Системи технологій і екологічні проблеми хімічної промисловості

Хімізація економіки й екологічні проблеми

На підставі матеріалу із попередніх розділів можемо дійти висновку, що більшість процесів біосфери і технологій виробництва, а також забруднення навколишнього середовища — хімічні. Отже, природні закони перетворення речовини — це відомі нам закони хімії, досконале знання яких — ключ до раціонального використання природних ресурсів на потребу людині. Завдяки пізнанню законів перетворення речовини людина створює нові матеріали, добрива, синтезує біологічно активні препарати.

Хімізація народного господарства є характерною рисою сучасної економіки й науково-технічного прогресу. Водночас недостатньо збалансоване багатотоннажне виробництво і неконтрольоване застосування хімічних речовин у сільському господарстві й побуті стає небезпечним для здоров’я людей.

Хімічне виробництво нині об’єднує понад два десятки галузей промисловості: азотної, хлорної, содової, фосфорної, основної, калійної, йодобромної, органічних барвників, важкого органічного синтезу, хімічного й синтетичного волокна, пластичних мас, каучуку, товарів побутової хімії.

Нагадаємо деякі особливості хімічного виробництва. По-перше, це висока токсичність і шкідливість для здоров’я людини відходів виробництва за відносно невеликих концентрацій у навколишньому середовищі.

По-друге, це велика потреба у дефіцитній прісній воді. Її витрати становлять, наприклад, на 1 t аміаку 800 … 1000 m3, каучуку й гуми — 2400 m3, капролактаму — 5000 m3. Сучасні заводи пластмас або синтетичного каучуку використовують стільки води, скільки її потрібно для міста з населенням 0,5 … 1 млн людей.

По-третє, стоки хімічних підприємств потребують більш ніж десятикратного розведення чистою водою, оскільки токсичні речовини в них за певних концентрацій згубні для рослинного і тваринного світу річок та водоймищ.

Крім шкідливих для природи і людини безпосередніх відходів хімічної промисловості, дуже небезпечним є те, що хімія синтезує неприродні сполуки, котрі є або надзвичайно стійкими, через що не включаються в природний кругообіг речовини (пластмаси), або надзвичайно активними щодо зміни процесів живої природи (дефоліанти, гербіциди, інсектициди). Перші у вигляді відходів (пляшки, банки, пакети) надовго забруднюють навколишнє середовище, а другі, накопичуючись у росли­нах і тваринах, якими харчується людина, згубно діють на її здоров’я.

Збільшення використання добрив і пестицидів у сільському господарстві зумовило їх постійне надходження з поверхневими стоками у водоймища. Крім шкоди, якої завдають добрива, про що вже згадувалося раніше, деякі пестициди в умовах водоймищ набувають особливо небезпечних властивостей. Так, фосфороорганічні інсектициди, наприклад, хлорофос, структурна формула якого

збільшують свою токсичність у воді в кількадесят разів.

Великої шкоди річкам, озерам і штучним водоймищам завдають синтетичні мийні засоби, які потрапляють у них разом з промисловими й побутовими стічними водами. Вода таких водоймищ не тільки сама стає непридатною для вживання в побуті, а й забруднює водоносні горизонти артезіанських джерел. Потужним джерелом забруднення атмосфери є сучасна азотна промисловість, продуктами якої є аміак (NН3), азотна кислота (НNО3) та азотні добрива — аміачна селітра (NН4NО3) і карбамід (СО(NН2)2). Навколо деяких комбінатів (часто вже за 3 … 5 km) концентрація аміаку в повітрі значно перебільшує допустимі норми, а з високої труби і вдень, і вночі стелеться червоно-жовтий шлейф диму — «лисячий хвіст» з оксидів азоту (NО, NО2).

Виробництво полімерних матеріалів (каучуку, волокон, пластмас) також характеризується значними викидами в атмосферу цілої низки дуже шкідливих речовин: ціанідів — солей синильної кислоти (МеСN, де Ме — одновалентний метал), фосгену (дихлориду вуглецевої кислоти СОСl2), хлориду водню (НСl), бензолу (С6Н6), дивінілу (СН2—СН=СН—СН2), циклогексану (С6Н12), хлоропрену (СН2—СН=ССl—СН2) та ін.

Викиди хімічних речовин поширюються по всій планеті. У гірських снігах і льодовиках Європи за останні 30 років вміст окремих шкідливих хімічних речовин збільшився в середньому у 100 разів. Пестициди знаходять нині навіть в Антарктиді. Великої господарської шкоди завдають так звані кислотні дощі — результат викиду кислотоутворюючих оксидів, про які згадувалось у попередніх розділах. Сотні озер у Канаді, Скандинавії і в нашій країні вимерли — в них прозора вода, але життя там нема.

Матеріальний баланс технологій виробництва добрив і токсичні відходи

Виробництво добрив є однією з найважливіших галузей сучасної хімічної промисловості. Як уже зазначалося вище, сільськогосподарські рослини, наприклад зернові, за вегетаційний сезон на кожну тонну зерна виносять з грунту десятки кілограмів азоту, фосфору, калію та інших хімічних елементів. Щоб компенсувати їх вміст у грунті для нового врожаю, у сучасному індустріальному сільському господарстві широко застосовують мінеральні добрива — продукт хімічної переробки мінеральної сировини. До найважливіших мінеральних добрив належать фосфорні, з яких найбільш поширений — суперфосфат, азотні — селітри натрію й амонію, карбамід та калійні — хлорид калію.

Звичайно в земній корі міститься багато фосфоровмісних сполук, наприклад, фосфоритів і апатитів, а в атмосфері повітря — понад 76% молекулярного азоту, але рослини можуть споживати ці елементи тільки з водорозчинних солей. Завдання виробництва добрив саме і полягає в тім, щоб перевести «зв’язані» елементи фосфору чи азоту з природних речовин у водорозчинні солі. Світове виробництво добрив становить до кількасот мільйонів тонн щороку.

А які відходи цього виробництва? Розглянемо деякі приклади.

Великого техногенного навантаження зазнає місцевість навколо хімічних комбінатів з виробництва фосфорних добрив. Наприклад, одним із багатотоннажних відходів таких добрив є фосфогіпс (CaSO4 × 2 H2O + Н3РО4), який утворюється за виробництва фосфорної кислоти відповідно до реакції:

.

Гіпс відокремлюють фільтруванням, а одержана фосфорна кислота спрямовується на виробництво подвійного суперфосфату:

.

(суперфосфат)

Із наведених рівнянь випливає, що на кожний моль суперфосфату припадає 2 моля фосфогіпсу, відтак на 1t суперфосфату вихід гіпсу становить:

40 + 2 × (2 + 31 + 4 × 16) = 234 — 2 × (40 + 32 + 4 × 16) = 272

1 t суперфосфату — х

гіпсу.

Виробництво суперфосфату в деякі роки на Україні становило близько 10 млн t. Отже, багатомільйонні відходи гіпсу, насичені сірчаною кислотою, ставлять складну екологічну проблему перед сучасним виробництвом фосфорних добрив.

Друге, надзвичайно важливе виробництво добрив — азотно-тукове, в основі якого лежить перша стадія процесу «зв’язування» атмосферного азоту в аміак. Хімічна реакція цього процесу на вигляд надзвичайно проста N2 + 3H2 2NH3 + 92 kJ, але саме вона є прикладом того, як людство завдяки науковому пошуку вирішує сучасні глобальні проблеми.

До початку першої світової війни основним азотним добривом була натрієва селітра (NаNО3), природні поклади якої є обмеженими. Основну масу натрієвої селітри завозили у Європу з Південної Америки, з Чилі, завдяки чому вона більш відома під назвою «чилійська селітра». Звичайно, доставка селітри з-за океану збільшувала її ціну, що негативно впливало на рівень економічної ефективності її застосування в сільському господарстві та промисловості. Додамо, що в ті часи натрієва селітра широко застосовувалась для виробництва азотної кислоти (за реакцією NаNО3 + H2SO4 = 2HNO3 + Na2SO4), яка, у свою чергу, використовувалась у процесі виготовлення пороху й вибухівки.

У великій кількості ще в минулому сторіччі азотовмісну речовину, яку можна було використати як добриво чи вихідний напівпродукт у хімічному виробництві, отримували за коксування вугілля. Кам’яне вугілля містить до 2% азоту й кілька відсотків водню. У процесі коксування вугілля ці елементи поєднуються в сполуку NН3 — аміак і її похідну — солі амонію (N), наприклад (NН4)2SO4. Відокремлення аміаку й солей амонію від інших продуктів коксування досягається пропусканням коксового газу через воду. Така вода одержала назву «аміачна вода» і знайшла застосування як перше азотне добриво хімічного виробництва. Нагріванням аміачної води з вапном аміак можна було виділити в чистому вигляді як газ, що й було єдиним промисловим методом його одержання до початку ХХ ст.

Обмежені запаси природної селітри й незначні потужності аміачного виробництва коксохімічної технології спонукали науковців і виробничників до інтенсивних пошуків економічно ефективніших промислових методів одержання аміаку, який уже був відомий як хімічно активна і зручна сполука для її використання в різних хімічних процесах виробництва добрив, барвників і військової продукції (пороху, динаміту, тринітротолуолу).

Початок першої світової війни значно загострив потреби в азотній кислоті, яка була особливо необхідною Німеччині, блокованій Антантою. Німецькі хіміки Фріц Габер і Карл Бош завершили багаторічні пошуки видатних хіміків свого часу — здійснили синтез аміаку за тією простою реакцією, з якої ми почали цю тему. Але це не було просто. Треба було визначити термодинамічні умови перебігу реакції і знайти відповідні параметри процесу і каталізатори.

Свідченням значення цього видатного науково-технічного досягнення для прогресу цивілізації є визнання його вченим світом — Ф. Габер і К. Бош були удостоєні Нобелівської премії. Принципи технології синтезу аміаку, розроблені цими вченими, не змінилися до нашого часу в системі технологій отримання азотних добрив й описані в кожному підручнику з хімії. Значно змінилися апаратурне оформлення і параметри процесу.

У сучасному технологічному процесі синтезу аміаку найчастіше тиск у системі підтримують близьким до 30 МРа, а температуру 400 … 500°С. У зв’язку з високими тиском і температурою конструювання й виготовлення апарата синтезу аміаку становить складну проблему.

Перші апарати — колони синтезу виготовляли із стальних заготовок у Німеччині після першої світової війни на військових заводах Круппа за такою технологією, як і для крупнокаліберних гарматних стволів. З часом розміри колон збільшувались і змінювалась технологія їх виготовлення. Сучасна колона синтезу — це великогабаритний апарат каталітичного синтезу аміаку безперервної дії (рис. 62). Унизу до колони надходить азотно-воднева суміш, а згори виходять продукти реакції — аміак (близько 20%) і вихідні реагенти (Н2 і N2), які не прореагували. Після відокремлення аміаку водень і азот знову повертаються в колону синтезу.

Опрацьовуючи наведені далі розрахунки матеріальних потоків і матеріального балансу, користуйтесь методикою аналогічних розрахунків з попередніх розділів: 1.2.3 (стехіометрія) та 3.2.1 і 3.2.2.

Обчислення матеріального балансу основних стадій процесу синтезу 1 t аміаку

За реакцією N2 + 3 H2 2 NH3;

молярні маси: 28 3 × 2 = 6 2 × (14 + 3) = 34;

потрібно азоту (N2):

Об’єм N2 за н. у. за формулою становитиме: 820 kg : 1,25 kg/m3 = = 656 m3, де 1,25 kg/m3 — густина азоту за н. у.

Потрібно H2 : ;

;

об’єм 1t

Добування N2 для синтезу 1 t NH3.

Витрати повітря для добування 0,82 визначимо з умови, що вміст N2 у повітрі становить 75 % (об’ємних разом з інертним газом).

або за масою: 830 m3 ´ ´ . Як побічний продукт матимемо: О2 : 1,07 – 0,82 = 0,25 або за об’ємом:

Добування Н2. Для добування 0,18 t водню (Н2) електролізом пот­рібно води: ; во­ди. При цьому матимемо як побічний продукт кисень:

кисню.

Матеріальний баланс процесу:

Схему матеріальних потоків синтезу аміаку показано на рис. 63.

Рис. 63. Схема матеріальних потоків і відходів виробництва аміаку

Зважаючи на високу ціну електроенергії, у сучасному виробництві аміаку водень отримують не електролізом, а конверсією природного або коксового газу на нікелевому каталізаторі за реакцією:

.

Дальша очистка водню від шкідливих домішок сірковмісних сполук, які не беруть участі в реакції, зв’язана з певними проблемами еколого-економічного характеру.

Іншим видом багатотоннажних відходів хімічної промисловості є водні суспензії хлоридів кальцію і натрію у виробництві соди, які накопичуються в так званих «білих морях» (див. 3.1.2).

Гази (SO2, NmOn, NH3, Cl2), пил і токсичні органічні речовини хімічних заводів з дощем утворюють стійкі сполуки з компонентами грунту, знижуючи його продуктивність. Значною мірою це залежить від складу грунтів: перегній і вапно (СаО) помітно нейтралізують шкідливий вплив хімічних відходів, а глини накопичують токсичні речовини. Виявлено, що такі грунти можуть згодом проявлятись як десорбери токсичних речовин, отруюючи сільськогосподарську про­дукцію і тварин.

Насамкінець спинімося ще на одній екологічній проблемі, зв’язаній з хімічною промисловістю, — руйнуванні озонового шару атмосфери. Схему утворення озону (О3) див. у (2.1.2), а його руйнування за даними сучасної науки можливе завдяки викидам в атмосферу хлору, фтору й оксидів азоту. За наявності цих сполук в атмосфері можливе руйнування озону через реакції фотодисоціації:

Азотний цикл	1) O + NO O2 + NO;
	2)NO + O3 NO2 + O2;
	O + O3 O2 + O2;	(cумарна реакція)
Хлорний цикл	1) Cl + O3 ClO + O2;
	2) O + ClO Cl + O2;
	O + O3 O2 + O2;	(сумарна реакція)

Багаторазове повторення таких циклів призводить до порушення рівноваги між природними процесами утворення і руйнування озону в атмосфері. Розрахунки, зроблені за допомогою математичного моделювання, дають змогу прогнозувати, що в останнє десятиліття ХХ ст., якщо викиди фреонів не збільшуватимуться, а концентрація монооксиду азоту (NO) буде близькою до 0,2 %, то кількість озону на висоті 10 km збільшиться на 25 %, а на висоті 40 km зменшиться на 40%.

Слід зазначити, що наукове обгрунтування явищ зміни концентрації озону в атмосфері сьогодні є скоріше гіпотетичним. Експериментальні спостереження свідчать, що в районах, які майже не зазнають антропогенного навантаження, концентрація озону стано­вить 60—130 mg/m3, а у великих індустріальних регіонах улітку може досягати 300—400 mg/m3 і навіть за виникнення смогу (див. рис. 27) 1000 mg/m3 . Збільшення концентрації озону в тропосфері в 2 рази призводить до підвищення середньої температури приземного шару повітря на 0,7°С, що може спричинятись до несприятливих змін клімату.

Зрозуміло, що причини згубного впливу хімічної промисловості на природу передовсім зумовлюються недосконалістю технологій, бажанням якнайбільше і якнайшвидше взяти від природи необхідне, не заплативши їй відповідної ціни. За раціональної організації виробництва, запровадження технологій знешкодження відходів, замкненої системи водозабезпечення і автоматизованого контролю, хімічне виробництво може бути не тільки збалансованим з природними процесами, а й сприяти вирішенню екологічних проблем інших галузей економіки. Але це вже тема наступного розділу.

Література

1. Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ, 1999.