Углерод и его соединения
Великобритании, за последние 20 лет удвоилось.
Но проблему уже пытаются решать. Как известно, основная часть оксидов
азота авиапроисхождения образуется в двигателе при температуре 1700(C.
Ведущая авиастроительная компания “Роллс-Ройс” (Великобритания) начала
разрабатывать двигатель, сжигающий топливо в несколько этапов – без высоких
температур, но с прежней эффективностью.
До сих пор авиаконструкторы, повышая эффективность в расходовании
горючего, шли по пути увеличения давления и температур, в результате
выброс углекислого газа сократился, но возросло поступление в атмосферу
оксидов азота. По оценкам специалистов, полная смена концепций и
налаживания выпуска экологически чистых самолетов потребует не только
больших затрат, но и длительного времени.
Машиностроительное предприятие.
Современное машиностроение развивается на базе крупных
производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно-
прессовые цехи, цехи термической и механической обработки металлов, цехи
покрытий и крупное литейное производство.
Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в
литейных цехах являются вагранки, печи, участки складирования и
переработки шихты.
Газовыделения углекислого газа при заливке металлом форм и их
охлаждении можно определить по данной таблице 2.
| |удельные газовыделения для марки |
|вещество |связующего вещества мг/кг смеси(час |
| |ОФ - 1 |БС - 40 |УКС |
|диоксид углерода CO2 |688 |3260,0 |8563,0 |
|для сравнения оксид углерода CO |920,0 |496,0 |1921,0 |
Примечание:
1. ОФ-1, БС-40, УКС – это смолы для скорейшего затвердевания состава.
2. 80% газовыделения всех вредных веществ приходится на первые 20
минут после заливки металла в формы.
ТЭС.
Ежегодно в окружающую среду нашей планеты поступает до 2(1020 Дж
теплоты, что сопровождается выбросом в атмосферу 18(109 тонн углекислого
газа. Основными источниками тепловых выбросов являются процессы сжигания
органического топлива (нефти, газа на ТЭС) и объекты ядерной энергетики
(АЭС). Тепловые выбросы приводят к росту среднегодовой температуры
атмосферы на Земле, снижению снежно-ледяного покрова и, как следствие, к
уменьшению отражательной способности (альбедо) планеты. Все это стимулирует
дальнейшее повышение средней температуры земной поверхности. По данным
Национальной академии наук США, к середине 21 века температура атмосферы
Земли возрастет примерно на 5,5(C. Поэтому за счет таяния ледников и
полярных льдов в ближайшие 25 лет ожидается повышение уровня Мирового
океана на 10 см.
Анализ выбросов теплоты в атмосферу от совокупности промышленных
объектов на региональном уровне показывает, что характерно наличие регионов
с тепловыделением от 10-20 Вт/м2 площадью до 104 км2.
Транспорт.
Автотранспорт также является источником загрязнения атмосферы,
количество машин непрерывно возрастает особенно в крупных городах; а вместе
с тем растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Автотранспорт в
отличие от промышленных предприятий относится к движущимся источникам
загрязнения.
Токсическими выбросами ДВС (двигателя внутреннего сгорания) являются
отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного
бака.
Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими
газами ДВС. Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в
них содержится несколько десятков компонентов, некоторые из них в таблице
3.
|компоненты |содержание компоненты, |примечание |
| |объем доли, % | |
|CO2 |5,0-12,0 |1,0-10,1 |нетоксичны |
|N2 |74-77 |76,0-78 | |
|CO |0,5-12,0 |0,01-0,50 |токсичны |
|CnHm |2,0-3,0 |0,009-0,5 | |
| | | | |
В целом 50% выбросов диоксида углерода в мире поставляет
электроэнергетика, 1/4 – промышленность, 1/5 – транспорт.
Борьба с выбросами углекислого газа и их учет.
Первой страной, выступившей с заявлением о готовности сократить
выбросы парниковых газов была Великобритания. Ее примеру последовали и
другие страны. На переговорах по климатической конвенции наиболее
решительную позицию заняли Скандинавские страны, Нидерланды, Швейцария
(заявившая о сокращении выбросов углекислого газа на 2,5% к 2000 г.), ФРГ,
Франция, Союз малых островных государств. Меньше энтузиазма проявили США,
Канада, Россия, Япония, Саудовская Аравия.
Для борьбы с выбросами углекислого газа в атмосферу прибегают за
помощью к процессам очистки и обезвреживания технологических и
вентиляционных выбросов. Процессы эти различны, значит различны и способы
очистки, так как:
1. газы, выбрасываемые в атмосферу вместе с углекислым газом, весьма
разнообразны по своему составу.
2. имеют высокую температуру и содержат большое количество пыли, что
затрудняет процесс очистки и требует дополнительной подготовки отходящих
газов.
3. концентрация газа в вентиляционных и реже технологических выбросах
обычно переменна и низка.
Для того, чтобы бороться с выбросами нужно точно знать присутствует
интересуемый нас газ в выбросах или нет. И для этого создан
высокочувствительный детектор для измерения углекислого газа.
Обычно надежность измерений содержания в атмосфере углекислого газа,
играющего столь важную роль в создании парникового эффекта, снижает
присутствие в воздухе водяных паров. По-видимому, японским химикам
Н.Мидзуно и М.Ивамото (Хоккайдский университет, Саппоро) удалось создать
детектор, устраняющий этот недостаток. Ранее в Японии велись эксперименты с
порошком оксидов металлов, электрическое сопротивление которых изменяется в
случае, когда диоксид углерода адсорбируется на их поверхности. Еще в 1990
г. группа под руководством Н.Ямадзо (Университет Кюсю) показала, что
сопротивление порошкообразного оксида олова, помещенного между платиновыми
электродами, возрастает при его продувке смесью углекислого газа с гелием
при температуре 100C. Аналогичный эффект наблюдался с использованием бария.
Однако во всех этих случаях чувствительность к углекислому газу была
незначительной и еще более ослабевала в присутствии водяных паров.
Позже было установлено, что высокой чувствительностью к углекислому
газу обладает смесь индия с оксидами кальция, позволяющая хорошо
идентифицировать этот парниковый газ даже в присутствии паров воды. Оксид
индия получали путем гидролиза хлорида индия в присутствии раствора
аммиака; осадок нагревали до 850C. Полученное вещество еще активнее
реагировало на углекислый газ, если к нему добавляли примерно 5% оксида
кальция. Изготовленный на этой основе детектор оказался в состоянии
измерять концентрации углекислого газа, не превышающие 2 тыс. частей на 1
млн. даже в присутствии 1,8% водяных паров.
Таким образом, способность оксида индия реагировать на малые
концентрации углекислого газа связана с присутствием иных оксидов, причем
оксид кальция повышает чувствительность в наибольшей степени; далее следуют
оксиды стронция и бария; оксиды металлов – никеля, магния и калия –
вполовину, а цинка, натрия, празеодима и неодима в 10 раз менее
чувствительны.
Есть надежда на создание приборов, способных с большой точностью
регистрировать наличие в атмосфере углекислого газа.
Очистка и последующая утилизация углекислого газа проходит через
различного рода фильтры. Прибегают также и к рассеиванию выбросов.
Для контроля в России используются следующие приборы (табл. 4).
| |метод |определяемое |измеряемая |погрешность,% |
|тип прибора|измерения |вещество |концентрация, | |
| | | |мг/м3 | |
|ФЛ-5601 |фотоколориметр|углекислый газ|0-20 |10 |
| |ический | | | |
|КУ-3 |кондуктометрич|углекислый газ|0-500 |5,0 |
| |еский | | | |
|ГАИ-2 |оптикоабсорбци|углекислый газ|0-5 |4 |
| |онный | | | |
В России ПДК (предельно допустимой концентрации) по содержанию
углекислого газа не установлено, в США – 9000 мг/м3. Благодаря строгому
учету нарушений ПДК и высоким штрафам в США выбросы углекислого газа на 1
млрд. долларов национального продукта за последние 10 лет уменьшились с 470
до 350 тыс. м3. Сокращение выбросов углекислого газа на 60% обойдется
примерно в 21012$.
В ФРГ валовый национальный продукт с 1973 г. по 1985 г. увеличился на
26%, а выбросы углекислого газа сократились на 11%.
Океаническая вода как пожиратель углекислого газа.
Согласно подсчетам специалистов, примерно на 60% углекислого газа,
ежегодно поступающего в атмосферу Земли, надолго остается в воздушном
пространстве, способствуя парниковому эффекту, остальное количество
поглощается на суше и в Мировом океане. Однако механизм и активные
участники этого процесса все еще вызывают дискуссии среди специалистов.
Недавно группа сотрудников Плимутской морской лаборатории
(Великобритания) во главе с Уотсоном исследовала влияние скоплений
планктона в северо-восточной части Атлантического океана на поглощение
углекислого газа его поверхностными водами. Как показали измерения, это
влияние очень существенно, причем содержание углекислого газа в воде,
обусловленное активностью этих микроорганизмов, может различаться на 10% в
пунктах, отстоящих друг от друга всего на 20 км. Все прежние оценки
интенсивности поглощения углекислого газа Мировым океаном не учитывали
подобный биологический фактор и, следовательно, были ошибочны. В течение
длительного времени специалисты основным поглотителем углекислого газа
считали Южный океан, и лишь в 1990 г. появились свидетельства, что и в
Северном полушарии существуют районы, где этот процесс идет весьма активно.
Процесс растворения углекислого газа – в приложении 13.
Колоссальное значение океана состоит и в том, что он, будучи “легкими”
планеты, пробуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода
атмосферы. В обменном процессе между атмосферой и океаном, то есть в
“дыхании” океана участвует 100 млрд тонн CO2. При этой жизнь, населяющая
океан, ассимилирует в год в среднем 126 млрд. тонн CO2. Против 20 млрд.
тонн, ассимилируемых жизнью суши. Океан, как насос, поглощает своими
холодными водами CO2 в полярных широтах и отдает его в нагретых
экваториальных и тропических зонах. Именно поэтому давление CO2 в области
тропиков всегда несколько выше, чем в высоких широтах. Мировой океан как
среда жизни представляет интерес прежде всего потому, что именно здесь, по
мнению многих ученых, зародилась жизнь, которая в длительном процессе
эволюции дала колоссальное многообразие форм. Разнообразие форм жизни на
земле поразительно, хотя оно основано на одном типе химического процесса –
фотосинтезе, в результате которого в растениях из неорганических веществ
создается органическое. Большое часть растительного мира океана это
микроскопические фитопланктоновые организмы прикрепленные ко дну водные
растения занимают очень небольшую часть), которые в основном и являются
первичной продукцией моря. Объем ежегодной продукции фитопланктона в
Мировом океане оценивается величиной 500 млрд. тонн. На основе первичной
продукции развиваются все другие морские организмы – бактерии, зоопланктон,
рыбы, морские звери. Для развития фитопланктона кроме энергии солнечного
света необходимы неорганические компоненты. В состав организмов входит до
60 химических элементов, однако 90–95% массы организмов состоит из 6
элементов, называемых биофильными (жизнелюбивыми) или биогенными. Это
углерод, кислород, водород, фосфор, кремний.
Схема обмена углерода между его соединениями в океане
Атмосфера
CO2
водные CO2 H2CO3
HCO3- CO32-
растения
растворенные
органические вода
вещества
остатки животные CaCO3
CaCO3
организмов
крист. раст.
органические CaCO3
тв. CaCO3 тв.
вещества
На больших глубинах, где фотосинтез из-за недостатка света
прекращается, идет образование CO2 за счет разложения органического
вещества в результате распада. В верхнем 500 метровом слое окисляется в
среднем до 87% первичной продукции. В донные осадки попадает 0,1%
органического вещества. В океане ежегодно оседает все вносимое реками
количество гидрокарбонатов 1,7 млрд. тонн кальция (0,5 млрд. тонн) и
частично магния (0,36 млрд. тонн).
Неравномерное потребление углекислоты наземными системами.
Почвы – один из важнейших природных ресурсов, который человечество
активно использует с незапамятных времен. Почвы, почти сплошным ковром
покрывающие поверхность земной суши, представляют собой как бы “кожу
Земли”, которая предохраняет горные породы от интенсивного разрушения.
Почвы – не просто субстрат, на котором растут растения, в них происходят
активные биологические, химические и физические процессы, регулирующие
обмен веществом и энергией между литосферой, гидросферой, атмосферой.
Распределение почв, как и многих других биологических систем, подчиняются
закону природной зональности, во многом связанной с климатическими
параметрами. Как же поведут себя почвы в условия парникового эффекта?
Потеряют ли черноземы свое плодородие? Что будет с тундровыми почвами,
формирующимися на вечной мерзлоте, если она оттает на большую глубину?
Будет ли скорость изменения почв равна скорости изменения климата? Как в
условиях нарастающего парникового эффекта проявятся изменения почв
связанные с другими антропогенными воздействиями на природу – ирригаций,
сведением лесов, добычей полезных ископаемых, кислотными осадками?
Опыта по изучению данной проблемы мало. Но ясно, что локальные
изменения передаются на почвы смежных территорий через поверхностные и
грунтовые воды, однако со значительно меньшей скоростью и на меньшие
пространства, нежели это имеет место в других природных средах (в воздухе,
в воде).
Наиболее существенные сдвиги будут наблюдаться, видимо, в почвах
северных широт где по прогнозам, потепление климата и увеличение осадков
значительно превысят соответствующие средние и глобальные.
В тундре и лесотундре (севернее 70(с.ш.) где ожидается, что средняя
температура поднимется на 4-5(C (главным образом за счет зимних температур)
и возрастет количество осадков (на 50-100 мм) границы лесотундры и северной
тайги начнут медленно сдвигаться к северу, значит на щебнистых и песчаных
грунтах усилятся процессы подзолообразования, а на тяжелых глинистых
породах, особенно в низинах – глеевые процессы или заболачивание.
В таежной зоне Восточной Сибири могут усилиться протаивание почв и
грунтов, а также подзолистый процесс на равнинах в легких почвах,
заболачивание полей, расширение термокарстовых и солифлюкционных явлений,
приводящих к механическому перемещению почв, оползням, просадкам.
В южной тайге ожидается потепление зимой и летом на 2-3(C с
одновременным уменьшением количества осадков (до 25 мм). Можно представить,
что в хвойных лесах с подзолистыми почвами соответственно появятся
широколиственные породы и кустарники, усилится дерновый процесс в почвах, и
они приблизятся к серым лесным. На дерново-подзолистых почвах
сельскохозяйственных угодий количество влаги может заветно снизиться.
В лесостепной зоне серых лесных почв, оподзоленных, выщелоченных и
типичных черноземов – главной сельскохозяйственной зоне – прогнозируют
некоторое потепление (на 1-2(C)и уменьшение осадков на 15-20 мм. В связи с
этим в почвенном покрове весьма вероятна тенденция эволюции лугово-
черноземных и черноземовидных луговых почв в черноземы, а в плакорах – за
счет непромывного водного режима в последних – повысится уровень
карбонатов. Усиление сухости климата в лесостепной зоне потребует в
сельскохозяйственном производстве активизации мероприятий по сохранению
влаги в почвах, а вероятнее всего – расширение орошаемого земледелия.
Конечно, этот прогноз основывается на ожидаемых климатических
изменениях. Между тем в последние десятилетия наблюдается пока не нашедший
объяснения медленный подъем уровня почвенно-грунтовых вод в Черноземной
зоне Средней России и Украине, расширение площади так называемых
“мочалистых” переувлажненных почв. Эти факты свидетельствуют о сложности
динамики гидрологических режимов в почвах и ландшафтах, о многообразии
причин их изменений, а значит, и о трудностях долговременных прогнозов.
В зонах степных черноземов и сухостепных каштановых почв с повышением
среднегодовых температур на 1-2(C и с очень незначительным увеличением
годовых осадков не следует ожидать изменения активности почвенной биоты и
ухудшения водно-физических свойств почв; возможны локальные процессы
осолонцевания почв и некоторой аридизации ландшафтов.
В полупустынной зоне светлокаштановых и бурых почв Прикаспийской
низменности ожидается наряду с потеплением климата, увеличение атмосферных
осадков примерно на 100 мм, что существенно усилит увлажнение почв и
растительности в этой зоне. Скорее всего здесь, в типчаково-полынных и
полынно-солянковых фитоценозах, постепенно возрастает количество злаков и в
целом растительность пастбищных угодий улучшится, но только при разумном и
бережном хозяйствовании.
В пустынях Казахстана и Средней Азии песчаные пустынные почвы,
возможно, полнее покрываются злаково-кустарниковой растительностью и
продлиться период ее вегетации. В почвах глинистых пустынь весьма вероятно
увеличение пестроты почвенного покрова за счет перераспределения солей по
элементам мезо- и микрорельефа.
Выводы.
В ходе работы выяснилось, что совсем нетоксичный оксид углерода (IV),
то есть CO2 является нарушителем всего живого и неживого в природе.
В 20 веке наблюдается рост концентрации CO2 в атмосфере, доля
которого с начала века увеличилась почти на 25%, а за последние 40 лет на
13%. Оценим вклад России в увеличение концентрации CO2 в атмосфере. Данные
по выбросам CO2 в результате сжигания ископаемого топлива в России получены
из данных по бывшему СССР, вклад которого в выбросы CO2 весьма значителен
(таблица 6).
Выбросы углерода разными странами в 1960 и 1987 гг.
| |Выбросы углерода по годам |
|страна |всего, млн. т |на 1 $ ВНП, г |на 1 человека, г |
| |1960 |1987 |1960 |1987 |1960 |1987 |
|США |791 |1224 |420 |276 |4,38 |5,03 |
|СССР |396 |1035 |416 |436 |1,85 |3,68 |
|Китай |215 |594 |- |2024 |0,33 |0,56 |
|Великобритания |161 |156 |430 |224 |3,05 |2,73 |
|ФРГ |149 |182 |410 |223 |2,6668 |2,98 |
Примечание: Германия без восточной части.
По объему выбросов углерода (1 тонна углерода соответствует 3,7 тонны
углекислого газа) первое место принадлежит США, затем страны Европейского
экономического сообщества, а далее бывший СССР. Эти страны дали более
половины выбросов, так как в России производится примерно 80% получаемой
ранее в СССР продукции, ее вклад в выбросы CO2 в атмосферу весьма велик и
составляет порядка 800 млн. тонн углерода, или около 3 млрд. тонн CO2,
следовательно, на каждого жителя приходится несколько меньше 13% общей
массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США более 20%, на долю
ЕЭС – около 20%, на долю Китая немногим более 11%. Таким образом, вклад
хозяйства России в возможный парниковый эффект весьма значительный.
Экологи предупреждают, что если не удастся уменьшить выбросы в
атмосферу CO2, то нашу планету ожидает катастрофа. Сегодня остается
нерешенной мировая проблема энергии и CO2.
Страницы: 1, 2
|