Проблема переработки вторичных ресурсов

В составе различного типа отходов присутствует достаточно большое количество ценных химических соединений. Возникает настоятельная необходимость повторного их использования, что позитивно сказывается на балансе биосферы.

Переработка отходов ставит перед собой задачи уничтожения или разделения отходов на части, некоторые из них в дальнейшем послужат вторичным ресурсом.

В основе переработки отходов лежат регенерационные методы – экстракция; десорбция; обратный осмос; перегонка; ректификация и др.

Экстракция основана на различной растворимости извлекаемого химического соединения в воде и растворителе, который используется в качестве экстрагента. В качестве экстрагентов используются органические жидкости: бензол, минеральные масла; четыреххлорный углерод и др. Процесс данного типа протекает в аппаратах – экстракторах. Экстрактор представляет собой колонку с насадкой, в которую подается вода и экстрагент. Если плотность экстрагента меньше плотности воды, то его подают снизу. Чаще всего экстракцию проводят из водных растворов с помощью нерастворимых в воде органических соединений (бензола, хлороформа и др.).

Десорбция как метод переработки отходов основан на удалении органических и неорганических соединений через открытую водную поверхность и использованием инертных газов или воздуха. Десорбция обусловлена более высоким парциальным давлением газа над раствором, чем атмосферное давление.

Обратный осмос направлен на разделение растворов фильтрованием через мембраны с малым диаметром пор (около 1 нм). В качестве мембран используется ацетатцеллюлоза, полиамиды, полимеры.

Адсорбция применяется для поглощения отдельных компонентов твердым веществом – адсорбентом. Механизм адсорбции основан на притяжении молекул под действием сил Ван-дер-Ваальса. Наиболее успешно используются в качестве адсорбентов активированный уголь и силикагель (аэрогель обезвоженной кремниевой кислоты). Адсорбент в процессе очистки может использоваться многократно, а также подвергаться последующей регенерации.

Перегонка состоит в разделении и последующем удалении через открытую поверхность химических соединений, имеющих различную температуру кипения. В целях очистки сточных вод используют простую перегонку, перегонку с водяным паром, перегонку с инертным носитеолем, азеотропную перегонку, ректификацию в присутствии перегретого пара, азеотропную ректификацию.

Простая перегонка осуществляется путем постепенного испарения сточной воды. Этот метод пригоден для удаления веществ, имеющих температуру кипения ниже, чем у воды.

Перегонку с водяным паром осуществляют при необходимости удаления легколетучих соединений (фенолов, аммиака, аминов и др.). Перегонку производят в дисциляционных колонках.

Азеотропная перегонка основана на способности ряда органических соединений образовывать друг с другом или водой нераздельно кипящие смеси, температура кипения которых ниже температуры кипения воды. Извлекаемые в этом процессе соединения вместе с дисцилятом поступают на дальнейшую переработку.

Концентрирование как метод переработки основан на разделении в воде соединений путем изменения их растворимости под влиянием температуры и последующем удалении воды.

В основе деструктивных методов переработки химических отходов лежат химические реакции, в процессе которых вещества изменяют свое прежнее состояние и свойства, т.е. становятся менее вредными или пригодными для дальнейшего технологического использования. К таким методам относятся – метод нейтрализации; метод образования осадков; методы окисления и восстановления и др.

Широкое развитие получили методы биохимической очистки сточных вод. Данный метод основан на способности микроорганизмов использовать в процессе своей жизнедеятельности органические соединения, которые не были удалены из воды другими способами. Известны аэробные и анаэробные группы микроорганизмов, что способствует удалению тех или иных примесей в разных условиях (в присутствии или отсутствии кислорода).

Химия и окружающая среда

В природе существует непрерывный круговорот материи, в основе которого лежит трансформация солнечной энергии живым веществом путем фотосинтеза.

Живое вещество имеет химические особенности. Оно образовано из элементов, представляющих собой растворы жидкого и газообразного типов. В живых организмах обнаружены практически все элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева, которые также входят и в состав земной коры. Это указывает на общность живой и абиотической природы и их химических характеристик.

Элементы, составляющие живые организмы, могут быть сгруппированы по функциональному критерию. Все элементы в организме можно разделить на три группы: макроэлементы; микроэлементы; ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они нужны организмам постоянно в определенных количествах для осуществления жизненного цикла. Это такие вещества как углерод, кислород, водород, азот, калий, кальций, фосфор. Они могут составлять до 60% массы живого организма.

Микроэлементы – это в основном ионы тяжелых метеллов, которые являются компонентами ферментов, гормонов и других элементов организмов. Микроэлемнты содержаться в незначительных концентрациях и могут составлять от 0,001 до 0,00001 % общей массы тела живого организма. К микроэлементам относятся марганец, бор, кобальт, медь, цинк, молибден, бром, алюминий и др. Роль каждого микроэлемента в жизнедеятельности организма очень специфична потому, что биохимические процессы очень избирательны в своем протекании.

В живых организмах также присутствуют такие ультраэлементы как: уран, радий, золото, ртуть, селен, бериллий, цезий и др. Их количество не превышает 0,00001 % массы тела. Химическая наука пока не может дать полного объяснения их роли в жизни растений и животных.

Необходимо отметить, что существует группа биофильных элементов, без которых невозможно существование и развитие живых организмов.

По современным представлениям наземными растениями включена в жизненные циклы основная масса химических элементов в виде минеральных веществ, толь 0,01% от их количества составляют химические элементы, входящие в состав растительности Мирового океана.

Непрерывные химические превращения обеспечивают развитие живых организмов и существование биосферы. Химические превращения веществ из одной формы в другую обеспечивают их пригодность для усвоения различными организмами в определенной закономерности. Возникает циклическая миграция веществ и химических элементов, требующая затрат энергии, источником которой выступает Солнце. Таким образом, круговорот является естественной формой продолжительного во времени использования ограниченного количества химических элементов для существования и повторения широкого разнообразия живых организмов. На это указал академик В.Р. Вильямс.

Исключениями из этого круговорота являются биогенные осадки в виде полезных ископаемых (нефть, газ, уголь), находящиеся в недрах Земли. Однако деятельность человека включает и их в круговорот, хотя остается открытым вопрос о повторного использования этого ресурса.

Круговорот веществ – это процесс многократного участия веществ в процессах атмосферы, гидросферы, литосферы. Наиболее активно он протекает в биосфере. Наука выделяет два основных круговорота – большой (геологический); малый (биогенный и биохимический).

Биогеохимическим циклом называют круговорот химических веществ из неорганической среды посредством деятельности растительного и животного мира обратно в неорганическую среду на основе химических реакций с использованием энергии Солнца. Большой биосферный круг представляет собой непрерывный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации между экологическими системами биосферы.

Биогеохимические круговороты в биосфере могут быть газового или осадочного типов. Круговороты газового типа осуществляются на основе резервного фонда веществ, находящихся в газообразной форме в атмосфере или гидросфере. Круговороты осадочного типа основаны на движении веществ расположенных в земной коре (железо, фосфор, калий и др.)

Живое вещество представляет собой наиболее активную часть биосферы, которая влияет на скорость и направление миграции химических веществ в процессе круговорота. Можно выделить ряд основных функций живого вещества, которые имеют общее значение для биосферы планеты и имеют химическую природу: энергетическую; газовую; концентрационную; обменную; деструкционную.

Сущность энергетической функции состоит в осуществлении взаимосвязи биосферных явлений планеты с энергетическими явлениями Космоса. Механизмом реализации данной функции является фотосинтез, позволяющий аккумулировать и распределять энергию между элементами биосферы. Значительная часть солнечной преобразованной энергии в ходе геологических процессов накопилась в связанной форме в виде залежей полезных ископаемых.

Газовая функция живого вещества связана, прежде всего, с формированием земной атмосферы и газовой структуры основных элементов биосферы в целом. Газы, имеющие абиотическое происхождение, представлены в малых количествах. Большая масса газов возникает в процессе биогенных превращений. Например, фотосинтез обеспечивает наличие кислорода. Дыхание растительного и животного мира порождает диоксид углерода. Источником диоксида углерода служат также химические процессы в осадочных породах.

Концентрационная функция связана способностью живых организмов аккумулировать химические элементы в процессе взаимодействия с окружающей средой. В результате живые организмы имеют более значительную концентрацию определенных веществ по сравнению с окружающей средой, где они обитают. Могут возникать локальные скопления некоторых химических элементов в отдельных участках земной коры, что оказывает серьезное влияние на геохимические условия экосистем. Такие явления носят название геохимических аномалий.

Обменная функция заключается в химических превращениях веществ на основе окислительно-восстановительных реакций. Возникающие при этом условия способствуют развитию биогенных процессов в живых организмах.

Деструкционная функция живых существ обеспечивает процессы разложения биологических организмов. В этом случае происходит минерализация органического вещества и превращение в косное вещество.

Важнейшими биогеохимическими круговоротами являются – круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.

Круговорот углерода на суше осуществляется в процессе фотосинтеза с образованием органических соединений и выделением кислорода, одновременно часть кислорода расходуется на дыхание живых организмов.

Химические формулы при этом имеют вид:

6 С О₂ + 6 Н₂ О → С₆ Н₁₂ О₆ + 6 О₂ ↑

и С₆ Н₁₂ О₆ + 6 О₂ → 6 С О₂ + 6 Н₂ О.

Диоксид углерода очень активно выделяется многочисленными организмами: почвенные грибы, бактерии, все сложные организмы. В результате процессов разложения органических веществ в лесах, степях и других зонах выделяется огромное количество диоксида углерода. Биомасса отживших растений разлагается при участии микроорганизмов и углерод в этом процессе превращается в диоксид и поступает в атмосферу. Постепенно происходит полная минерализация органических отмерших тел, окисление веществ, которое сопровождается реакциями спиртового, метанового и уксусного брожения.

Количество двуокиси углерода в атмосфере зависит и от вулканической активности, выбросов промышленных предприятий, электростанций, железнодорожного, авиационного и автомобильного транспорта. Наука считает, что зеленые растения ежегодно потребляют то количество диоксида углерода, которое создается в атмосфере всеми источниками.

Круговорот углерода осуществляется и в гидросфере, однако его оборот в несколько раз меньше из-за особенностей водной среды и процессов в ней. В воде при наличии диоксида углерода образуется угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты. Образование этих веществ в гидросфере обусловлено также растворением известковых пород суши и коралловых рифов. Это создает возможность миграции углерода между сушей и Мировым океаном. Подсчитано, что полный обмен атмосферы и гидросферы двуокисью углерода в процессе жизнедеятельности организмов осуществляется с периодичностью около 400 лет.

Круговорот азота в природе играет важную роль, учитывая, что азот находящийся в атмосфере не может быть напрямую использован большинством живых организмов. В осуществлении круговорота азота особую роль играют микроорганизмы- азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Данные виды микроорганизмов способствуют биологической фиксации азота воздуха и переводят его в доступную для усвоения живыми организмами форму. Азотфиксирующие организмы суши и моря ежегодно улавливают огромное количество азота. Другим источником азота является атмосферное электричество и фотохимические процессы.

В процессе взаимодействия с атмосферной влагой оксиды азота превращаются в кислоты. Воздействие нитрифицирующих бактерий азотистая кислота окисляется до азотной. В процессе взаимодействия с карбонатами, сульфатами, хлоридами и другими солями, содержащихся в почвах, азотная кислота образует нитраты.

Гниение органических веществ приводит к тому, что большая часть азота в них превращается в аммиак, который за счет нитрифицируещих юбактерий окисляется до азотистой и азотной кислоты. Реакции нитрификации требуют хорошей аэрации, т.е. достаточного количества кислорода. При его отсутствии или недостатке начинаются процессы денитрификации, приводящие к восстановлению азота в чистом виде.

В кругообороте принимает участие только азот, фиксированный живыми организмами различных элементов биосферы.

В регионах, затронутых сельскохозяйственной деятельностью человека, кругооборот азота дополняется явлениями искусственного его внесения в почву в виде минеральных удобрений.

Круговорот кислорода – это биогеохимический цикл основополагающего характера, который объединяет атмосферу, гидросферу и литосферу. Основными этапами этого процесса являются образование свободного кислорода в результате фотосинтеза в зеленых растениях, использование кислорода всеми живыми организмами в процессе дыхания, реакции окисления органических и неорганических соединений (разложение органических остатков, сжигание топлива и органических соединений). В результате этих процессов образуется чаще всего диоксид углерода и вода, которые затем вовлекаются в следующий цикл фотохимических превращений.

В круговороте кислорода особенно проявляется активная геохимическая роль живого вещества, указывающая на ведущую роль кислорода в организации жизни. Но, являясь основополагающим круговоротом на планете, кругооборот кислорода в значительной степени зависит от хозяйственной деятельности человека. Свободный кислород присутствует в атмосфере, а в растворенном виде он присутствует в природных водах. Ежегодное продуцирование кислорода осуществляется в объеме 75% растительностью суши и в объеме 25% фотосинтезирующими организмами Мирового океана.

Вырубка лесов, рост народонаселения, сжигание топлива – все это ведет к увеличению потребления кислорода. Возможно, в будущем возникнет ситуация, когда количество потребляемого кислорода сравняется с его количеством, продуцируемым природой.

Круговорот фосфора существенно отличается от других биогеохимических циклов. Эти особенности объясняются природой соединений фосфора, которые не являются газообразными. Фосфорные соединения входят в состав сложных белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Именно наличие фосфорных соединений как показывают исследования обуславливают биоэнергетические процессы. Живые организмы концентрируют фосфор в 10 раз интенсивнее чем неорганическая природа.

Интенсивный круговорот фосфора на поверхности суши происходит в биосистеме «почва-растения-животные-почва». Растения используют преимущественно легкодоступные формы фосфата, которые возникают при разложении органических остатков. Из минеральных соединений в природе встречаются чаще всего соли ортофосфорной кислоты, которые труднодоступны растениям. Под влиянием ферментов в почвенном растворе эти соли могут превращаться в гидрофосфаты или дигидрофосфаты.

Круговорот серы представляет собой биогеохимичесикй цикл, в котором ведущую роль играют микроорганизмы. При этом одни из них способствуют окислению серы, а другие – восстановлению. Круговорот серы сопровождается явлениями иммобилизации (превращение неорганических соединений в органические под влиянием микроорганизмов) и минерализации.

Круговорот калия осуществляется в земной коре на основе комплекса процессов выветривания и кристаллохимических превращений силикатных пород. При этом высвобождаются катионы калия, которые являются приемлемой формой калия для усвоения растениями.

Калий практически не вступает в органические сложные соединения и его движение возобновляется после отмирания растений. Круговорот калия в гидросфере изучен в настоящее время недостаточно. Все рассмотренные биогеохимические круговороты охватывают всю биосферу, а их движущей силой является деятельность живых организмов в различных ее компонентах.

В виду прогрессивного развития хозяйственной деятельности человека возникает ряд серьезных угроз, связанных с нарушением естественного течения основных круговоротов химических элементов. За последние полтора века экономические явления и промышленное производство произвели на биосферу значительно большее воздействие, чем за весь предыдущий период существования человечества.

Деятельность человека привела к количественным и качественным изменениям во всех частях биосферы. В глобальном плане начинается формирование новых условий протекания уже существующих жизненных процессов. К каким последствиям для существующих форм жизни это может привести предсказать трудно. Однако можно уверенно объяснить реально протекающие в биосфере явления на основе представлений о химических превращениях веществ.

В атмосфере постепенно увеличивается количество различных химических ингредиентов: оксиды серы и азота; галогенпроизводные углеводороды.

Оксид серы поступает в атмосферу с дымовыми газами предприятий теплоэнергетики, на которых в качестве топлива используется уголь. Большое количество серосодержащих примесей содержится в нефти и мазуте в виде меркаптанов, которые представляют собой органические производные сероводорода. Сгорание меркаптанов приводит к образованию диоксида серы.

Образование оксидов азота обусловлено термическими особенностями его активности. При значительных температурах в процессе сгорания топлива азот вступает в соединения с кислородом. Этот же процесс, но в меньших масштабах, происходит в при наличии газовых разрядов (молний) в атмосфере.

Механизмы химических превращений загрязняющих веществ в атмосфере очень сложны, они могут иметь гомогенную, гетерогенную, молекулярную или радикальную основу. Значительную роль в процессах преобразования загрязняющих веществ в атмосфере принадлежит излучению различных диапазонов. В зависимости от времени суток, широты местности, времени года и др. факторов скорость газофазного окисления будет различной, но в любом случае происходит изменение химического состава атмосферы.

В химии атмосферных явлений значительную роль играет озон. Этот газ в виде оболочки располагается в атмосфере на высоте 20-25 км (стратосфера) от поверхности земли. Он диффундирует и может достигать нижних слоев атмосферы (тропосфера).

Конечным итогом всех химических процессов в атмосфере в отношении вредных веществ сводится в образованию кислот и выпадению кислотных дождей (рН меньше 5). Экологические последствия связаны с гибелью растительного и животного мира в глобальных масштабах. Происходит окисление почв и как следствие снижение урожайности, гибель лесов и др.

Галогенпроизводными углеводородами называют соединения, содержащие вместо атомов водорода галогены. К такого рода соединениям относятся фреон (фтортрихлорметан) и его разновидности. Эти вещества применяются в качестве хладагентов в различного рода технических устройствах бытового и промышленного назначения. В конечном итоге все эти вещества оказываются в атмосфере и разрушают озоновый слой. Это приводит к увеличению доли солнечной радиации, достигающей земной поверхности и оказывающей губительное действие на все живое.