К вопросу о факторах, влияющих на загрязнение окружающей среды, и пути решения экологических проблем

К вопросу о факторах, влияющих на загрязнение окружающей среды, и пути решения экологических проблем

, 11 класс, школа №56, г. Магнитогорск.

Научный руководитель доцент, к. т.н. .

На протяжении многих столетий искусственные, то есть антропогенные, источники загрязнений окружающей среды не оказывали заметного воздействия на экологические процессы, хотя некоторые отрасли индустрии, в частности металлургия и обработка металлов, были довольно широко распространены еще до нашей эры. В атмосферу выделялись такие соединения, как окислы углерода, серы и азота, пары металлов, особенно ртути, в водоемы – отходы красильных и пищевых производств.

Металлурги древности были первыми, кто открыл эпоху загрязнения окружающей среды, когда зародилась высокоразвитая бронзовая металлургия. Она дала толчок развитию промышленности и транспорта. Бронзовый век возмутил экологическое спокойствие. Ведь что такое пыль и газ, сопровождающие производство бронзы, как не отходы? Тогда же появились и не полностью переработанные рудные остатки. В отвалы с тех пор шло немало полезного. Однако проблемы охраны природной среды тогда не существовало. Природа справлялась с задачей самоочищения, полезные ископаемые были в изобилии, да и полезным считалось немногое.

Проблема охраны окружающей среды возникла с появлением машинного производства. С изобретением паровой машины промышленность постепенно становится все более значительным источником загрязнений, так как резко возрастает потребление топлива. Развитие черной металлургии сначала на древесном угле, а затем на коксе вносит свой вклад в общее загрязнение атмосферы. Интенсифицируется развитие сопряженных с металлургией отраслей, таких, как добыча угля, добыча и производство концентратов и шихтовых материалов, наконец, возникает коксохимия, что приводит к образованию сточных вод и твердых отходов. В воздушный бассейн начинают выбрасывать значительные количества оксидов азота, соединений свинца и ртути, аммиак, сероводород, углеводороды, альдегиды, бензопирен и др.; в водоемы поступает большое количество различных химических соединений. Растут горы золошлаковых отходов и терриконы, строятся шламонакопители. Появилась потребность в очистке пылегазовых выбросов и сточных вод.

Необходимость утилизации отходов постигалась тоже не сразу. Очень долго люди не знали истинного состава полезных ископаемых, поэтому причин для «легкомысленного» отношения к отходам было несколько. Это и недостаточное развитие науки и техники, и свободные земли для свалки и захоронения неиспользованных остатков хозяйственной деятельности, и неистощенные месторождения, и, конечно, резервы биосферы по восстановлению экологического равновесия.

В наши дни все в значительной степени изменилось. Сложилась экологическая ситуация и с каждым годом она все больше усугубляется, из этой ситуации надо искать выход.

Нередко металлургию называют химией высоких температур. Там, где огонь и высокие температуры, там и кипение, и испарение, различные химические реакции, при которых рождаются новые летучие соединения, а значит, возникают пылегазовые выбросы. Они представляют собой аэрозоли – твердые или жидкие частицы, взвешенные в отходящих газах. Пылегазовые выбросы, как и все другие отходы, наносят ущерб окружающей среде и одновременно являются ценным сырьем, которое можно утилизировать, например, шлак можно использовать в качестве строительного материала.

О ценности возгонной пыли можно судить хотя бы по тому, что при выплавке стали в конвертерах, она содержит до 90% железа и его оксидов. Мартеновские и электрические печи дают менее богатую пыль, но и в ней немало железа.

Одной из традиций, идущих из глубины веков, является сложившаяся в металлургии многостадийность технологического цикла. При традиционном производстве стали - это доменный и сталеплавильный процессы, прокатное производство. Металлурги называют их переделами. На каждом переделе свои отходы – пылегазовые выбросы, сточные воды, шлаки, шламы с которыми уходит все, что не должно присутствовать в готовой продукции, а заодно удаляются компоненты, которые могли бы сослужить полезную службу. Другая традиция в металлургии, требующая преодоления, - это недостаточная комплексность переработки рудного сырья.

Современная металлургия принадлежит к тем отраслям промышленности, которые в наибольшей степени загрязняют воздушный бассейн, а, кроме того, требуют значительного отчуждения пахотных и других земель под шламохранилища, шлаковые отвалы и т. п. А между тем запасы полезных ископаемых истощаются.

Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) – градообразующие предприятие, являясь самым крупным производителем, стали, чугуна, заслужило особое внимание экологов. Ежегодно в Челябинской области выбрасывается в атмосферу примерно 300 кг загрязняющих веществ на 1 человека. По статиcтике ММК выбрасывает бенз(о)пирен, сероуглерод, окиси азота, пыль, газообразные, парообразные вещества (кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, микросоединения, пары металлов) и тяжелые металлы с большим атомным весом (свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, ванадий, кадмий и др.) [1].

Бенз(о)пирен (С20Н12) – бензпирен – жёлтые пластинки и иглы. Этот токсикант поступает в организм человека в основном из воздуха, но также и с пищей (с учетом загрязнения питьевой воды), вызывая различные онкологические заболевания. Среднесуточная (временное усреднение за 24 ч.) ПДК равна 0,00001 мг/м;

Сероуглерод (СS2) и сероводород (H2S) в атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. А тот в свою очередь попадает на растения, образуя некротические пятна на растительном покрове. Во влажной атмосфере выпадают так называемые серные дожди, наносящие вред всему живому. Максимальная разовая ПДК по серному ангидриду равна 0,03 мг/м;

Оксиды азота (NxOy)– пары имеют бурый цвет и удушливый запах. Создают смог и вызывают респираторные заболевания и бронхит у новорожденных. Способствуют чрезмерному разрастанию водной растительности. Среднесуточная ПДК равна 0,04 мг/м3;

Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дым и туман. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, выплавке металлов;

К дымам - относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др;

Тяжелые металлы весьма опасны для окружающей среды тем, что обладают способностью накапливаться в живых организмах, увеличивая концентрации по трофическим цепям. Так, например, наличие в окружающей среде примесей никеля вызывает респираторные заболевания (астма, нарушения дыхательной системы), пороки рождения и уродства, а примеси свинца – нарушение процессов кровотечения, повреждение печени и почек [2].

На ММК огромное количество цехов и все они являются загрязнителями атмосферы, но самым активными загрязнителями являются доменные, мартеновские, кислородно-конвертерный цеха. Результатом переработки чугуна в вышеперечисленных цехах является выделение в атмосферу возгонов и аэрозолей различного состава. В таблице 1 представлен состав твердых возгонов доменной печи [1].

Таблица 1

Состав твёрдых возгонов доменной печи

Составляющие	Fe	C	SiO	Ca	Mg	Mn	Всего
Колошниковые газы	47%	12%	12%	2,9%	1,2%	0,38%	75,48%
Выбросы при литье	53%	7%	2%	1%	0,1%	1,4%	64,5%
Десульфурация на СаС	25%	23%	10%	32%	1,3%	1,14%	92,44%

Ниже приведёны данные по содержанию аэрозоля и анализ колошниковых газов, вышедших из доменной печи.

Температура газа, °С                175-250        Состав газа, %

Количество газа, м/т Fe        1100-2200        СО                        23-40

Теплота сгорания, МДж/м        3,7                СО                        15-22

Содержание аэрозоля, г/м        <30                Н                        1,5-6

N                        60,5-32

Таким образом, выбрасываемые в атмосферу воздуха газы CO, CO2, N2 при окислении и тепло при сгорании способны превратится в потенциал определяющие газы парникового эффекта. Также можно предположить, что вместе с газами в атмосферу попадает значительное количество оксидов и карбонилов металлов, которые составляют основную массу пылегазовой смеси, аэрозолей и вызывают ряд негативных явлений в атмосфере (фотохимический смог, уменьшение прозрачности атмосферы и т. п.), что особенного вредно для здоровья городских жителей.

Ниже (таблица 2) приведены температуры испарения некоторых металлов, их оксидов и карбонилов, которые могут входить в состав пылегазовой смеси [1].

Таблица 2

Температуры испарения некоторых веществ.

Состав	Название вещества	Температура испарения, ˚С	Состав	Название вещества	Tемпература испарения, ˚С
Mn2O7	Оксид марганца (VII)	До 100 °С	PdO	Оксид палладия (II)	600°-700°
SeO	Оксид селена (IV)	До 100 °С	Te	Теллур	600°-700°
RuO4	Оксид рутения (VIII)	До 100 °С	Tl	Таллий	600°-700°
SeO3	Оксид селена (VI)	До 100 °С	Sb	Сурьма	600°-700°
Re2(CO)10	Карбонил рения	До 100 °С	ReO2	Оксид рения (IV)	700°-800°
Re2(CO)9	Карбонил рения	До 100 °С	GeO2	Оксид германия (IV)	700°-800°
Mn2(CO)10	Карбонил марганца	До 100 °С	V2O5	Оксид ванадия (V)	700°-800°
Cr(CO)6	Карбонил хрома	До 100 °С	Tl2O3	Оксид талия (III)	700°-800°
Fe(CO)5	Карбонил железа	До 100 °С	Pb	Свинец	700°-800°
Re2O8	Оксид рения(VIII)	100°– 200°	TeO2	Оксид теллура (IV)	800°-900°
Re2O5	Оксид рения (V)	100°– 200°	ZrO2	Оксид циркония (IV)	800°-900°
CrO3	Оксид хрома(IV)	100°– 200°	Co3O4	СоО∙Со2О3	800°-900°
W(CO)6	Карбонил вольфрама	100°– 200°	WO3	Оксид вольфрама (VI)	800°-900°
TeO	Оксид теллура	200°-300°	GeO2	Оксид германия (IV)	800°-900°
Cd	Кадмий	200°-300°	Fe2O3	Оксид железа (III)	900°-1000°
Se	Селен	200°-300°	Bi2O5	Оксид висмута (V)	900°-1000°
Zn	Цинк	200°-300°	Al	Алюминий	900°-1000°
ReO3	Оксид рения (VI)	300°-400°	In	Индий	900°-1000°
Re2O7	Оксид рения (VII)	300°-400°	Mn	Марганец	900°-1000°
GeO	Оксид германия (II)	300°-500°	PtO2	Оксид платины (IV)	1000°-1500°
PdO	Оксид палладия (II)	300°-500°	NbO2	Оксид ниобия (IV)	1000°-1500°
OsO4	Оксид осмия (IIX)	300°-500°	NbO	Оксид ниобия (II)	1000°-1500°
GeO	Оксид германия (II)	500°-600°	Nb2O5	Оксид ниобия (V)	1000°-1500°
MoO3	Оксид молибдена (VI)	500°-600°	RuO2	Оксид рутения (IV)	1000°-1500°
OsO2	Оксид осмия (IV)	500°-600°	CdO	Оксид кадмия (II)	1000°-1500°
GeO2	Оксид германия (IV)	600°-700°	ZnO	Оксид цинка (II)	1000°-1500°
MoO3	Оксид молибдена (VI)	600°-700°	WO2	Оксид вольфрама (IV)	1000°-1500°
Te2O3	Оксид теллура (III)	600°-700°

Почти эти все вещества являются ядовитыми. В городе Магнитогорске очень распространены заболевания лёгких, кожные заболевания и винить в этом соединения серы и азота, по меньшей мере, неправильно; если существуют такие вещества, которые могут образовываться только в доменной, мартеновской печи и при производстве стали в конвертерах.

С целью установления условий появления возгонов в исходных продуктах и в смесях их с оксалатом аммония [(NH4)2C2O4], карбамидом [CO(NH2)2], пероксидом водорода Н2О2 нами был проведен дериватографический анализ на приборе Венгерской фирмы МоМ системы F. PAUUK.  В ходе анализа навеска материала в платиновом тигле нагревается воздухом в течение 50 минут с 250 до 10000С.  Исследованию подвергались доменный шлам ММК и уголь К-2 города Новокузнецка, зола Троицкой ГЭС (Подмосковье). Результаты эксперимента представлены  в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты дериватографического анализа исследуемых продуктов.

Исходный продукт	реагент	Количество газообразных продуктов, кг/т при  t0 C
90-100	100-200	200-300	300-500	500-700	700-900	Сумма возгонов	Количество остатка	Сумма продуктов
Доменный шлам ММК	Исходный продукт	5,7	19,9 65,4	91	909	1000
Доменный шлам ММК	(NH4)2C2O4	130	606	325	1061	923	1984
Доменный шлам ММК	Н2О2	8	109	117	891	1008
Уголь К-2	исходный	5,8	+1,9	9	155,9	116,9	366,3	633,7	1000
Уголь К-2	(NH4)2C2O4	160	854	89	605	178	1887	100	1987
Уголь К-2	Н2О2	16,4	213	289	779	1008
Уголь К-2	СО(NH)2	49	467	516	369	1401	600	2001
Зола ГЭС	Н2О2	1000
Зола ГЭС	СО(NH)2	380	346	726	1312	2038

Как следует из результатов эксперимента, при нагревании доменного шлама, угля или золы с различными веществами, обладающими как окислительными, так и восстановительными свойствами образуются продукты, которые испаряются в интервале температур 90-9000С.  Можно предположить, что это соответствует возможному появлению в возгонах соединений рения в виде карбонилов и оксидов, а также оксидов германия, палладия, осмия и других согласно таблице 2.

Санитарные службы контролируют только содержание СО и оксидов азота в воздухе, не учитывая, что СО входит в состав карбонилов различных металлов, поэтому необходимо разработать способы определения различных металлов в отходящих газах. А для того, чтобы эти металлы не попадали в металлургические процессы выделить их путем термохимической обработки из исходного сырья.

Япония, один из лидеров по производству цветных металлов и стали, при выплавке 1 т стали, в атмосферу в среднем выбрасывает 1 кг отравляющих веществ. США, занимающие не последние место в производстве цветных металлов, при выплавке стали выбрасывают 17 кг отравляющих веществ в атмосферу. На сегодняшний день Россия является одним из крупнейший поставщиков сырья для стран производителей цветных, редкоземельных и других ценных металлов. При выплавке чугуна в мире ежегодно выбрасывается 20,21 млн. т. пыли в год. Челябинская область в 1997 году выбросила 282,5 кг пыли на 1-го жителя [3]. Наука и техника пока еще не располагают экономичными технологическими процессами переработки отходов и отбросов, поэтому необходимы специальные исследования, направленные на превращение большинства отходов во вторичные материальные ресурсы. Единственным выходом из сложившейся ситуации является профилактика респираторных и онкологических заболеваний, здоровый образ жизни, а также усовершенствование процесса переработки и утилизации отходов металлургического передела чугуна.

Список литературы

Квартальный отчет. w ww. mmk. ru/2002/ правочник биохимика. М.: Мир, 1991, -570 с. Гордон без отходов //Московский рабочий, №2, 1986, -5с.