1. Стадии жизненногоцикла и оценка их влияния на уровень загрязнения окружающей природной среды
Жизненный цикл (полныйжизненный цикл — ПЖЦ) – последовательность взаимосвязанных составляющихпродукционной системы, начиная с процесса добычи сырья или воспроизводстваприродных ресурсов до конечной стадии – удаления отходов.
Стадии жизненного цикла– совокупность единичных процессов, объединенных по какому – либо принципу (например,обычно выделяют стадии производства, эксплуатации, утилизации и др.).
В соответствии сопределенными на первом этапе оценки по ПЖЦ целью и сферой проводятинвентаризационный анализ входных и выходных потоков для единичных процессов ипродукционной системы в целом.
Перед тем как описыватьпроцедуру проведения инвентаризации необходимо более подробно рассмотретьосновные понятия, используемые на этом этапе оценки ПЖЦ:
а) продукционнаясистема;
б) единичный процесс;
в) категория данных;
г) модель продукционнойсистемы.
Продукционная система — совокупность материально и энергетически взаимосвязанных единичных процессов,реализующих одну или более определенных функций. На рисунке представлен примерсхемы продукционной системы. Описание продукционной системы включает единичныепроцессы, элементарные потоки (материалов и энергии) и потоки продукции,которые пересекают границы системы, а также потоки промежуточных продуктоввнутри системы. Основной характеристикой продукционной системы является еефункция (назначение), в то же время система не может характеризоватьсяисключительно конечной продукцией.
Продукционная системаподразделяется на несколько единичных процессов. Единичный процесс — наименьшаячасть продукционной системы, используемая в качестве самостоятельнойфункциональной единицы, при проведении оценки по ПЖЦ. Единичные процессысвязаны: друг с другом элементарными потоками промежуточных продуктов и (или)отходов, проходящих последующую переработку; с другими продукционными системамипотоками продукции; с окружающей средой элементарными потоками сырья, энергии,выбросов, сбросов, отходов.
Каждыйединичный процесс является физико-химическим процессом, поэтому должен подчинятсязаконам сохранения массы и энергии. Проверка баланса масс и энергий являетсяполезным способом оценки правильности и полноты собранных инвентаризационныхданных.
Категории данных.Собранные в процессе инвентаризации данные о единичных процессах и продукционнойсистеме описывают входные и выходные потоки. Основными категориями, на которыеих можно подразделить, являются: входные потоки энергии, сырьевых материалов,потоки вспомогательных материалов, другие входные потоки; потоки продукции; выходныепотоки: выбросы в воздух, сбросы в воду, твердые отходы, другие потоки вокружающую среду.
Внутри приведенных вышекатегорий целесообразно выделять подкатегории, так, например, если описываютвыбросы в воздух, то можно выделить такие подкатегории, как выбросы диоксидауглерода, оксидов азота, углеводородов, пыли и т.п. (рис. 1).
/>
Рис. 1 — Пример цепочки единичныхпроцессов внутри продукционной системы (по ISO14041)
Модель продукционнойсистемы. Для проведения инвентаризации создают модель продукционной системы,которая однозначно описывает взаимосвязи между единичными процессами и междупродукционной системой и окружающей средой. Как правило, модель не охватываетвсех возможных существующих в реальной жизни взаимосвязей, но описывает всесущественные для рассматриваемой системы связи. Вопрос о том, что должно бытьвключено в модель, решается на основании поставленной цели и сферыисследования. Модель является необходимым компонентом инвентаризационногоанализа, она помогает четко представить функционирование продукционной системыи объем данных, которые необходимо будет собрать и обработать.
Для более четкогопредставления о приведенных выше понятиях дан пример схемы продукционнойсистемы производства стали.
Инвентаризация — этапоценки по ПЖЦ, на котором рассматривают следующие вопросы:
— сбор данных ипроведение расчетов;
— определение границпродукционной системы;
— оценка достоверностиданных;
— связь данных сфункциональной единицей;
— распределение данных.
Данные,полученные на этапе проведения инвентаризации, являются исходными для оценкивоздействия на окружающую среду на протяжении жизненного цикла и последующейинтерпретации результатов оценки (рис. 2).
/>
Рис. 2 — Схема продукционнойсистемы производства стали
Распределение данных ирециклирование материалов. Инвентаризация при оценке ПЖЦ связывает единичныепроцессы в продукционную систему с помощью элементарных материальных иэнергетических потоков. В реальной жизни лишь немногие производственныепроцессы имеют единственный входной поток и взаимосвязь между входным ивыходным потоками может быть описана линейной зависимостью. Большинствопродукционных систем производят несколько конечных продуктов, кроме того, вэтих системах часть отходов или бракованной продукции рециклируется, то есть используетсяв качестве сырья. Таким образом необходимо распределять потоки материалов иэнергии, а также выбросы в окружающую среду между несколькими конечнымипродуктами в соответствии с четко определенными правилами.
Посколькуинвентаризация основана на учете материального баланса между входными ивыходными потоками, то процедура распределения должна учитывать взаимосвязивхода и выхода и их характеристики. При распределении используют следующиепринципы:
— в ходе оценкинеобходимо идентифицировать единичные процессы, которые задействованы внескольких продукционных системах, и в дальнейшем действовать в отношении к нимв соответствии с процедурой, описанной ниже;
— сумма распределенныхвходных и выходных потоков (например, баланс масс) для единичного процессадолжна быть равна сумме входных и выходных потоков этого процесса дораспределения;
— если существуетнесколько альтернативных вариантов распределения процессов, то необходимообосновать выбор варианта путем проведения анализа чувствительности.
Перед тем, как перейтик дальнейшему изложению материала необходимо отметить, что существует нескольковариантов переработки отходов. Эти варианты подразделяют на:
— рециклирование — получение сырьевых материалов из выходного потока продукционной системы илиединичного процесса;
— повторноеиспользование (утилизацию) — когда детали и узлы после чистки, проверки иремонта или восстановления снова используются в виде запасных частей;
— регенерацию энергии — сжигание отходов с целью получения тепловой или электрической энергии.
Описанныепринципы распределения данных также применяются для случаев, когда впродукционной системе есть процессы повторного использования и рециклирования.Однако такие ситуации требуют дополнительного внимания так как:
— повторноеиспользование и рециклирование подразумевает, что входные и выходные потоки,связанные с добычей и переработкой сырья и окончательным захоронением отходов,должны быть разделены между несколькими продукционными системами;
— повторноеиспользование и рециклирование материалов может изменять их характеристики;
— особое вниманиедолжно быть уделено определению границ продукционной системы в случае регенерацииэнергии (например, получения энергии сжиганием отходов).
— В случае повторногоиспользования и рециклирования используют две модели: с открытым контуром и сзакрытым контуром:
— в случаепродукционной системы с закрытым контуром переработка материалов (илипродукции) осуществляется внутри системы и распределение данных не нужно,поскольку переработанные (например, рециклированные) материалы частичнозаменяют сырьевые материалы;
— в случаепродукционной системы с открытым контуром переработка материалов (илипродукции) осуществляется в другой продукционной системе, тогда распределениеданных осуществляется в соответствии с процедурой, изложенной выше на основефизических свойств материалов, их экономической оценки (например, стоимости),количества возможных циклов переработки (рис. 3).
/>
а) закрытый контур б)открытый контур
Рис. 3 — Примеры продукционныхсистем с рециклированием материалов
Оценка воздействия на окружающую среду за полныйжизненный цикл.
Этап оценки воздействий направлен на определениезначимости потенциальных воздействий на окружающую среду по результатаминвентаризационного анализа стадий жизненного цикла. В широком смысле этотпроцесс включает в себя увязывание между собой инвентаризационных данных сконкретными воздействиями на окружающую среду и попытку осмыслить этивоздействия. Уровень детализации, выбор оцениваемых воздействий и применяемыеметодологии зависят от цели и сферы проводимой оценки.Оценка воздействияможет включать в себя итерационный процесс пересмотра цели и сферыисследования, с тем чтобы определить, достигнуты ли цели исследования илиследует изменить цель и сферу, если оценка показывает, что они не могут бытьдостигнуты.
При оценке воздействияна окружающую среду рассматривают следующие вопросы:
— определение категорийвоздействия;
— классификация данных;
— характеризация данных;
— нормализация данных;
— оценка значимости.
Определение категорий.Существуют различные категории для оценки воздействия на окружающую среду.Выбор категорий должен быть согласован с целью и сферой исследования. Этотвыбор не должен использоваться для того, чтобы избегать или скрыватьэкологические проблемы или интересы. Полнота и степень рассмотрения зависит отцели и сферы.
При выборе категорийвоздействия должны быть рассмотрены следующие вопросы:
— полнота — все экологическиепроблемы, относящиеся к исследуемому вопросу, должны быть рассмотрены в списке;
— практичность — перечень недолжен содержать слишком много категорий;
— независимость — должен бытьисключен двойной учет путем выбора взаимонезависимых категорий воздействия;
— связь с этапом характеризации — выбранные категории воздействия должны быть связаны с доступным методом ихпоследующей характеризации.
Выделяют следующие основныекатегории воздействий:
— воздействие на абиотическиересурсы (ископаемые топлива, минеральные руды, водоносные горизонты, глина,торф, гравий, воздух, солнечная энергия, океанические течения);
— воздействие на биотическиересурсы (фауна и флора);
— использование земли (земля, какресурс для производства пищи; земля как часть экосистем);
— глобальное потепление(возникновение парникового эффекта из-за повышенного выброса в атмосферу газов- диоксида углерода, метана, оксидов азота, хлорфторуглеродов и др.);
— разрушение озонового слоя(разрушение озона под действием хлора, содержащегося в хлорфторуглеродах ипр.);
— экотоксикологическиевоздействия (негативное воздействие загрязнения окружающей среды на экосистемы,приводящее к гибели растений и животных, снижению биоразнообразия, деградацииэкосистем);
— воздействие токсикантов начеловека (воздействие загрязняющих веществ на здоровье человека);
— образование фотохимическихоксидантов (образование озона в приземном слое при фотохимическом разложениилетучих органических соединений в присутствии оксидов азота, более известноекак образование фотохимического смога);
— образование кислотных осадков(вызвано выбросом в атмосферу диоксида серы, оксидов азота и других газов,способствующих образованию кислот в атмосфере) способствует разрушению зданий исооружений, коррозии металлов, закислению почвы и воды;
— перенасыщение питательнымивеществами окружающей среды (повышенное содержание азота и фосфора в водных иназемных экосистемах, в водоемах, что ведет к повышенному росту водорослей иистощению запаса кислорода в воде);
— ухудшение условий в рабочейзоне (загрязненность воздуха токсичными веществами, температура, шум,монотонная работа и т. п., которые ведут к возникновению различных профессиональныхзаболеваний).
Классификация нацеленана то, чтобы отнести входные и выходные потоки к категориям воздействия. Такаяклассификация данных инвентаризации является простейшим или минимальным уровнемоценки воздействия. На этой стадии подразумевается предположение «меньше –лучше» и исключаются некоторые важные соображения, такие как различия впотенциале или экологической силе действия (например, когда одинаковый уровеньвыбросов различных веществ вызывает негативные воздействия на окружающую средуразличной силы).
Категории воздействиямогут быть размещены на шкале, делящей категории на три группы — глобальные,региональные, локальные воздействия.
Некоторые выходныепотоки продукционной системы могут быть связаны с несколькими категориямивоздействия, поэтому они должны упоминаться и учитываться несколько раз всоответствии с числом категорий. Такой многократный учет необходим и допустимтолько в том случае, когда воздействия на окружающую среду по различнымкатегориям независимы друг от друга.
Пример проведенияклассификации для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся припроизводстве стали, приведен в таблице.
Классификации некоторыхвыбросов вредных веществ, образующихся при производстве стали.Категория воздействия Вещество Изменение климата
CO2
N2O Кислотные осадки
SO2
NOx
Образование фотохимического смога (с участием NOx) Бензол Толуол
Цель характеризации — моделирование категорий в виде индикаторов и, если возможно, обеспечение базыдля объединения инвентарных данных в категории. Другими словами на этапехарактеризации определяется вклад каждого входа и выхода системы в общий вкладпо каждой категории воздействия на окружающую среду.
Каждая категория должнаиметь отдельную модель взаимосвязи между входными и выходными потоками ииндикатором этой категории. Модель должна быть основана на научных знаниях,если возможно, но может иметь упрощающие предположения. Представительность иточность каждой модели зависит от нескольких факторов, таких какпространственная и временная совместимость категорий с инвентаризацией.Взаимосвязь между инвентарными входными и выходными потоками и индикаторомкатегории — обычно сильная. Взаимосвязь между индикатором и реальнымвоздействием на окружающую среду обычно слабее и может быть в основномкачественной.
Пример проведенияхарактеризации для некоторых из выбросов, образующихся при производстве стали,приведен в таблице.
Нормализация данныхпроисходит путем деления, полученных на предыдущей стадии индикаторов категорийвоздействия на так называемые базовые значения, которые определяются дляопределенного региона за определенный период времени. Например, для парниковогоэффекта это может быть величина выбросов парниковых газов (приведенная квыбросу СО2) на территории Европы за год. Этот шаг оценкивоздействия не является обязательным и вводится на усмотрение тех, кто проводитоценку.
Индикаторы категорийвоздействия для выбросов, образующихся при производстве 1 кг стали.Категория воздействия Вещество
Выброс, г
(mi)
Весовой фактор (Fi)
Индикатор категории, усл. г
(Fi×mi) Изменение климата
CO2 1600 1 1600
N2O 0,51 320 163,2 ИТОГО 1763,2 Кислотные осадки
SO2 6,79 1 6,79
NOx 4 0,7 2,8 ИТОГО 9,59 Образование фотохимического смога Бензол 0,004 0,189 0,000756 Толуол 0,003 0,563 0,001689 ИТОГО 0,002445
В качестве базы длянормализации могу быть выбраны:
1. Общее количествовыбросов или расход природных ресурсов на данной территории за определенный год(могут быть взяты глобальные, региональные, национальные или локальные данные).
2. Общее количествовыбросов или расход природных ресурсов на данной территории на одного жителя вгод.
3. Величины индикаторовкатегорий воздействия, которые обеспечивает альтернативная продукционнаясистема.
Пример проведениянормализации для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся припроизводстве стали.
Оценка значимостинацелена на ранжирование, определение значимости (весомости) или, возможно,объединение результатов различных категорий оценки воздействия для определенияотносительной важности этих различных результатов. Оценка значимости может бытьпроведена при помощи научно обоснованных аналитических методик и можетрассматриваться в отношении трех основных аспектов:
— выражатьотносительное предпочтение организации или группы лиц, основанное наполитических целях и персональной или групповой точке зрения;
— удостоверять, чтопроцесс является «обозримым», документируемым;
— устанавливатьотносительную важность результатов, основанных на состоянии знаний об этомвопросе.
Нормализованныеиндикаторы категорий воздействия для выбросов, образующихся при производстве 1кг стали.Категория воздействия
Индикатор категории, усл. кг (Ii)
Коэффициент нормализации
(kn)
Нормализованные индикаторы (Ii×kn) 106 Изменение климата 1,7632
7,42×10-5 130,82944 Кислотные осадки 0,00959 0,0089 85,1592 Образование фотохимического смога 0,000002445 0,0507 0,1239615
Методы оценкизначимости могут основываться на различных подходах. Подход уполномочивания — один или несколько количественных измерителей назначаются, чтобы выражать общееэкологическое воздействие.
Подход технологическихизменений — возможность снижения негативного воздействия продукционной системына окружающую среду путем использования различных технологических решений можетбыть применен для установки значения экологической нагрузки (например, путемоценки дополнительных затрат энергии при использовании альтернативной, болееэкологически чистой технологии).
Монетаризация — оценкавоздействия на окружающую среду в виде экономического ущерба. Выделяютнесколько подходов:
— утилитаризм — значения измеряются по предпочтению людей;
— способность (желание)оплатить — адекватный измеритель предпочтений населения;
— оценка экологическогокачества, которое может быть достигнуто путем замены другим товаром(удобством).
Авторитетные цели илистандарты — экологические стандарты и цели повышения качества, а такжеполитические цели, которые могут быть использованы для расчета критическогообъема выбросов, сбросов и т. п.
Пример проведенияоценки значимости для некоторых выбросов вредных веществ, образующихся припроизводстве стали, приведен в таблице. Итоговое значение индикаторавоздействия на ОС показывает опасность данного вида деятельности для окружающейсреды. Чем выше значение — тем выше опасность. Результаты проведения оценкивоздействия на окружающую среду (ОС) для некоторых выбросов вредных веществ,образующихся при производстве 1 кг стали.Категория воздействия
Нормализованные индикаторы
(Ii×kn) 106
Весовой коэффициент
(kw)
Индикатор воздействия на ОС
(Ii×kn×kw) 106 Изменение климата 130,82944
7,42×10-5 327,0736 Кислотные осадки 85,1592 0,0089 851,592 Образование фотохимического смога 0,1239615 0,0507 0,30990375 ИТОГО – – 1284,97550
История появлениятермина «живое вещество» и его определения.
В конце позапрошлогостолетия английский натуралист доктор Карутерс наблюдал над Красным моремпереселение саранчи с берегов Северной Африки до Аравии. Это явление поразилоего своим размахом и он решил определить массу насекомых в одной из туч, чтопролетала над ним 25 ноября 1885 года. Оказалось, что туча занимала площадь 6тыс. км2 и весила 44 млн. т. Эти расчеты были опубликованы в журнале«Природа» за 1890 год.
Вернадский В.И.прочитал настоящую статью, был поражен таким явлением и записал на одной из исвоих папок в рабочем кабинете «Живое вещество». Живое вещество (поВернадскому В.И.) — это совокупность всех живых организмов, которые существуютв данный момент, численно выраженная в элементарном химическом составе, в весеи энергии. Она связана из ОС биогенным током атомов: своим дыханием, питанием иразмножением.
Биосфера — областьраспространения живого вещества. Пределы этой области определены ВернадскимВ.И. Верхний предел обусловлен лучевой энергией, которая приходит из космоса игубительная для живых организмов. Это жесткое ультрафиолетовое излучение. Онозадерживается в озоновом слое на высоте 15 км (нижняя граница слоя). Нижнийпредел определяется температурой недр. На глубине 3÷3,5 км t = 100оС.
Связь живого вещества иэнергии в биосфере. Все живые организмы представлены как кое-что целое иединственное, потому что они являются функцией биосферы. «Живоевещество» — связана из ОС биогенным током атомов: своим дыханием, питаниеми размножением.
Биосфера (ВернадскийВ.И.) — это не только пленка живого вещества на поверхности планеты, но и всепродукты ее жизнедеятельности за геологическое время: почвы, осадки иметаморфические породы, и свободный кислород воздуха. Мы ходим по труппам нашихпредков; мы дышим жизнью тех, кто давно уже умер.
Косное вещество планетыподчинено закону роста энтропии. Живое вещество имеет антиэнтропическиесвойства. И все это многообразие живого и косного связано «биогенноймиграцией атомов» или «биохимической энергией живого веществабиосферы».
Этногенез (скоплениелюдей, похожих друг на друга) должен систематически удалять накопленнуюэнтропию (энергию). Поэтому живое вещество обменивается из ОС энергией.
Человечество как частьживого вещества. Благодаря победе идей об изменениях и превращениях во второйполовине ХІХ ст. в биологии, осознание неразрывной связи человека со всем живымстало доминирующим. В частности это отображается в том, что человеческаякультура в ее историческом развитии уже осознается как естественно историческийпроявление жизни на нашей планете. Изменена культурой земная поверхность неявляется чем-то чужим природе, а является естественным и неминуемым проявлениемжизни как естественного процесса.
Новая форма живоговещества — человеческая, резко отличается от всех других однородных живыхвеществ:
1) Все растущей современем интенсивностью своего геологического эффекта.
2) Влиянием, котороеона осуществляет на других живи вещества.
При изучениигеохимического значения человека как однородного живого вещества мы не можемвозводить ее полностью к весу, сложу или энергии новый фактор — человеческоесознание. Вернадский называл это ноосферой.
Функции живого вещества(ЖВ). Для раскрытия сущности процессов, которые проходят в биосфере А.В. Лапо(1987) предложил основные функции ЖВ: энергетическую, деструктивную, концентрационнуюи средообразующую. Энергетическая функция. Она выполняется растениями, которыев процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразныхорганических соединений. Такую реакция можно записать в виде (Д. Кребс):
12Н2О + 6СО2+солнечнаяэнергия + хлорофилл + энзимы → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О
Зеленые растенияявляются живым механизмом биосферы. Они улавливают солнечный луч и создаютфотосинтезом химические тела — своеобразные солнечные сплетения, энергиякоторых в дальнейшем является действенной химической энергией биосферы.
По расчетам ВернадскогоВ.И. на Земле ежегодно аккумулируется растениями около 1019 ккалэнергии. Внутри экосистемы эта энергия в виде еды распределяется междуживотными. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершеморганическом веществе и переходит в копательное состояние. Так образуются торф,каменный уголь, нефть.
Деструктивная функция.Эта функция заключается в разложении, минерализации мертвого органическоговещества, химическом разложении горных пород, втяжении образованных минералов вбиотический круговорот. Мертвое органическое вещество раскладывается к простымнеорганическим соединениям (углекислого газа, сероводороду. Метану, аммиаку итому подобное), которые опять используются в начальном звене круговорота. Этомзанимается специальная группа организмов — редуценты (деструкторы).
Особо следует сказать охимическом расписании горных пород. Благодаря ЖВ биотический круговоротпополняется минералами, которые высвобождаются из литосферы. Например, посвидетельству А.В. Лапо, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделювысвобождал из базальта 3% входящего к нему кремния, 11% алюминия, 59% магния,64% железа. Пионеры жизни на скалах — бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы илишайники — оказывают на горные породы более сильное химическое влияниерастворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, сернистой иразнообразных органических. Раскладывая с их помощью те или другие минералы,организмы избирательно изымают и включают в биотический круговорот более важныепитательные элементы — кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.
Общая масса зольныхэлементов, которая включается ежегодно в биотический круговорот только насущих, складывает около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает массупродуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаряжизнедеятельности организмов-деструкторов образуется уникальное свойство почв — их плодородие.
Концентрационнаяфункция заключается в выборочном накопленные при жизнедеятельности организмоватомов веществ, которые рассеяны в природе. Способность концентрироватьэлементы из разбавленных растворов — это характерная особенность ЖВ. Наиболееактивными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, впродуктах жизнедеятельности некоторых из них сравнительно с естественной средойсодержимое марганца увеличено в 1200000 раз, железа — в 65000, ванадию — в420000, серебра — в 240000 раз и тому подобное.
Морские организмыактивно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов илисени. Существуют, например, кальциевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки,иглокожие, известняковые водоросли и тому подобное) и кремниевые (диатомовыеводоросли, кремниевые губки). Особо следует обратить внимание на способностьморских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числеядовитые (трут, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в телебеспозвоночных и рыб может в сотне тысяч раз превышать содержимое в морскойводе. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, новместе с тем употребление их в еду может угрожать отравлением тяжелымиметаллами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функциязаключается в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы,гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов.Можно сказать, что она является совместимым результатом всех рассмотренных вышефункций ЖВ: энергетическая функция обеспечивает энергией все звеньябиологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуютисключению с естественной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных дляорганизмов элементов.
Средообразующие функцииЖВ создали и поддерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере,обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе ичеловека. Вместе с тем ЖВ способна возобновлять условия существования,нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного влияния. Этуспособность ЖВ к регенерации экологических условий выражает принцип Лэ Шателье,заимствованный из области термодинамических равновесие. Он заключается в том,что изменение любых переменных в экосистеме в ответ на внешние вмешательстваосуществляется в направлении компенсации этих вмешательств. В теории управленияаналогичное явление носит название негативных обратных связей. Благодаря этимсвязкам система возвращается в начальное состояние, если вмешательства непревышают предельных значений. Таким образом гомеостаз, стойкость экосистемы,оказывается явлением не статичным, а динамическим.
В результатесредообразующие функции в географической оболочке случились последующие важныесобытия: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химическийсостав вод первичного океана; образовалась толща пород осадок в литосфере; наповерхности сущие образовалась плодородная грунтовая сень (также плодородныеводы океана, год и озер).
Вернадский объясняетпарадокс: почему, несмотря на то, что общая масса ЖВ — пленка жизни, котораяпокрывает Землю, — очень имела, результаты жизнедеятельности организмовотображаются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?
Если ЖВ распределить наповерхности Земли ровным слоем, ее толщина сложит всего 2 см. При такойнезначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет оченьбыстрого размножения, то есть очень энергичного круговорота веществ, связанногос этим размножением.
Масса ЖВ, котораяотвечает данному моменту времени, с трудом сравнивающая с тем грандиозным ееколичеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов летсуществования организмов. Если посчитать всю массу ЖР, образованной за этовремя биосферой, она окажется ровной 2,4*1020т. Это в 12 разпревышает массу земной коры.
На земной поверхностинет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могучей засвоими конечными последствиями, чем живые организмы, взятые в целом. Глины,известняки, доломиты, бурый железняк, бокситы — это все породы органическогопроисхождения. В конечном итоге, свойства естественных вод, соленость Мировогоокеана и газовый состав атмосферы определяются жизнедеятельностью существ,планета которых населяющей.
Рассмотрим влияние средообразующиефункции организмов на содержимое кислорода и углекислого газа в атмосфере.Напомним, что повышение концентрации СО2 в атмосфере вызывает «парниковыйэффект» и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяетсяпри фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующихорганизмов — сине-зеленых водорослей — имело место 2,5 млрд. лет назад.Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстромуразвитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленнымупотреблением СО2 и уменьшением его содержимому в атмосфере. Этопривело к ослаблению «парникового эффекта», резкому похолодание ипервому в истории планеты обледенел.
В наши дни накопление ватмосфере углекислого газа от сжигания углеводородного топлива рассматриваетсякак тревожная тенденция, которая ведет к потеплению климата, таяния ледников иугрожает повышением уровня Мирового океана больше чем на 100 м. В связи с этимследует заметил функцию увлечения и захоронения избыточной углекислоты морскимиорганизмами путем переводу ее в соединения углекислого кальция, а также путемобразования биомассы ЖВ на сущих и в океане. Значит, чем больше зеленые, темболее поглощение СО2.
Чистота морских вод — во многом результат фильтрации, которая осуществляется разнообразнымиорганизмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добиваетеду, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что весьокеан очищается от примесей за 4 года. Байкал исключительной чистоте своих водво многом обязан веслоногому рачку, который за год трижды процеживает его воду.
Действиесредообразующие функции живого вещества на примере озера Вашингтон.
С 1963 года, с моментаперепускания стоков мимо озера в океан резко уменьшается концентрация фосфора иколичество биомассы фитопланктона (водоросли, хлорофилл). Концентрация азота вводе изменилась незначительно. Поэтому причиной уменьшения массы фитопланктонуявляется уменьшение поступления Р в водоем. Вода стала более чистой.
Очистка стоков привелак резкому повышению качества воды в озере сравнительно с предыдущимисостояниями. Это совпало с появлением в воде дафнии — фильтрующих организмов,которые поглощают небольшую зелень и таким образом очищают воду. С 1976 годарезко выросли количество дафнии (на 12%) на протяжении года и держалась на этомуровне. Одновременно дафнии являются кормом для рыб, потому в озере появиласьрыба. Это яркий пример возобновления функционирования экосистемы в результатедействия средообразующие функции живого вещества.
2. Задача
Рассчитать и сделатьанализ материального и энергетического балансов производства нитробензола потехнологии представленной на рисунке. Оценить масштаб антропогенной нагрузки наокружающую среду (рис. 4).
/>
Рис. 4 — Схема процесса получениянитробензола
Реакция получениянитробензола (С6H5NO2)протекает в присутствии серной кислоты (H2SO4) и избыткебензола (С6Н6) из расчета 1 кмоль бензола на0,95 кмоль азотной кислоты (HNO3):
/>.
Азотная и сернаякислоты поступают в виде растворов с массовыми концентрациями 2 и 3.Концентрация серной кислоты в течение процесса получения нитробензолауменьшается до величины 6. Вода, образующаяся в ходереакции и поступающая с раствором азотной кислоты, уменьшает концентрациюсерной кислоты в растворе.
Введение исходныхпродуктов в систему и выведение из нее продуктов реакции осуществляется притемпературе окружающей среды t1.Реакция получения нитробензола протекает при температуре t2 > t1с эффективностью, которая определяется выходом реакции.
В процессе смешенияреагентов происходит выделение тепловой энергии при взаимодействии бензола сазотной кислотой и в результате разбавления серной кислоты реакционной водой иводой, поступающей с исходными реагентами. Количество выделяемой тепловойэнергии определяется соответственно удельным тепловым эффектом нитрованиябензола и (q1)и удельной теплотой разбавления серной кислоты (q2).Потери тепловой энергии нормируются коэффициентом тепловых потерь, которыйопределяет долю тепла, теряемую от общего входного потока тепловой энергии.
При расчете принимаютсяследующие исходные данные:
– масса С6Н6
М1 = 2,5 кг;
– удельная теплоемкость С6Н6
С1 = 1,72 кДж/(кг · °С);
– удельная теплоемкость НNO3
С2 = 2,51 кДж/(кг · °С);
– удельная теплоемкость H2SO4
С3 = 1,42 кДж/(кг · °С);
– концентрация раствора HNO3 0,73 (масс. доли);
– концентрация раствора Н2SO4 0,95 (масс. доли);
– концентрация отработанной Н2SO4 0,75 (масс. доли); – выход реакции 0,75; – температура окружающей среды
t1 = 20 °С; – температура реагирующей смеси
t2 = 45 °С; – удельный тепловой эффект реакции
q1 = 153 кДж/моль; – коэффициент тепловых потерь 0,15.
Решение
Материальныйбаланс. На основаниизакона сохранения вещества (массы) формируется материальный баланс производстванитробензола, который устанавливает связь между входными и выходными потокамивещества:
/>,(1.4)
ГдеМвх — масса входного потока вещества;
Мвых-масса выходного потока вещества.
/>
Рис. 5 — Схема материальныхпотоков процесса получения нитробензола: 1 — зона входных потоков вещества; 2 — зона выходных потоков вещества
Для расчетного анализаматериальных потоков необходимо изучить упрощенную схему производстванитробензола. На ее основе составить подробную схему материальных потоков иподобрать не достающие исходные данные. Технологическую схему, можнопредставить как одну технологическую единицу, в которой структурныесоставляющие не различаются, и условно распределить в ней потоки вещества, так,как это сделано на рисунке.
Входной потоквеществапредставляют как суммусоставляющих его компонентов по формуле
Мвы=М1+М2+М3=2,5+2,6+4,2=9,3 кг, (1.5)
гдеМ1-масса бензола С6Н6 (известна поусловию), кг;
М2-массараствора азотной кислоты HNO3,кг;
М3-массараствора серной кислоты H2SO4,кг.
По известному изусловия оптимальному мольному соотношению исходных веществ определяемколичество вещества HNO3требуемого для реакции:
n2=30.1моль,
гдеn1-количествовещества С6Н6,
/>
-мольнаямасса бензола, кг/кмоль, 78 кг/кмоль.
С другой стороныколичество молей HNO3определяется аналогично бензолу:
/>(1.6)
ГдеМ2 HNO3-массаHNO3,кг;
мольнаямасса HNO3,кг/кмоль, 63 кг/кмоль.
Отсюда
/>(1.7)
Так как НNO3поступает в реактор-смеситель в виде раствора, то окончательно масса раствора HNO3(М2) равна:
/>(1.8)
Гдемассовая доля HNO3в водном растворе по условию.
Необходимое количествораствора Н2SO4,поступающего в реактор–смеситель, будет рассчитываться с учетом количестваводы, образовавшейся в реакторе-смесителе.
Количество воды (M2 Н2О),поступившей в реактор вместе с раствором азотной кислоты,
/>(1.9)
Количество реакционнойводы (Mр Н2О)находится из уравнения реакции по исходному веществу, находящемуся в недостатке(НNO3):
/>(1.10)
гдеn2-количествовещества НNO3по формуле (1.6),
/>
мольнаямасса H2O,кг/кмоль, 18 кг/кмоль;
выходреакции по условию.
Подставляя полученныезначения в выражение (1.10), определим количество воды по реакции нитрованиябензола:
/>
Общая масса воды (МН2О)на разбавление H2SO4в реакторе-смесителе определяется как сумма M2 Н2Ои Mр Н2О:
/>(1.11)
Серная кислота вреактор-смеситель поступает в виде раствора с начальной массовой концентрацией 3.В ходе реакции концентрация раствора уменьшается до конечной величины 6за счет разбавления реакционной водой и водой, поступившей с азотной кислотой.На основании этого, можно записать, руководствуясь определением массовой доливещества в растворе, выражение массовых концентраций Н2SO4на входе и выходе реактора-смесителя:
/> и />.
Разделим первоевыражение на второе и решим полученное уравнение относительно массы растворасерной кислоты M3:
/>(1.12)
Выходной потоквещества. После послойного разделения вотстойнике на выходе из технологической установки получения нитробензола имеемследующий поток вещества:
/>(1.13)
/>
Масса нитробензола (М4),полученная по реакции нитрования бензола, определяется из уравнения химическойреакции по веществу находящемуся в недостатке (HNO3):
/>(1.14)
Гдемольная масса С6H5NO2,кг/кмоль, 123 кг/кмоль.
Количество избыточногобензола (М5), необходимого для обеспечения заданноготехнологического режима, определяется выражением:
/>(1.15)
Количество отработаннойсерной кислоты (М6) складывается из массы раствора сернойкислоты поступающей в реактор-смеситель и массы воды, содержащейся в раствореазотной кислоты и образованной при смешении реагентов:
/>(1.16)
Побочные продукты (М7)производства нитробензола, например, можно определить по выходу конечныхпродуктов реакции:
/>(1.17)
Подставляя численныезначения компонентов, получим массовый выход побочных продуктов:
/>
Сравнивая полученныезначения величин входных и выходных материальных потоков по уравнению (1.4),делаем проверку материального баланса и получаем очевидное тождество: 9,3 кг = 9,3кг.
Структуру материальногобаланса удобно представлять в графическом виде. Для этого строится гистограммавходных и выходных материальных потоков рис., которая наглядно показывает соотношениякомпонентов (статей) в структуре материального баланса.
Энергетическийбаланс. Энергетический баланс производстванитробензола представляет собой тепловой баланс и складывается из тепловыхпотоков возникающих в ходе технологического процесса. По аналогии сматериальным балансом запишем общее уравнение энергетического баланса,представляющее собой равенство приходного и расходного тепловых потоков:
/>(1.18)
гдеQвх-приходный поток теплового баланса;
Qвых-расходный поток теплового баланса.
При рассмотренииэнергетического баланса теплосодержание исходных продуктов и продуктов реакциине учитывается, так как ввод исходных продуктов и вывод продуктов реакцииосуществляется при температуре окружающей среды t1.
Приход тепловойэнергии. Приход тепловой энергии определяетсятермохимическим процессом нитрования бензола, процессом разбавления сернойкислоты и подогревом реакционной смеси до температуры t2:/>
/> (1.19)
/>
Тепловой эффект реакциинитрования бензола (Q1)определяется по следующему уравнению:/>(1.20)
гдеq1-удельная теплота реакции нитрования, кДж/моль;
n4-количество молей нитробензола, моль,
/>
Для определениявыделившейся тепловой энергии при разбавлении серной кислоты, запишем возможныепути разбавления серной кислоты водой:
/> - путь 1,
/> - путь 2,
/> - путь 3.
В реактор попадаетготовый раствор серной кислоты, в котором вода находится в связанном состоянии.Энергия, высвободившаяся при получении раствора, не должна учитываться приразбавлении в ходе процесса нитрования. Предполагается, что разбавлениеисходного раствора серной кислоты протекало по первому уравнению (путь 1),т. е. разбавление шло при одинаковом мольном соотношении исходныхвеществ. Учитывая это, количество серной кислоты связанной с водой равноколичеству воды связанной с серной кислотой, отсюда:
/>
Гдеколичество серной кислоты связанной с водой, моль.
Количество молей сернойкислоты (n3),поступающей на разбавление, в соответствии с материальным балансом производстваи учетом начального разбавления определяется по выражению:
/>
Гдемольная масса H2SO4,кг/кмоль, 98 кг/кмоль.
Количество молей воды (nН2О)для разбавления соответствует массе воды, полученной в ходе реакции, ипоступающей с раствором азотной кислоты:
/>
Из полученного мольногосоотношения воды и серной кислоты, видно, что количество воды в три раз больше,чем серной кислоты, поэтому разбавление может рассматриваться по реакциям 2 или3 (путь 2 и 3). Рассчитаем количество гидратов, образовавшихся приразбавлении, с двумя и четырьмя присоединенными молями воды:
/> или />
Гдеx — количество молей H2SO4по реакции 2, моль;
Y — количество молей H2SO4по реакции 3, моль.
Решая системууравнений, получим следующее:
/>
Теплота (Q2),полученная в результате разбавления серной кислоты, определяется как сумматеплоты при разбавлении по 2 и 3 пути:
/> (1.21)
Где41,92 и 54,06-удельная теплота разбавления, соответственно по реакции 2 и 3,кДж/моль.
Затраты энергии наподогрев реакционной смеси могут компенсироваться тепловыделением в ходе непрерывногопроизводства. В этом случае эти затраты энергии включаются только в расходнуючасть энергетического баланса. В данном примере принимается, что производствоработает периодически и при запуске эти затраты энергии не могут бытькомпенсированы тепловыделением. Поэтому они включаются также и в приходнуючасть энергетического баланса.
Подогрев реакционнойсмеси от t1до t2,определяется количеством тепловой энергии, затраченной в единицу времени, нанагревание ее компонентов:
/>(1.22)
/>
ГдеМi — масса исходных продуктов (М1, М2,М3), кг;
Сi — удельная теплоемкость исходных веществ (C1,C2, С2), кДж/(кг · ºС),
t1и t2 — соответственно, начальная температура реакционнойсмеси и температура реакции, °С.
Расход тепловойэнергии. Выходной поток тепловой энергиипоказывает распределение входного потока тепловой энергии в зависимости отпроизводственных потребностей. В данном примере, входной поток тепловой энергиирасходуется на технологические нужды (осуществление химического процесса) икомпенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Следуя этому, запишем уравнениевыходного теплового потока для производства нитробензола:
/>(1.23)
Полезная тепловаяэнергия, используемая для осуществления процесса получения нитробензола,определяется количеством тепловой энергии затраченной на подогрев реакционнойсмеси:
/>(1.24)
Тепловые потери (Q4),по условию нормируемые от прихода тепловой энергии, рассчитываются по формуле
/>(1.25)
Тепловая энергия (Q5),поступающая в систему охлаждения, определяется из основного уравнения тепловогобаланса (1.18):
/>(1.26)
/>
Понятно, что сравниватьэнергетические потоки нет необходимости, так как уравнение (1.26) раскрываетвзаимосвязь между компонентами прихода и расхода энергии в системе. В такомслучае требуется лишь тщательный подсчет известных компонентов энергетическогобаланса во избежание расчетной ошибки.
Список использованнойлитературы
1. Инженернаяэкология: Общий курс. В 2 т.: Учебное пособие для вузов / И.И. Мазур, О.И.Молдаванов, В.Н. Шишов. — М.: Высшая школа, 1996. — т. 1 — 637 с.
2. МелешкинМ.Т., Степанов В.Н. Промышленные отходы и окружающая среда. — К: Наукова Думка,1980. – 179 с.
3. МеньшиковВ.В., Савельева Т.В. Методы оценки загрязнения окружающей среды: Учебноепособие. — М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 60 с.
4. Практикумпо химической технологии / Г.Г. Александрова, С.И. Вольфкович, Г.Ф. Бебих, Л.В.Кубасова, В.А. Жукова, Л.М. Позняк, Н.С. Рабовская, Н.Л. Соломонова, Р.М. Федорович,Н.Н. Кондратьев; Под ред. акад. С.И. Вольфковича. — М.: Изд-во Московскогоуниверситета, 1968. — 366.
5. Экологияи безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Д.А. Кривошеин,Л.А. Муравей, Н.Н. Роева и др.; Под ред. Л.А. Муравея. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. –447 с.