53. Экология. Охрана окружающей среды от вредного воздействия химических веществ. «Зелёная химия»

Борьба с загрязнениями окружающей среды

Достижения науки и технологии позволили создать комфортные условия для жизни людей. Однако неоправданно высокие темпы роста потребления привели к чрезмерным нагрузкам на окружающую среду, к ее загрязнению и истощению природных ресурсов.

К основным видам загрязнений, влияющих на естественную окружающую среду относят:

• • отходы — бытовые и промышленные, побочные продукты производств (радиоактивные элементы, пластики, тяжелые металлы с плотностью более 5 г/см3);
• • отработанные газы — выхлопные газы автомобилей (NO, NO2, СО, углеводороды — продукты неполного сгорания топлива, отходящие газы), технологических установок (СО2, СО, SO2, NO, NO2, О3) тепловых электростанций, предприятий металлургии, химической промышленности и производств строительных материалов;
• • бытовые, хозяйственные и промышленные сточные воды, с которыми в окружающую среду поступают фосфаты (моющие и чистящие средства, фосфорные удобрения и др.), нитраты и другие азотсодержащие соединения (минеральные удобрения, экскременты человека и животных), другие соли (хлориды, сульфаты), тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества (ПАВ), пестициды.

Загрязнения влияют на состояние окружающей среды, опасны для людей, являются причиной различных болезней и генетических мутаций. Тем не менее современной цивилизации не обойтись без химической промышленности. Проблема состоит не в создании химиками «вредных веществ», а в том, что люди не всегда рационально используют синтезированные вещества и химические технологии. Следовательно, именно химики должны найти пути снижения вреда, приносимого промышленными предприятиями и другими источниками загрязнения нашей планеты. В связи с этим возможны два пути:

• 1) отслеживать поступление вредных веществ в окружающую среду и обезвреживать или уничтожать их, что является задачей экологической химии;
• 2) предотвращать загрязнение среды, уменьшая выработку природных богатств, что является задачей «зеленой химии».

Следуя по первому пути, химики-аналитики и экологи разрабатывают эффективные методы мониторинга водоемов, почв, воздуха. Ученые и инженеры-разработчики изобретают, а химическая промышленность выпускает многочисленные сорбенты, поглотители, ионообменные смолы для очистки промышленных и сточных вод, поглощения вредных газов и пыли, выделяемых предприятиями. Химики разрабатывают методы утилизации промышленных и бытовых отходов путем их безопасного уничтожения или переработки с целью повторного использования. Д. И. Менделеев в свое время писал: «В химии нет отходов, а есть неиспользованное сырье».

В качестве примеров утилизации различных отходов в Республике Беларусь можно привести переработку металлолома на Белорусском металлургическом заводе. Сегодня в промышленных масштабах перерабатывают макулатуру, изделия из пластмасс и стекла. Шлак литейного производства применяют для изготовления стройматериалов (кирпича, черепицы). На белорусских нефтеперерабатывающих предприятиях имеются установки по преобразованию сероводорода, выделяющегося в процессе переработки нефти в атмосферу, в полезный продукт — серную кислоту.

На Гомельском химическом заводе фтороводород, возникающий в процессе разложения апатитового (фосфоритового) концентрата преобразуют в H2SiF6, AlF3, Nа3AlF6.

Предотвращение загрязнений окружающей среды

Химики, разделяя тревогу человечества за ухудшение состояния окружающей среды, выработали новую стратегию организации химических производств, которая получила название «зеленая химия».

«Зеленая химия» — это стратегия производства и применения химических продуктов и процессов, предусматривающая уменьшение или исключение использования и образования вредных веществ.

Рассмотрим, как в рамках «зеленой химии» предлагается решать экологические проблемы.

1. Чтобы избежать попадания химических веществ в окружающую среду и снизить потери природных ресурсов, требуется разрабатывать химические процессы, которые исключают образование побочных продуктов. Например, в известном вам традиционном лабораторном методе синтеза хлороводорода по реакции

NaCl(тв) + H2SO4(конц) = HCl↑ + NaHSO4

теоретически только 2 из 9 атомов реагентов входят в состав нужного продукта. Так называемая атомная эффективность этого процесса составляет 22 %.

На ОАО «Беларуськалий» хлороводород получают прямым взаимодействием хлора и водорода, при этом все атомы реагентов входят в состав продукта:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Значит, эффективность процесса составляет 100 %.

2. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Необходимо использовать технологические процессы, в которых как исходные вещества, так и продукты или отходы не наносят вреда окружающей среде и персоналу предприятий. Например, отбеливание целлюлозы хлором при производстве бумаги приводит к образованию и поступлению в окружающую среду токсичных веществ — диоксинов. Чтобы этого избежать, предпочтительнее проводить отбеливание целлюлозы пероксидом водорода, который не представляет такой опасности. При попадании в окружающую среду он быстро разлагается:

2Н2О2 = 2Н2О + О2↑.

Известно о вреде, который наносят всему живому выброшенные полимерные упаковки, пакеты, бутыли из пластика. Однако полный переход на бумажную упаковку приведет к необходимости увеличения производства бумаги, а следовательно, дополнительной вырубке лесов. Поэтому предлагается перейти на изготовление упаковочного материала из биоразлагаемых материалов, произведенных, например, из молочной кислоты или производных целлюлозы. Для изготовления бутылок лучше использовать стекло, которое можно использовать повторно либо переплавлять и получать новые изделия.

3. Большинство химико-технологических процессов протекает в растворах. Использованные водные или неводные растворители с содержащимися в них примесями должны проходить процесс очистки. Это дорогостоящий процесс. К тому же полной очистки, как правило, не происходит. Растворители с содержащимися в них опасными химическими реагентами в виде сточных вод сбрасываются в реки. Выходом из этой ситуации является отказ от использования растворителей или выбор таких, которые не загрязняют окружающую среду.

Например, в качестве растворителя предлагают использовать углекислый газ, сжатый до состояния, при котором он приближается по плотности к жидкости. Такой растворитель уже сегодня используют для экстракции кофеина из кофейных зерен, эфирных масел из растений и в некоторых других химических реакциях. После проведения экстракции раствор достаточно нагреть и весь СО2 испарится.

4. Чтобы предотвратить истощение природных ресурсов, необходимо создавать производства или осуществлять процессы, в которых используются возобновляемые виды сырья — растительные масла, целлюлоза, бытовой мусор, углекислый газ.

Такой подход лежит в основе получения метиловых эфиров жирных кислот — биотоплива из рапсового масла.

Химики работают над созданием материалов для солнечных батарей, которые преобразуют неисчерпаемую энергию Солнца в электрическую (рис. 131).

Рис. 131. Солнечная панель на крыше дома и схема конструкции солнечного элемента

5. Уменьшить попадание выхлопных газов автомобилей в атмосферу и снизить парниковый эффект можно путем замены двигателей внутреннего сгорания углеводородов на электродвигатели. Для этого химики работают над созданием новых химических источников тока, в частности, над разработкой эффективных топливных элементов, преобразующих энергию беспламенного окисления водорода кислородом в электрическую.

Большой шаг в снижении степени загрязнения атмосферы — применение автомобильных катализаторов — устройств в выхлопной системе автомобиля. Они предназначены для снижения токсичных выбросов в атмосферу путем восстановления оксидов азота и окисления угарного газа, а также недогоревших углеводородов.

В настоящее время для устойчивого развития цивилизации человечество должно направлять свою деятельность не только на устранение вредных последствий, но и на предотвращение их появления, действовать по принципу «не навреди себе, обществу, природе». Такая деятельность возможна в условиях развития химической науки, разработки на ее основе ресурсо-, энергосберегающих и экологически безвредных технологий, новых материалов и веществ.

Опасные вещества

Химические вещества являются не только источниками благ для человека, но так же представляют опасность для жизни и здоровья. Попадая в природную среду, а потом и в организм человека они могут вызвать тяжелые патологические явления, а также изменения на генетическом уровне .

Основными источниками загрязнения химическими веществами являются различные промышленные предприятия. Отходы их производства загрязняют воздух, воду и землю и отсюда попадают в организм человека. Но нельзя сказать, что только вещества, получаемые при работе предприятий представляют опасность, ведь так же в какой-то степени к химическим отходам можно причислить и ТБО, такие как пластмассовые бутылки, косметика, различные аэрозоли и другое и при неправильной их переработке, вредные химические вещества так же попадают в окружающую среду.

Различных вредных веществ довольно много и они по-разному влияют на природную среду и организм человека. Поэтому, все вещества дифференцируют обращая внимание на его концентрацию, времени воздействия и многом другом .

В настоящее время вредные химические вещества разделяются на 6 групп:

Общетоксические вещества они вызывают отравление всего организма (мышьяк, бензол, ртуть, свинец, оксид углерода и др.)

Раздражающие вещества воздействуют на слизистые оболочки, верхние и глубокие дыхательные пути (пары ацетона, аммиак, хлор, оксиды азота и др.)

Сенсибилизирующие вещества повышают чувствительность организма к химическим веществам, а в производственных условиях приводят к аллергическим заболеваниям (формальдегид, гексахлоран и др.)

Канцерогенные вещества вызывают развитие всех видов раковых заболеваний (асбест, бериллий и его соединения, бензопирен и др.)

Мутагенные вещества оказывают воздействие на неполовые клетки, входящие в состав всех органов и тканей человека, а также на половые клетки (радиоактивные вещества, свинец, марганец и др.)

Влияющие на репродуктивную функцию вызывают возникновение врожденных пороков развития и отклонений от нормальной структуры у потомства, влияют на развитие плода в матке и послеродовое развитие и здоровье потомства (ртуть, свинец, радиоактивные вещества, стирол, марганец)

Вопросы, задания, задачи

1. Каковы причины экологических проблем? Как вы понимаете выражение: «Возникновение экологических проблем — это следствие чрезмерного потребления»?

2. Назовите вещества — основные загрязнители воздуха и их источники.

3. Какие неорганические вещества могут быть обнаружены в воде из колодца, если:

• а) она является жесткой;
• б) неподалеку расположен коровник;
• в) рядом находится удобряемое поле?

4. Оцените плюсы и минусы использования в качестве упаковки полиэтилена и бумаги.

5. Назовите возможные пути уменьшения загрязнения окружающей среды химическими предприятиями. Как эти задачи предлагает решать «зеленая химия»?

6. Признано, что дешевле предотвратить образование загрязнений, чем ликвидировать их последствия. Приведите примеры воплощения этой идеи в организацию современных химических производств.

7. Предложите способы поглощения выделяющегося в производственном процессе:

• а) хлороводорода;
• б) сероводорода;
• в) сернистого газа.

8. На основании известных вам реакций с участием металлов предложите метод извлечения меди из отработанного раствора гальванического меднения, содержащего сульфат меди.

9. У транспортных магистралей с интенсивным движением автотранспорта ощущается запах диоксида азота. Объясните источник его возникновения. Примите к сведению, что в бензине не содержатся соединения азота, а в цилиндре автомобильного двигателя достигается высокое давление и температура. Ощущение запаха NO2 начинается при его содержании 8 мг/м3 в воздухе. Рассчитайте объемную долю NO2, соответствующую этой его концентрации.

10. По нормам зоогигиены предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных газов на свинарной ферме в объемных долях составляет: NH3 — 0,026 % и H2S — 0,01 %. Известно, что запах аммиака ощущается человеком при концентрации 35 мг/м3, а запах сероводорода — при концентрации 1,4–2,8 мг/м3. Можно ли с помощью обоняния определить ПДК указанных газов на свинарной ферме? Ответ обоснуйте расчетом.

Тесты для самопроверки

1. Что является основной целью зеленой химии?

• а) Создание новых химических элементов
• б) Повышение производительности промышленных процессов
• в) Минимизация вреда окружающей среде и здоровью человека*
• г) Удешевление химического производства

2. Какой из принципов зеленой химии предполагает использование возобновляемого сырья?

• а) Принцип энергосбережения
• б) Принцип использования возобновляемых ресурсов*
• в) Принцип минимизации отходов
• г) Принцип биодеградации

3. Какие вещества чаще всего вызывают загрязнение воды в результате химического производства?

• а) Азот
• б) Тяжелые металлы*
• в) Кислород
• г) Углеводороды

4. Что из перечисленного НЕ является принципом зеленой химии?

• а) Снижение токсичности
• б) Использование катализаторов
• в) Предотвращение образования отходов
• г) Использование органических растворителей*

5. Какой термин обозначает способность вещества разлагаться естественным образом в природе?

• а) Токсичность
• б) Перерабатываемость
• в) Биодеградация*
• г) Полимеризация

6. Что означает термин "атомная экономия" в зеленой химии?

• а) Экономия затрат на атомные электростанции
• б) Максимальное включение всех атомов исходных веществ в конечный продукт*
• в) Использование атомов водорода в реакции
• г) Снижение атомной массы продукта

7. Какой из методов утилизации отходов считается наименее безопасным?

• а) Биологическая переработка
• б) Захоронение на свалке
• в) Рециркуляция
• г) Сжигание с фильтрацией

8. Что из следующего чаще всего используется как безопасный растворитель в зеленой химии?

• а) Ацетон
• б) Бензол
• в) Вода*
• г) Толуол

9. Какой из принципов зеленой химии способствует снижению энергозатрат на производство?

• а) Утилизация отходов
• б) Проведение реакций при комнатной температуре и давлении*
• в) Повышение концентрации реагентов
• г) Использование кислот

10. Какие вещества разрушают озоновый слой?

• а) Углекислый газ
• б) Водяной пар
• в) Хлорфторуглероды (ХФУ)*
• г) Метан

11. Почему важно сокращать использование органических растворителей?

• а) Они улучшают качество продукции
• б) Они токсичны и вредны для окружающей среды*
• в) Они легко воспламеняются
• г) Их сложно транспортировать

12. Что из перечисленного способствует "зеленому" синтезу?

• а) Использование высокотемпературных реакций
• б) Использование неразлагаемых катализаторов
• в) Минимизация побочных продуктов*
• г) Добавление тяжелых металлов

13. Как называется процесс восстановления загрязненной почвы с помощью растений?

• а) Биоразложение
• б) Фиторемедиация*
• в) Компостирование
• г) Биофильтрация

14. Какое топливо считается наименее экологичным?

• а) Водород
• б) Биогаз
• в) Уголь*
• г) Природный газ

15. Что такое "экотоксикология"?

• а) Наука о свойствах почв
• б) Изучение воздействия химических веществ на живые организмы*
• в) Раздел географии
• г) Метод утилизации отходов

16. Какой газ выделяется при разложении пластика на свалке и вредит атмосфере?

• а) Кислород
• б) Метан*
• в) Азот
• г) Водород

17. Какая стратегия наиболее эффективна для снижения химического загрязнения?

• а) Увеличение производства
• б) Захоронение отходов
• в) Предотвращение загрязнения на стадии разработки*
• г) Использование токсичных веществ в малых дозах

18. Что из перечисленного НЕ является примером "зеленого" продукта?

• а) Биопластик
• б) Компостируемая упаковка
• в) Тефлоновая посуда*
• г) Средства на основе растительных компонентов

19. Какая технология может помочь в уменьшении выбросов вредных веществ в атмосферу?

• а) Свалки
• б) Золаулавливатели
• в) Системы фильтрации и каталитические нейтрализаторы*
• г) Выбросы на большую высоту

20. Что из следующего способствует более безопасному хранению химических веществ?

• а) Хранение под открытым небом
• б) Использование герметичных контейнеров*
• в) Перемешивание с другими веществами
• г) Слив в канализацию

См. также

• экология
• профилактика
• здоровье
• Другие тесты