за счет разбавления реакционной водой и водой, поступившей с азотной кислотой. На основании этого, можно записать, руководствуясь определением массовой доли вещества в растворе, выражение массовых концентраций Н2
SO4
на входе и выходе реактора-смесителя:
и .
Разделим первое выражение на второе и решим полученное уравнение относительно массы раствора серной кислоты M
3
:
(1.12)
Выходной поток вещества.
После послойного разделения в отстойнике на выходе из технологической установки получения нитробензола имеем следующий поток вещества:
(1.13)
Масса нитробензола (М
4
), полученная по реакции нитрования бензола, определяется из уравнения химической реакции по веществу находящемуся в недостатке (HNO3
):
(1.14)
Где мольная масса С6
H5
NO2
, кг/кмоль, 123 кг/кмоль.
Количество избыточного бензола (М
5
), необходимого для обеспечения заданного технологического режима, определяется выражением:
(1.15)
Количество отработанной серной кислоты (М
6
) складывается из массы раствора серной кислоты поступающей в реактор-смеситель и массы воды, содержащейся в растворе азотной кислоты и образованной при смешении реагентов:
(1.16)
Побочные продукты (М
7
) производства нитробензола, например, можно определить по выходу конечных продуктов реакции:
(1.17)
Подставляя численные значения компонентов, получим массовый выход побочных продуктов:
Сравнивая полученные значения величин входных и выходных материальных потоков по уравнению (1.4), делаем проверку материального баланса и получаем очевидное тождество: 9,3 кг = 9,3 кг.
Структуру материального баланса удобно представлять в графическом виде. Для этого строится гистограмма входных и выходных материальных потоков рис., которая наглядно показывает соотношения компонентов (статей) в структуре материального баланса.
Энергетический баланс.
Энергетический баланс производства нитробензола представляет собой тепловой баланс и складывается из тепловых потоков возникающих в ходе технологического процесса. По аналогии с материальным балансом запишем общее уравнение энергетического баланса, представляющее собой равенство приходного и расходного тепловых потоков:
(1.18)
гдеQ
вх
- приходный поток теплового баланса;
Q
вых
- расходный поток теплового баланса.
При рассмотрении энергетического баланса теплосодержание исходных продуктов и продуктов реакции не учитывается, так как ввод исходных продуктов и вывод продуктов реакции осуществляется при температуре окружающей среды t
1
.
Приход тепловой энергии.
Приход тепловой энергии определяется термохимическим процессом нитрования бензола, процессом разбавления серной кислоты и подогревом реакционной смеси до температуры t
2
:
(1.19)
Тепловой эффект реакции нитрования бензола (Q
1
) определяется по следующему уравнению:
(1.20)
гдеq
1
- удельная теплота реакции нитрования, кДж/моль;
n
4
- количество молей нитробензола, моль,
Для определения выделившейся тепловой энергии при разбавлении серной кислоты, запишем возможные пути разбавления серной кислоты водой:
- путь 1,
- путь 2,
- путь 3.
В реактор попадает готовый раствор серной кислоты, в котором вода находится в связанном состоянии. Энергия, высвободившаяся при получении раствора, не должна учитываться при разбавлении в ходе процесса нитрования. Предполагается, что разбавление исходного раствора серной кислоты протекало по первому уравнению (путь 1), т. е. разбавление шло при одинаковом мольном соотношении исходных веществ. Учитывая это, количество серной кислоты связанной с водой равно количеству воды связанной с серной кислотой, отсюда:
Где количество серной кислоты связанной с водой, моль.
Количество молей серной кислоты (n
3
), поступающей на разбавление, в соответствии с материальным балансом производства и учетом начального разбавления определяется по выражению:
Где мольная масса H2
SO4
, кг/кмоль, 98 кг/кмоль.
Количество молей воды (n
Н2О
) для разбавления соответствует массе воды, полученной в ходе реакции, и поступающей с раствором азотной кислоты:
Из полученного мольного соотношения воды и серной кислоты, видно, что количество воды в три раз больше, чем серной кислоты, поэтому разбавление может рассматриваться по реакциям 2 или 3 (путь 2 и 3). Рассчитаем количество гидратов, образовавшихся при разбавлении, с двумя и четырьмя присоединенными молями воды:
или
Где x
- количество молей H2
SO4
по реакции 2, моль;
Y
- количество молей H2
SO4
по реакции 3, моль.
Решая систему уравнений, получим следующее:
Теплота (Q
2
), полученная в результате разбавления серной кислоты, определяется как сумма теплоты при разбавлении по 2 и 3 пути:
(1.21)
Где 41,92 и 54,06-удельная теплота разбавления, соответственно по реакции 2 и 3, кДж/моль.
Затраты энергии на подогрев реакционной смеси могут компенсироваться тепловыделением в ходе непрерывного производства. В этом случае эти затраты энергии включаются только в расходную часть энергетического баланса. В данном примере принимается, что производство работает периодически и при запуске эти затраты энергии не могут быть компенсированы тепловыделением. Поэтому они включаются также и в приходную часть энергетического баланса.
Подогрев реакционной смеси от t
1
до t
2
, определяется количеством тепловой энергии, затраченной в единицу времени, на нагревание ее компонентов:
(1.22)
Где М
i
- масса исходных продуктов (М
1
, М
2
, М
3
), кг;
С
i
- удельная теплоемкость исходных веществ (C
1
, C
2
, С
2
), кДж/(кг · ºС),
t
1
и t
2
- соответственно, начальная температура реакционной смеси и температура реакции, °С.
Расход тепловой энергии.
Выходной поток тепловой энергии показывает распределение входного потока тепловой энергии в зависимости от производственных потребностей. В данном примере, входной поток тепловой энергии расходуется на технологические нужды (осуществление химического процесса) и компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Следуя этому, запишем уравнение выходного теплового потока для производства нитробензола:
(1.23)
Полезная тепловая энергия, используемая для осуществления процесса получения нитробензола, определяется количеством тепловой энергии затраченной на подогрев реакционной смеси:
(1.24)
Тепловые потери (Q
4
), по условию нормируемые от прихода тепловой энергии, рассчитываются по формуле
(1.25)
Тепловая энергия (Q
5
), поступающая в систему охлаждения, определяется из основного уравнения теплового баланса (1.18):
(1.26)
Понятно, что сравнивать энергетические потоки нет необходимости, так как уравнение (1.26) раскрывает взаимосвязь между компонентами прихода и расхода энергии в системе. В таком случае требуется лишь тщательный подсчет известных компонентов энергетического баланса во избежание расчетной ошибки.
Список использованной литературы
1. Инженерная экология: Общий курс. В 2 т.: Учебное пособие для вузов / И.И. Мазур, О.И. Молдаванов, В.Н. Шишов. - М.: Высшая школа, 1996. - т. 1 - 637 с.
2. Мелешкин М.Т., Степанов В.Н. Промышленные отходы и окружающая среда. - К: Наукова Думка, 1980. – 179 с.
3. Меньшиков В.В., Савельева Т.В. Методы оценки загрязнения окружающей среды: Учебное пособие. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 60 с.
4. Практикум по химической технологии / Г.Г. Александрова, С.И. Вольфкович, Г.Ф. Бебих, Л.В. Кубасова, В.А. Жукова, Л.М. Позняк, Н.С. Рабовская, Н.Л. Соломонова, Р.М. Федорович, Н.Н. Кондратьев; Под ред. акад. С.И. Вольфковича. - М.: Изд-во Московского университета, 1968. - 366.
5. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева и др.; Под ред. Л.А. Муравея. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. – 447 с.