СЕРЕДОВИЩА

Роль хімії в розв'язанні екологічних проблем

Екологія – наука, яка досліджує закономірності жіттєдіяльності організмів в природному середовищі, з урахуванням змін, що вносить в навколишнє середовище діяльність людини.

Негативний вплив на рослинний та тваринний світ спричиняють як хімічні, так і фізичні фактори. З фізичних факторів можна відмітити радіаційне забруднення, вплив підвищених електромагнітних випромінювань, дію звукових, ультра- та інфразвукових хвиль. Велику шкоду природі наносять хімічні чинники.

Хімічні та фізико-хімічні методи є основними методами знешкодження та виділення шкідливих речовин. Методи хімічної технології є основними методами, які дозволять впровадити маловідходні та безвідходні промислові технології. Хімія також грає вирішальну роль в розробці та впровадженні техологій переробки відходів промисловості, сільського господарства та побутових відходів.

Продукти горіння та захист повітряного басейну від забруднень.

Токсичність продуктів горіння

Атмосфера – газова оболонка Землі. Її маса складає 5,9 ž10¹⁵ т. Основними компонентами нижчих шарів атмосфери є азот (78,1 об.%), кисень (20,9 %). З інших складових атмосфери можна відмітити аргон (0,9 %) і вуглекислий газ (0,033%). Крім того, в повітрі можуть знаходитися: вода в вигляді пари або в конденсованому стані, пил.

Існують два головних види забруднення атмосфери: природний і штучний (антропогенний). Основними джерелами штучного забруднення атмосфери є теплоенергетика, нафто-газова промисловість, чорна та кольорова металургія, хімічна промисловість та транспорт. Найбільше забруднюють атмосферу викиди теплових електричних станцій (ТЕС). За один рік в атмосферу ТЕС викидають десятки тон СO₂, сотні мільйонів тон CO, SO₂ та оксидів нітрогену. Вуглекислий газ утворюється при спалюванні майже всіх видів палив (вугілля, мазуту, газу). Продукти горіння, що потрапляють до атмосфери, беруть участь у вторинних реакціях:

2NO + O₂ = 2NO₂ , 2 SO₂. + O₂ = 2SO₃ , NO₂ + O₂ = NO + O₃ ,

4NO₂ + O₂ + 2Н₂О = 4НNO₃ , SO₂. + Н₂О = Н₂SO₃ , SO₃. + Н₂О = Н₂SO₄ .

Небезпечними є наслідки збільшення в атмосфері вмісту вуглекислого газу. Щорічно кількість вуглекислого газу збільшується на 0,4%. Завдяки поглинанню вуглекислим газом теплового випромінювання з поверхні землі, підвищується середня температура навколишнього середовища (парниковий ефект). Це явище може привести до суттєвих змін клімату (глобальне потепління).

Гострою є проблема забруднення повітря “кислими газами” (SO₂ , NO, NO₂, SO₃). В атмосфері з цих газів і води поступово утворюються сульфатна та нітратна кислоти. Це, в свою чергу, приводить до випадання “кислих дощів”. За останні роки рН дощової води знизилось з 5,6 до 4,0.

В наш час особливо гостро стоїть проблема захисту озонового шару Землі. Хоча кількість озону в атмосфері дуже мала (2×10^-6 % за об’ємом), він відіграє дуже важливу роль у збереженні тваринного і рослинного світу від дії жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця. Руйнування озону відбувається внаслідок його взаємодії з багатьма речовинами. Найбільшу небезпеку в цьому плані представляють галогенпохідні вуглеводнів – фреони. Згідно з міжнародними домовленостями, припинено виробництво і поступово припиняється застосування фреонів.

Приклад 58.

Запропонуйте методику очищення газів від сірководню. Наведіть рівняння відповідних реакцій.

Розв’язання.

Сірководень (Н₂S) – токсичний газ. Ця речовина прявляє кислотні властивості, тому для її поглинання можна використовувати речовини основної природи. Наприклад для поглинання Н₂S можна використати розчини лугів:

Н₂S + 2КОН = К₂S + 2Н₂О.

В разі наявності в газах інших кислих компонентів, сірководень можна окислити за реакцією:

2Н₂S + SО₂ = 3S + 2Н₂О.

Сірку, що утворюється під час реакції, можна відділити за допомогою фільтрів.

Захист водного басейну від забруднення

Потреби людства у прісній воді величезні. В промисловості, сільському господарстві і побуті витрачається за рік більше 3000 км³ прісної води. З ростом промисловості, сільського господарства та сфери побуту збільшуєтся забруднення водного басейну. Основними джерелами забруднення природних вод є промислові та побутові стічні води. В багатьох розвинутих країнах суттєво знижують якість води так звані, “кислі дощі”. Вони утворюються внаслідок взаємодії “кислих газів”(SO₂ , NO, NO₂, SO₃) з парою води та киснем. При цьому відбуваються такі процеси:

SO₂ + Н₂O = Н₂ SO₃ , 2Н₂ SO₃ +О₂ =2Н₂ SO₄ ,

2NO + О₂ = 2NO₂ , 4NO₂ + 2Н₂O + О₂ = 4НNO₃ .

Водні розчини кислот, що утворилися таким чином, попадають в грунт, ріки та озера. Це приводить до збільшення кислотності поверхневих вод, і в свою чергу, негативно впливає на розвиток рослин і тварин.

Основними методами боротьби з забрудненням є вдосконалення виробництв таким чином, щоб вони зменшували викиди токсичних речовин (безвідходні та маловідходні технології), заміна деяких токсичних речовин на нетоксичні або малотоксичні.

Для вже існуючих виробництв, у випадках неможливості їх модернізації згідно з екологічними вимогами, треба застосовувати методи для очищення викидів від небезпечних речовин.

Існує багато методів очищення стічних вод. Основними з них є механічні, хімічні, фізико-хімічні, біологічні та термічні методи.

Механічні методи очищення застосовуються для виділення твердих нерозчинних домішок. Для цього використовуються методи відстоювання і фільтрації.

Хімічні методи очищення застосовуються для видалення зі стічних вод розчинених домішок. Ці методи пов’язані з використанням реагентів, які вступають в хімічні реакції зі шкідливими компонентами, внаслідок чого ці речовини окислюються або відновлюються з одержанням малотоксичних речовин або перетворюються в нерозчинні сполуки, які виділяються у вигляді осаду.

Біохімічні методи очищення стічних вод вважаються основними при кінцевому очищенні побутових стічних вод від органічних домішок, які легко окислюються мікроорганізмами.

Приклад 59.

Як очистити промислові стічні води від сполук ніколю? Наведіть рівняння відповідних реакцій.

Розв’язання.

Розчинені сполуки ніколю є токсичними речовинами тому їх викиди в воду або грунт неприйнятні з екологічних міркувань.

При великому вмісті сполук ніколю у воді іх можна виділяти електролізом:

(К) Ni²⁺ +2e = Ni, 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^– (побічний процес).

Ніколь також можна відновити за допомогою більш активного металу:

Ni²⁺ + Fe = Ni + Fe²⁺

При цьому требу взяти до уваги, що розчин забруднюється іонами більш активного металу (Fe²⁺).

Крім того, ніколь можна виділити в вигляді нерозчиненої речовини:

Ni²⁺ + 2OH^– = Ni(OH)₂¯

Літосфера та її забруднення

Літосфера представляє собою тверду оболонку Землі товщиною 30-40 км. Більша частина поверхні суші покрита порівняно тонким шаром грунту. Грунт складне природне тіло, яке утворилось протягом тисячоліть при руйнуванні гірських порід під дією фізичних, хімічних і біологічних чинників.

На погіршення якостей грунту впливають такі фактори: ерозія, засуха і забруднення токсичними речовинами. Особливо небезпечне забруднення грунтів солями важких металів і отрутохімікатами. Вони викликають загибель організмів і тварин, які існують в грунті. Це, в свою чергу, призводить до загибелі рослин.

Складною є проблема знешкодження відходів органічних речовин. З кожним роком збільшується обсяг відходів пластмас. Більшість з них дуже повільно руйнуються в природних умовах, тому якщо відходи пластмас не переробляти, вони будуть накопичуватись на звалищах. Цю проблему розв’язують певними шляхами. По-перше, це вторинне використання, по-друге, переробка їх в органічні продукти, по-третє, частину пластмас можна спалювати і одержувати при цьому тепло. Останнє не відноситься до пластмас, які під час горіння утворюють токсичні продукти.

Забруднення навколишнього середовища вогнегасними засобами.Проблема фреонів

Під час гасіння пожеж, крім води, використовується багато інших вогнегасних речовин, які можуть забруднювати навколишне середовище. Так, широке застосування пін в пожежогасінні призводить до забруднення землі та грунтових вод поверхневоактивними речовинами, які входять до складу піноутворювачів. Поверхневоактивні речовини білкового походження відносно швидко розкладаються в навколишньому середовищі, такі речовини називають “біологічно м’якими”. Поверхневоактивні речовини на основі фторованих вуглеводнів з значно меншою швидкістю перетворюются в навколишньому середовищі на нешкідливі стійкі речовини, вони відносяться до “біологічно жорстких” речовин. Вже розроблені достатньо ефективні біологічно м’які фторпротеїнові піноутворювачі.

Більшість порошкових засобів пожежогасіння є малотоксичними речовинами. Деякі з них використовують в якості мінеральних добрив. Так, NH₄H₂PO₄ i (NH₄)₂HPO₄ входять до складу вогнегасних порошків “П-1А” і “ПФ”, використовуються в якості фосфорних добрив. K₂SO₄ – компонент вогнегасного порошку “КС”, КСl входе до складу вогнегасних порошків “ПХ” і “ПГС”, одночасно є калійними добривами. Карбонати і гідрокарбонати натрію, калію та амонію (складові порошків “ПСБ-3”, “ПС”, “ПМ”) також малотоксичні речовини. Але при застосуванні порошкових засобів пожежогасіння треба зважати на те, що їх попадання на шкіру та особливо в органи дихання та зору (вони утворюють стійкі аерозолі) небезпечнє для людини. Тому при застосуванні таких засобів пожежогасіння треба використовувати спецодяг, респіратори, захисні маски або протигази.

З газових вогнегасних засобів найбільш ефективними є засоби, до складу яких в якості інгібіторів горіння входять фреони (бромпохідні вуглеводнів). Але через їх сильніу озоноруйнуючу дію, газові засоби пожежогасіння, до складу яких вони входять, згідно з Монреальскою конвенцією, поступово виводяться з експлуатації. Замість фреонів запропоновано фторовані вуглеводні з малою озоноруйнуючою дією, але їх вогнегасна ефективність значно нижча. В якості інших замінників фреонів також запропоновано суміші нетоксичних газів з нульовою озоноруйнуючою дією (суміш СО₂ , N₂ , Аr під назвою “інерген”). Але за вогнегасною ефективністю такі засоби теж значно поступаються не тільки фреонам, а й вуглекислому газу.

Проблема радіоактивних відходів

Основними джерелами радіаційного забруднення навколишнього середовища є уранова промисловість, атомні електростанції, радіохімічна промисловість, виробництво ядерної зброї. Велику шкоду навколишньому середовищу нанесли випробування атомної зброї. В наш час з кожним роком збільшується кількість атомних електростанцій (АЕС).

Для попередження радіоактивного опромінювання персоналу АЕС навколо реактора роблять біологічний захист. Основними матеріалами для біологічного захисту є бетон, вода, серпентиновий пісок. На АЕС допускаються невеликі викиди радіоактивних газоподібних відходів, які містять радіоактивні ізотопи інертних газів. Ці гази викидаються крізь вентиляційну трубу АЕС. Під час роботи АЕС в реакторах накопичуються радіоактивні відходи, які поступово видаляються з реакторів. Спочатку радіоактивні відходи зберігаються на території АЕС. Після зменшення їх ативності їх відправляють на переробку. Після виділення з них потрібних в промисловості радіаційних матеріалів, відходи переводять у твердий стан і захоронюють в спеціальних сховищах багатотермінового зберігання.

Приклад 60.

Чому для очищення навколишнього середовища від радіоактивних відходів не можна використати відділення радіактивних ізотопів від нерадіоактивних хімічними методами.

Розв’язання.

Ізотопи як радіактивні, так і нерадіоактивні, мають практично одні і такі ж самі хімічні властивості. Це пояснюється тим, що будова електроних оболонок залежить тільки від заряду ядра і не залежить від атомної маси.

Запитання для самоконтролю.

1. Що вивчає наука екологія?

2. Які продукти забруднюють повітря під час горіння?

3. Що таке “кислі дощі”? Як вони виникають?

4. Які існують основні методи очищення стічних вод?

5. Які відходи називають хімічними, а які - радіоактивними?

6. В чому полягає проблема фреонів?