3 виды загрязнения атмосферы способы очистки газов. Биоремедиация. Методы очистки атмосферы

По своему химическому составу атмосферный воздух представляет собой смесь газов. Различают постоянные, переменные и случайные составные части воздуха. К постоянным компонентам атмосферного воздуха относятся азот (78,16% по объему), кислород (20,9%), аргон (0,93%), неон и другие инертные газы (0,01%). К переменным составляющим относятся углекислый газ и водяной пар, их содержание в воздухе может изменяться(СО2 изменяется от о,02 до 0,93%, а содержание паров воды может доходить до 2-3%).

Случайные компоненты представлены:

Различными газами, которые могут образоваться в результате жизнедеятельности живых организмов, разложения органических веществ, пожаров, извержения вулканов, производственной деятельности человека;

Парами или капельками жидкостей, которые образуются главным образом при загрязнении воздуха промышленными выбросами;

Твердые примеси, образующиеся при выветривании горных пород, почв, а также в результате производственной деятельности человека. К случайным примесям также относятся микроорганизмы и пыльца растений.

Загрязняющие атмосферу вещества классифицируются по следующим признакам:

По происхождению - на природные, вызванные естественными, часто аномальными процессами в природе и антропогенные, связанные с деятельностью человека.

Естественные природные процессы приводят к постоянному поступлению в атмосферу дисперсных частиц. Например, при извержениях вулканов в атмосферу выбрасывается огромное количество твердых и жидких частиц на высоту до 20 км. Твердые частицы попадают в атмосферу при лесных пожарах, выветривании почвы, особенно при пыльных бурях; каждые сутки в атмосферу Земли попадает до 10 тысяч тонн космической пыли.

В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первые представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно в воздух от источников. Вторичные образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами
(О2 , О3, Н 2О) под действием ультрафиолетового излучения. С учетом токсочности и потенциальной опасности, загрязняющие атмосферный воздух вещества разделены на несколько групп.

- основные загрязнители атмосферы - оксид углерода, диоксид серы, оксоды азота, углеводороды, твердые частицы. Оксиды азота образуются при высокотемпературной фиксации азота и кислорода в силовых установках и двигателях внутреннего сгоранияп, при электрических разрядах в атмосфере и присутствуют в отработанных газах автомобилей. Диоксид серы образуется при сгорании топлива с высоким содержанием серы (каменный уголь, нефть). Источниками диоксида серы являются ТЭЦ, предприятия по производству удобрений, серной кислоты, нефтехимических продуктов. Оксид углерода – наиболее опасный и распространенный загрязнитель воздуха, токсичность которого обусловлена реакцией с гемоглобином крови. Образование СО происходит при неполном сгорании различного топлива.

Твердые частицы представляют собой пыль и аэрозоли органической и неорганической природы.

- полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Они отличаются выраженным канцерогенным действием. Основным источником ПАУ являются ТЭЦ, работающие на нефти или каменном угле, предприятия нефтехимической промышленности и автотранспорт.

- следы элементов. Следовые количества химических элементов представлены в атмосфере такими высокотоксичными загрязнителями как мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний, хром. Они обычно присутствуют в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах. Около 60 металлов идентифицировано в продуктах сгорания угля. В дымовых газах ТЭЦ обнаружены мышьяк, ртуть, барий, кадмий, кобальт, медь, железо, фтор, свинец, марганец, олово, молибден, никель, селен, олово, цинк, ванадий.

- постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны) и пестициды.

Скапливаясь в атмосфере, загряняющие вещества взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под действием радиации. Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет четыре дня, Н2S- два, NOx- пять, NН3 – семь дней, а СО2 и СН4 в силу своей инертности сохраняются в течение трех лет.

Снижение концентрации загрязняющих веществ в воздухе можно осуществлять разработкой технологических процессов, исключающих или снижающих образование и выделение загрязнений, а также снижением загрязнений воздуха путем воздействия на образовавшуюся пыль и газы.

Первое напавление более рационально, так как, во-первых, значитеньно легче не допустить образование пыли, чем ее устранять, а во-вторых, при этом сокращаются потери сырья. Однако все это требует больших затрат и времени. Поэтому в настоящее время проблему борьбы с пылью на промышленных предприятиях решают по второму направлению.

Процесс обеспыливания воздуха в общем виде включает следующие этапы:

Предотвращение распространения «исходного» пылевого аэрозоля в воздухе рабочей зоны (процесс пылеулавливания) ;

Разрушение пылевого аэрозоля, заключающееся в выделении пыли из воздуха (процесс пылеочистки);

Дальнейшее снижение устойчивости пылевого аэрозоля за счет рассеивания в атмосфере оставшейся в воздухе пыли (процесс рассеивания пыли).

Для улавливания пыли используют различное пылеулавливающее оборудование – аппараты сухой, мокрой, фльтрационной и электрофильтрационной очистки.

Для очистки выбрасов от газообразных примесей применяют методы

абсорбции, хемосорбции, адсорбции, каталитического окисления и термический.

Метод абсорбции заключается в поглащении отдельных компонентов газовой смеси абсарбентом (поглотителем), в качестве которого выступает жидкость. Абсорбент выбирают из условия растворимости в нем газа. Например, для очистки от аммиака и хлористого водорода применяют воду, для улавливания паров воды – серную кислоту, для улавливания ароматических углаводородов – масла.

Метод хемосорбции основан на поглощении паров и газов твердыми или жидкими поглотителями, в результате чего образуются мало летучие и малорастворимые соединения.

Метод адсорбции основан на улавливании вредных газов-примесей поверхностью твердых тел. Например, активированный уголь используют для очистки от органических паров, силикагель – для очистки от паров воды.

Метод каталитического окисления основан на удалении примесей в присутствии катализаторов. Действие катализатора проявляется в промежуточном химическом взаимодействии катализатора с реагирующими веществами, в результате чего образуются промежуточные соединения. В качестве катализаторов применяют металлы и их оксиды, которые, например, применяются для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

Термический метод основан на очистке газов перед выбрасом путем высокотемпературного дожигания.

Механические методы

Механические методы основаны на использовании сил тяжести, сил инерции, центробежных сил, диффузии, захвата и др. К этой группе методов относятся: инерционное пылеулавливание, мокрое пылеулавливание, фильтрация.

Инерционное пылеулавливание основано на том, что твердые частицы и капли выпадают из запыленного газового потока при резком изменении его направления. Наибольшее распространение получили инерционные пылеуловители, которые предназначены для улавливания крупных фракций пыли размером более 50 мкм, и циклоны, используемые для удаления золы из дымовых газов и сухой (древесной, асбоцементной, металлической) пыли с размером частиц 25-30 мкм из воздуха, ротационные пылеуловители, предназначенные для очистки воздуха рабочих помещений.

Рис. 1

Принцип действия циклона - одного из самых распространенных пылеочистительных аппаратов - основан на использовании центробежной силы, возникающей при вращательно-поступательном движении газового потока: центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам корпуса циклона, затем частицы пыли, стекая по стенкам, выпадают в бункер, а очищенный газ через расположенный по оси циклона выхлопной патрубок выбрасываются в атмосферу или поступают к потребителю. Циклоны составляют самую многочисленную группу экотехнической аппаратуры - более 90 % от общего числа применяемых в промышленности пылеуловителей. Ими улавливается более 80 % от общей массы уловленной всеми аппаратами пыли

а б

Рис. 2. а - схема (1 - патрубок; 2 - распределительная камера;

3 - направляющие элементы; 4 - пылесборник; 5 - камера;

6 - патрубок); б - циклон на котельной вагонного депо

Мокрое пылеулавливание основано на промывании запыленного газового потока жидкостью, подаваемой в виде брызг или тумана.

Действие аппаратов мокрой очистки газов основано на захвате частиц пыли жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама. Процессу улавливания пыли в мокрых пылеуловителях способствует конденсационный эффект - укрупнение частиц пыли за счет конденсации на них водяных паров. Поскольку в этих аппаратах процесс пылеочистки обычно сопровождается процессами абсорбации и охлаждения газов, они применяются и в качестве теплообменных аппаратов, и для очистки газообразных составляющих. Обычно в качестве орошающей жидкости, если не требуется химическая очистка, используется вода. Часто аппараты мокрой очистки газов используются в качестве предварительной ступени перед аппаратами других типов.

а б

Рис. 3. Ротационный пылеуловитель: 1 - спиралевидный кожух; 2 - шибер, необходимый для направления загрязненного воздуха в циклон; 3 - циклон для окончательного осаждения твердых частиц

Аппараты мокрой очистки газов называются пенными газоочистителями и скрубберами, они подразделяются на полые и насадочные, центробежные, динамические, турбулентные. Скрубберы (рис.15) удаляют частицы размером более 10 мкм, а пенные газоочистители улавливают частицы размером до 2 мкм. Они применяются на участках окраски изделий и нанесения полимерных покрытий в замкнутых системах воздухопользования. Эффект очистки составляет 90-99 %.

Рис. 4.

1 - корпус; 2 - оросительная система

Фильтрация основана на пропускании запыленного газового потока через фильтрующий материал. Фильтрацию применяют для сверхтонкой очистки атмосферного воздуха от древесной, асбоцементной, абразивной пыли, золы, сажи, частиц металлов, их оксидов, ангидридов. В зависимости от фильтрующего материала, фильтры принято делить на тканевые, волокнистые, пористые и зернистые (из сыпучих материалов). В тканевых фильтрах используют не только ткани, но и нетканые материалы, такие как войлок или фетр. Фильтры из хлопчатобумажных тканей применяются для фильтрации нейтральных и щелочных газов при относительно невысокой температуре. В волокнистых фильтрах применяют набивные слои из натуральных или синтетических волокон, шлаковаты, стружки металлов или полимерных материалов, а так же сформированные слои (фильтровальная бумага, картон). Широкое распространение получили фильтры из синтетического и стеклянного волокна. Они обладают высокой термостойкостью и механической прочностью. Наиболее распространенными пылеулавливающими аппаратами, работающими по методу фильтрации, являются рукавные фильтры, которые представляют из себя мешок, натянутый на трубчатую раму. Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяют волокнистые фильтры - туманоулавители улавливающие частицы размером менее 3 мкм, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности волокон с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести. Эффективность очистки составляет 90-99 %.

Рис. 5.

1 - распределительная коробка для подачи газа; 2 - рукава для оседания пыли; 3 - встряхивающее устройство; 4 - шнек для удаления осевшей пыли; 5 - коллектор для выпуска очищенного газа атмосферу.

Рис. 6.

Физические методы

Физические методы базируются на использовании электрических и электростатических полей, процессов охлаждения, конденсации и кристаллизации. Электростатическая очистка газов осуществляется в вертикальных и горизонтальных электрофильтрах, она основана на электризации загрязняющих частиц размером до 0,1 мкм и выделении их из газа под действием электрического поля (до 50 кВ), создаваемого специальными электродами.

Электрофильтры - одно - или двухсекционные аппараты прямоугольной формы (рис.18). Корпуса аппаратов - стальные, покрытые снаружи теплоизоляцией. Активная зона электрофильтров состоит из осадительных электродов (плоских полотен, набранных из пластинчатых элементов специального профиля) и коронирующих электродов (трубчатых рам, в которых натянуты коронирующие элементы). Расстояние между соседними осадительными электродами (300 мм) является также шириной единичного газового прохода. Удаление уловленной пыли с электродов - механическое, путем периодического встряхивания их ударами молотков

По способу удаления осаждающихся на электродах частиц различают сухие и мокрые электрофильтры. Сухие электрофильтры используются для удаления сухой пыли, а мокрые применяют для очистки газов от паров кислот: серной, соляной, азотной. Эффект очистки составляет 97-99 %.

Рис. 7.

1 - осадительные элетроды; 2 - коронирующие электроды

Физико-химические методы

Физико-химические методы основаны на физико-химических взаимодействиях загрязнителей с очищающими агентами. К таким методам относятся: абсорбция, хемосорбция, адсорбция, каталитический метод, термический метод.

Абсорбция основана на разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Для удаления из выбросов аммиака, хлористого и фтористого водорода применяют воду. Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту. В настоящее время наибольшее распространение в качестве абсорберов получили скрубберы-абсорберы

Рис. 8.

1 - насадка; 2 - разбрызгиватель

Адсорбция основана на извлечении из газов смесей вредных примесей с помощью твердых адсорбентов. Наиболее широко в качестве адсорбента используется активированный уголь, кроме того, существуют и такие сорбенты, как активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты. Некоторые адсорбенты пропитывают реактивами, повышающими эффективность адсорбции и превращающими вредную примесь в безвредную за счет происходящей на поверхности адсорбента хемосорбции. Основным очистным оборудованием являются вертикальные, горизонтальные, скрубберы - адсорберы.

Хемосорбция основана на поглощении газов и паров жидкими и твердыми поглотителями с образованием химических соединений. Этот метод используется для удаления из выбросов сероводорода и окислов азота. В качестве очистного оборудования используются скрубберы, а химическими поглотителями являются мышьякощавелевые и этаноламиновые растворы.

Каталитический метод очистки заключается в селективном ускорении химической реакции и превращении загрязнителя в безвредное вещество. Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические нейтрализаторы, в которых загрязненный воздух пропускают над катализатором, чаще всего оксидом алюминия. С помощью такого очистного оборудования можно очистить воздух от угарного газа, углеводородов, окислов азота. В жидкостных нейтрализаторах применяют для уменьшения содержания альдегидов и оксидов азота 10 % -ные водные растворы Na 2 SO 3 или NaHSO 4 с добавкой 0,5 % -ного основного реагента для предохранения от преждевременного окисления. Таким методом может быть достигнута полная очистка газов от альдегидов, а содержание оксидов азота снижено на 70 %.

Рис. 9. 1 - корпус; 2 - реактор;

3 - сетка; 4 - теплоизоляция; 5 - катализатор; 6 - фланец

Термический метод основан на дожигании и термической деструкции вредных веществ в выбросах. Используется в том случае, когда вредные примеси в выбросах горючи. Этот метод применяют для очистки выбросов от лакокрасочных и пропиточных участков. Системы термического и огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки до 99 %.

Биологический метод

В природных условиях аэрозоли микроэлементов могут удаляться с поверхности листьев дождем, ветром или вместе со слоем кутикулярного воска. Кроме того, удаление происходит за счет абсорбции микроэлементов листьями с последующей транслокацией. Удаление аэрозолей с листьев дождем зависит от характера поверхности листа и характеристик микроэлементов.

Все растения обнаруживают способность избирательно извлекать химические элементы. В условиях окружающей среды сложного геохимического состава растения выработали механизмы активного поглощения элементов, участвующих в жизненных процессах, и удаления токсичных избытков других элементов.

У растений в ходе эволюции и в течение жизни вырабатываются механизмы, приводящие к адаптации и нечувствительности к изменению химического баланса в окружающей среде. Поэтому реакции растений на микроэлементы в почве и окружающем воздухе должны всегда рассматриваться для конкретной системы почва - растение.

Надземные части растений - это коллекторы всех атмосферных загрязнителей. Химический состав городских растений может служить индикатором для выделения загрязненных областей.

Очистные сооружения промышленных предприятий пока не позволяют полностью освобождать отходы производства от вредных примесей. Поэтому дополнительным способом доочистки воздуха является биологический. Роль биологического фильтра играет растительность, в первую очередь, древесная. Безудержная эксплуатация и сведение лесов, расширение сельскохозяйственных посевов сокращают продуктивность работы зеленого фильтра, как по площади, так и по времени. Известно, что агроценозы, даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам по суммарной за год биологической продуктивности в сходных экологических условиях. Следовательно, так же уменьшается фотосинтетическая деятельность, обеспечивающая необходимый баланс СО 2 и О 2 в атмосфере и связывание атмосферных загрязнителей. Проблема сохранения "зеленых легких" планеты и их биосферной функции стоит достаточно остро.

Результаты исследований свидетельствуют о важной роли древесных растений в процессах выведения газообразных примесей из атмосферного воздуха. При этом многие считают, что основной способ снижения уровня загрязнения воздуха - технологический (фильтры, уловители), а биологический способ можно рассматривать только как дополнительный, вспомогательный.

Наземные органы растений активно реагируют на повышение концентрации химических элементов в почве, накапливая их выше уровня, необходимого для обеспечения нормального роста и развития растений. Растения могут усваивать, и вовлекать в метаболизм двуокись серы, окислы азота, аммиак, подобно ассимиляции листьями углекислого газа. В условиях повышенного содержания в атмосфере этих газов в тканях происходит значительное увеличение содержания азота и серы.

Поглотительная способность насаждений зависит от состава пород, полноты, класса бонитета, возраста, ассимиляционной поверхности крон деревьев, длительности вегетации. Наибольшей поглотительной способностью обладают древесные растения. За ними, по мере снижения поглотительной способности, идут местные сорные травы, цветочные растения и газонные травы. В фитоценозах газы поглощают не только растительность, но и почва, вода, подстилка, поверхность стволов и ветвей деревьев и другие элементы. Изучалось влияние выхлопных газов автотранспорта на видовой и количественный состав лесного напочвенного покрова. В результате чего было установлено, что на всех пробных площадях наибольшее распространение в лесном напочвенном покрове получила будра плющевидная.

Роль отдельных компонентов экосистемы в поглощении поллютантов можно определить только экспериментально. В природных условиях распределение поллютанта в экосистеме зависит от характера загрязнения воздуха и процессов транслокации ингредиента в экосистеме, как под влиянием биологических процессов, так и экологических условий.

На поглощение поллютанта растениями и отдельными элементами экосистем влияют экологические факторы. В оптимальных для фитоценоза условиях (повышенная освещенность и влажность воздуха, температура +25.30°С) лучше выражено и поглощение вредных газов растениями. В неблагоприятных для фитоценоза условиях снижается поглощение газов растительностью и усиливается роль почвы.

Лесные зеленые насаждения можно рассматривать как промышленный фитофильтр, призванный обезвредить атмосферные загрязнители. Критерием эффективности его работы должна быть способность снижать уровень загрязнения воздуха до предельно допустимых концентраций.

План

Введение

1. Методы очистки атмосферы

2. Биоремедиация атмосферы

Заключение

Список литературы

Введение

Проблема очистки воздуха в зоне жизни человека от разнообразных загрязнений, вносимых промышленностью, от аэрозолей и бактерий является одной из наиболее актуальных проблем. Трактаты по вопросу все чаще и чаще поя

вляются как вопль о надвигающейся катастрофе. Этот вопрос приобрел особое значение после изобретения атомных и водородных бомб, ибо атмосферный воздух стал все более и более насыщаться осколками ядерного распада. Эти осколки в форме высокодисперсных взвешенных веществ при взрыве поднимаются в атмосферу на большую высоту, затем в течение короткого времени растекаются по всему атмосферному океану и постепенно падают на поверхность земли в виде тонкой радиоактивной пыли, или уносятся осадками - дождем и снегом. И являются угрозой человеку в любой точке поверхности нашей планеты.

1. Методы очистки атмосферы

Все методы очистки делятся на регенеративные и деструктивные. Первые позволяют возвращать в производство компоненты выбросов, вторые трансформируют эти компоненты в менее вредные.

Методы очистки газовых выбросов можно разделить по типу обрабатываемого компонента (очистка от аэрозолей – от пыли и тумана, очистка от кислых и нейтральных газов и так далее).

· Электрические методы очистки.

При этом способе очистки газовый поток направляется в электрофильтр, где проходит в пространстве между двумя электродами – коронирующим и осадительным. Частицы пыли заряжаются, движутся к осадительному электроду, разряжаются на нем. Таким методом можно очищать пыли с удельным сопротивлением от 100 до 100 млн. Ом*м. Пыли с меньшим удельным сопротивлением сразу же разряжаются и улетают, а с большим – образуют плотный изолирующий слой на осадительным электроде, резко уменьшая степень очистки. Методом электрической очистки можно удалять не только пыли, но и туманы. Очистка электрофильтров производится путем смыва пыли водой, вибрацией или с помощью ударно-молоткового механизма.

· Различные мокрые методы.

Использование пенных аппаратов, скрубберов.

Для очистки от газов применяют следующие методы:

· Адсорбция.

То есть поглощение твёрдым веществом газового (в нашем случае) компонента. В качестве адсорбентов (поглотителей) применяют активные угли различных марок, цеолиты, силикагель и другие вещества. Адсорбция – надёжный способ, позволяющий достигать высоких степеней очистки; кроме того, это регенеративный метод, то есть уловленный ценный компонент можно вернуть обратно в производство. Применяется периодическая и непрерывная адсорбция. В первом случае по достижении полной адсорбционной емкости адсорбента газовый поток направляют в другой адсорбер, а адсорбент регенерируют – для этого используется отдувка острым паром или горячим газом. Затем ценный компонент можно получить из конденсата (если для регенерации использовался острый пар); для этой цели используется ректификация, экстракция или отстаивание (последнее возможно в случае взаимной нерастворимости воды и ценного компонента). При непрерывной адсорбции слой адсорбента постоянно перемещается: часть его работает на поглощение, часть – регенерируется. Это, конечно, способствует истиранию адсорбента. В случае достаточной стоимости регенерируемого компонента использование адсорбции может быть выгодным. Например, недавно (весной 2001 года) проведенный для одного из кабельных заводов расчёт участка рекуперации ксилола показал, что срок окупаемости составит менее года. При этом 600 т ксилола, которые ежегодно попадали в атмосферу, будут возвращены в производство.

· Абсорбция.

То есть поглощение газов жидкостью. Этот метод основан либо на процессе растворения газовых компонентов в жидкости (физическая адсорбция), либо на растворении вместе с химической реакцией – химическая адсорбция (например, поглощение кислого газа раствором с щелочной реакцией). Этот метод также является регенеративным, из полученного раствора можно выделить ценный компонент (при использовании химической адсорбции это не всегда возможно). В любом случае вода очищается и хотя бы частично возвращается в систему оборотного водоснабжения.

· Термические методы.

Являются деструктивными. При достаточной теплотворной способности выбросного газа его можно сжечь напрямую (все видели факелы, на которых горит попутный газ), можно применить каталитическое окисление, или (при малой теплотворной способности газа) использовать его в качестве дутьевого газа в печах. Получающиеся в результате термического разложения компоненты должны быть менее опасными для окружающей среды, чем исходный компонент (например, органические соединения можно окислить до углекислого газа и воды – если нет других элементов, кроме кислорода, углерода и водорода). Этот метод позволяет добиться высокой степени очистки, но может стоить дорого, особенно если используется дополнительное топливо.

· Различные химические методы очистки.

Как правило связанные с использованием катализаторов. Таковым, например, является каталитическое восстановление оксидов азота из выхлопных газов автотранспорта (в общем виде механизм этой реакции описывается схемой:

CnHm + NOx + CO----->CO2 + H2O +N2,

где в качестве катализатора kt используется платина, палладий, рутений или другие вещества). Методы могут требовать применения реагентов и дорогих катализаторов.

· Биологическая очистка.

Для разложения загрязняющих веществ используются специально подобранные культуры микроорганизмов. Метод отличается низкими затратами (реагентов используется мало и они дешевые, главное - микроорганизмы живые и размножаются сами, используя загрязнения как пищу), достаточно высокой степенью очистки, но в нашей стране, в отличие от Запада, широко распространения, к сожалению, пока не получил.

· Аэроионы - мельчайшие жидкие или твердые частицы, заряженные положительно или отрицательно. Особенно благоприятно действие отрицательных (легких аэроионов). Их справедливо называют витаминами воздуха.

Механизм действия отрицательных аэроионов на взвешенные в воздухе частицы состоит в следующем. Отрицательные аэроионы воздуха заряжают (или перезаряжают) пыль и микрофлору, находящиеся в воздухе, до определенного потенциала, пропорционально их радиусу. Заряженные пылевые частицы или микроорганизмы начинают двигаться вдоль силовых линий электрического поля по направлению к противоположно (положительно) заряженному полюсу, т.е. к земле, к стенам и потолку. Если выразить в длинах силы гравитации и силы электрические, действующие на тонкодисперсную пыль, то легко можно увидеть, что электрические силы превосходят силы гравитации в тысячи раз. Это дает возможность по желанию строго направлять движение облака тонкодисперсной пыли и очищать, таким образом воздух в данном месте. При отсутствии электрического поля и диффузном движении отрицательных аэроионов между каждым движущимся аэроионом и положительно заряженной землей (полом) возникают силовые линии, вдоль которых движется данный аэроион вместе с частичкой пыли или бактерией. Осевшие на поверхности пола, потолка и стен микроорганизмы могут периодически удаляться.

Механические методы

1.Инерционные пылеуловители - используется механизм гравитационного осаждения частиц из горизонтально направленного потока газов. Улавливаются крупнодисперсные частиц размером 50 мкм и больше. Используются в качестве устройств предварительной обработки газов, например, для отделения крупных частиц и разгрузки аппаратов последующих ступеней.

2. Циклоны (рис.), Принцип действия основан на использовании центробежной силы, возникающей при вращательно-поступательном движении газового потока. Центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам корпуса циклона, затем частицы пыли, стекая по стенкам, выпадают в бункер, а очищенный газ через расположенный по оси циклона выхлопной патрубок выбрасываются в атмосферу или поступают к потребителю. Используются для удаления золы из дымовых газов и сухой (древесной, асбоцементной, металлической) пыли с размером частиц 25–30 мкм из воздуха. Циклоны составляют самую многочисленную группу экотехнической аппаратуры – более 90 % от общего числа применяемых в промышленности пылеуловителей. Ими улавливается более 80 % от общей массы уловленной всеми аппаратами пыли

1 - загрязненный поток;

2 - уловленная взвесь

3. Фильтры При применении тканевых пылеуловителей степень очистки воздуха может составлять 99% и более. При пропускании запыленного воздуха через ткань, содержащаяся в нем пыль задерживается в порах фильтрующего материала или на слое пыли, накапливающейся на его поверхности.

Тканевые пылеуловители по форме фильтрующей поверхности выполняют рукавными и рамочными. В качестве фильтрующего материала применяют хлопчатобумажные ткани, фильтр-сукно, капрон, шерсть, нитрон, лавсан, стеклоткань и различные сетки.

1 - загрязненный поток; 2 - рукава из ворсистой ткани; 3 - очищенный поток

Физические методы

1. Электрофильтры – одно- или двухсекционные аппараты прямоугольной формы, устройство, в к-ром очистка газов от аэрозольных, твердых или жидких частиц происходит под действием электрич. сил (рис.). Активная зона электрофильтров состоит из осадительных электродов (плоских полотен, набранных из пластинчатых элементов специального профиля) и коронирующих электродов (трубчатых рам, в которых натянуты коронирующие элементы). Э., в к-рых улавливаемые твердые частицы удаляются с электродов встряхиванием, наз. сухими, а те, в к-рых осаж. частицы смываются с электродов жидкостью или улавливаются жидкие частицы (туман, брызги), - мокрыми. Сухие электрофильтры используются для удаления сухой пыли, а мокрые применяют для очистки газов от паров кислот: серной, соляной, азотной. Эффект очистки составляет 97–99 %.

Рис. Однозонный электрофильтр с поперечным движением газа

1 – осадительные элетроды; 2 – коронирующие электроды

Физико-химические методы

Физико-химические методы основаны на физико-химических взаимодействиях загрязнителей с очищающими агентами. К таким методам относятся:абсорбция, хемосорбция, адсорбция, каталитический метод, термический метод.

1. Абсорбция основана на разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения газовых компонентов этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Для удаления из выбросов аммиака, хлористого и фтористого водорода применяют воду. Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту. В настоящее время наибольшее распространение в качестве абсорберов получили скрубберы-абсорберы (рис.).

Рис. . Орошаемый скруббер-абсорбер с насадкой: 1 – насадка; 2 – разбрызгиватель

2.Адсорбци я основана на извлечении из газов смесей вредных примесей с помощью твердых адсорбентов. Наиболее широко в качестве адсорбентаиспользуется активированный уголь, кроме того, существуют и такие сорбенты, как активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты. Некоторые адсорбенты пропитывают реактивами, повышающими эффективность адсорбции и превращающими вредную примесь в безвредную за счет происходящей на поверхности адсорбента хемосорбции. Основным очистным оборудованием являются вертикальные, горизонтальные, скрубберы – адсорберы. 1 - сетка; 2 - адсорбент; 3 - очищенный поток; 4 - загрязненный поток

3. Хемосорбция основана на поглощении газов и паров жидкими и твердыми поглотителями с образованием химических соединений. Этот метод используется для удаления из выбросов сероводорода и окислов азота. В качестве очистного оборудования используются скрубберы, а химическими поглотителями являются мышьякощавелевые и этаноламиновые растворы.

4. Каталитический метод очистки заключается в селективном ускорении химической реакции и превращении загрязнителя в безвредное вещество (рис.). Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические нейтрализаторы, в которых загрязненный воздух пропускают над катализатором, чаще всего оксидом алюминия. С помощью такого очистного оборудования можно очистить воздух от угарного газа, углеводородов, окислов азота. В жидкостных нейтрализаторах применяют для уменьшения содержания альдегидов и оксидов азота
10 %-ные водные растворы Na 2 SO 3 или NaHSO 4 с добавкой 0,5 %-ного основного реагента для предохранения от преждевременного окисления. Таким методом может быть достигнута полная очистка газов от альдегидов, а содержание оксидов азота снижено на 70 %.

Рис.. Каталитический нейтрализатор: 1 – корпус; 2 – реактор;
3 – сетка; 4 – теплоизоляция; 5 – катализатор; 6 – фланец

5. Термический метод основан на дожигании и термической деструкции вредных веществ в выбросах. Используется в том случае, когда вредные примеси в выбросах горючи. Этот метод применяют для очистки выбросов от лакокрасочных и пропиточных участков. Системы термического и огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки до 99 %.

В настоящее время существует большое количество различных методов очистки воздуха от различных вредных загрязнений. К основным способам относятся:

• Абсорбционный метод.
• Адсорбционный метод.
• Термическое дожигание.
• Термокаталитические методы.
• Озонные методы.
• Плазмохимические методы.
• Плазмокаталитический метод.
• Фотокаталитический метод.

Абсорбционный метод

А бсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе. Абсорбционные системы разделяют на водные и неводные. Во втором случае применяют обычно малолетучие органические жидкости. Жидкость используют для абсорбции только один раз или же проводят ее регенерацию, выделяя загрязнитель в чистом виде. Схемы с однократным использованием поглотителя применяют в тех случаях, когда абсорбция приводит непосредственно к получению готового продукта или полупродукта. В качестве примеров можно назвать:

• получение минеральных кислот (абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты, абсорбция оксидов азота в производстве азотной кислоты);
• получение солей (абсорбция оксидов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков, абсорбция водными растворами извести или известняка с получением сульфата кальция);
• других веществ (абсорбция NH 3 водой для получения аммиачной воды и др.).

А дсорбционный метод

А дсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Только в США введены и успешно эксплуатируются десятки тысяч адсорбционных систем. Основными промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он менее селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации растворителей и т.д.

О ксидные адсорбенты (ОА) обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам в силу собственного неоднородного распределения электрического потенциала. Их недостатком является снижение эффективности в присутствии влаги. К классу ОА относят силикагели, синтетические цеолиты, оксид алюминия.

М ожно выделить следующие основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки:

• После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других примесей.
• После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий, пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей.
• После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемосорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов.

Термическое дожигание

Д ожигание представляет собой метод обезвреживания газов путем термического окисления различных вредных веществ, главным образом органических, в практически безвредных или менее вредных, преимущественно СО 2 и Н 2 О. Обычные температуры дожигания для большинства соединений лежат в интервале 750-1200 °C. Применение термических методов дожигания позволяет достичь 99%-ной очистки газов.

П ри рассмотрении возможности и целесообразности термического обезвреживания необходимо учитывать характер образующихся продуктов горения. Продукты сжигания газов, содержащих соединения серы, галогенов, фосфора, могут превосходить по токсичности исходный газовый выброс. В этом случае необходима дополнительная очистка. Термическое дожигание весьма эффективно при обезвреживании газов, содержащих токсичные веществав виде твердых включений органического происхождения (сажа, частицы углерода, древесная пыль и т.д.).

В ажнейшими факторами, определяющими целесообразность термического обезвреживания, являются затраты энергии (топлива) для обеспечения высоких температур в зоне реакции, калорийность обезвреживаемых примесей, возможность предварительного подогрева очищаемых газов. Повышение концентрации дожигаемых примесей ведет к значительному снижению расхода топлива. В отдельных случаях процесс может протекать в автотермическом режиме, т. е. рабочий режим поддерживается только за счет тепла реакции глубокого окисления вредных примесей и предварительного подогрева исходной смеси отходящими обезвреженными газами.

П ринципиальную трудность при использовании термического дожигания создает образование вторичных загрязнителей, таких как оксиды азота, хлор, SO 2 и др.

Т ермические методы широко применяются для очистки отходящих газов от токсичных горючих соединений. Разработанные в последние годы установки дожигания отличаются компактностью и низкими энергозатратами. Применение термических методов эффективно для дожигания пыли многокомпонентных и запыленных отходящих газов.

Термокаталитические методы

К аталитические методы газоочистки отличаются универсальностью. С их помощью можно освобождать газы от оксидов серы и азота, различных органических соединений, монооксида углерода и других токсичных примесей. Каталитические методы позволяют преобразовывать вредные примеси в безвредные, менее вредные и даже полезные. Они дают возможность перерабатывать многокомпонентные газы с малыми начальными концентрациями вредных примесей, добиваться высоких степеней очистки, вести процесс непрерывно, избегать образования вторичных загрязнителей. Применение каталитических методов чаще всего ограничивается трудностью поиска и изготовления пригодных для длительной эксплуатации и достаточно дешевых катализаторов. Гетерогенно-каталитическое превращение газообразных примесей осуществляют в реакторе, загруженном твердым катализатором в виде пористых гранул, колец, шариков или блоков со структурой, близкой к сотовой. Химическое превращение происходит на развитой внутренней поверхности катализаторов, достигающей 1000 м²/г.

В качестве эффективных катализаторов, находящих применение на практике, служат самые различные вещества – от минералов, которые используются почти без всякой предварительной обработки, и простых массивных металлов до сложных соединений заданного состава и строения. Обычно каталитическую активность проявляют твердые вещества с ионными или металлическими связями, обладающие сильными межатомными полями. Одно из основных требований, предъявляемых к катализатору — устойчивость его структуры в условиях реакции. Например, металлы не должны в процессе реакции превращаться в неактивные соединения.

С овременные катализаторы обезвреживания характеризуются высокой активностью и селективностью, механической прочностью и устойчивостью к действию ядов и температур. Промышленные катализаторы, изготавливаемые в виде колец и блоков сотовой структуры, обладают малым гидродинамическим сопротивлением и высокой внешней удельной поверхностью.

Н аибольшее распространение получили каталитические методы обезвреживания отходящих газов в неподвижном слое катализатора. Можно выделить два принципиально различных метода осуществления процесса газоочистки — в стационарном и в искусственно создаваемом нестационарном режимах.

1. Стационарный метод.

П риемлемые для практики скорости химических реакций достигаются на большинстве дешевых промышленных катализаторов при температуре 200-600 °C. После предварительной очистки от пыли (до 20 мг/м³) и различных каталитических ядов (As,Cl 2 и др.), газы обычно имеют значительно более низкую температуру.

П одогрев газов до необходимых температур можно осуществлять за счет ввода горячих дымовых газов или с помощью электроподогревателя. После прохождения слоя катализатора очищенные газы выбрасываются в атмосферу, что требует значительных энергозатрат. Добиться снижения энергозатрат можно, если тепло отходящих газов использовать для нагревания газов, поступающих в очистку. Для нагрева служат обычно рекуперативные трубчатые теплообменники.

П ри определенных условиях, когда концентрация горючих примесей в отходящих газах превышает 4-5 г/м³, осуществление процесса по схеме с теплообменником позволяет обойтись без дополнительных затрат.

Т акие аппараты могут эффективно работать только при постоянных концентрациях (расходах) или при использовании совершенных систем автоматического управления процессом.

Э ти трудности удается преодолеть, проводя газоочистку в нестационарном режиме.

2. Нестационарный метод (реверс-процесс).

Р еверс-процесс предусматривает периодическое изменение направлений фильтрации газовой смеси в слое катализатора с помощью специальных клапанов. Процесс протекаетследующим образом. Слой катализатора предварительно нагревают до температуры, при которой каталитический процесс протекает с высокой скоростью. После этого в аппарат подают очищенный газ с низкой температурой, при которой скорость химического превращения пренебрежимо мала. От прямого контакта с твердым материалом газ нагревается, и в слое катализатора начинает с заметной скоростью идти каталитическая реакция. Слой твердого материала (катализатора), отдавая тепло газу, постепенно охлаждается до температуры, равной температуре газа на входе. Поскольку в ходе реакции выделяется тепло, температура в слое может превышать температуру начального разогрева. В реакторе формируется тепловая волна, которая перемещается в направлении фильтрации реакционной смеси, т.е. в направлении выхода из слоя. Периодическое переключение направления подачи газа на противоположное позволяет удержать тепловую волну в пределах слоя как угодно долго.

П реимущество этого метода в устойчивости работы при колебаниях концентраций горючих смесей и отсутствие теплообменников.

О сновным направлением развития термокаталитических методов является создание дешевых катализаторов, эффективно работающих при низких температурах и устойчивых к различным ядам, а также разработка энергосберегающих технологических процессов с малыми капитальными затратами на оборудование. Наиболее массовое применение термокаталитические методы находят при очистке газов от оксидов азота, обезвреживании и утилизации разнообразных сернистых соединений, обезвреживания органических соединений и СО.

Д ля концентраций ниже 1 г/м³ и больших объемов очищаемых газов использование термокаталитического метода требует высоких энергозатрат, а также большого количества катализатора.

Озонные методы

О зонные методы применяют для обезвреживания дымовых газов от SO 2 (NOx) и дезодорации газовых выбросов промышленных предприятий. Введение озона ускоряет реакции окисление NO до NO 2 и SO 2 до SO 3 . После образования NO 2 и SO 3 в дымовые газы вводят аммиак и выделяют смесь образовавшихся комплексных удобрений (сульфата и нитрата аммония). Время контакта газа с озоном, необходимое для очистки от SO 2 (80-90%) и NOx (70-80%)составляет 0,4 – 0,9 сек. Энергозатраты на очистку газов озонным методом оценивают в 4-4,5% от эквивалентной мощности энергоблока, что является, по-видимому, основной причиной, сдерживающей промышленное применение данного метода.

П рименение озона для дезодорации газовых выбросов основано на окислительном разложении дурно пахнущих веществ. В одной группе методов озон вводят непосредственно в очищаемые газы, в другой газы промывают предварительно озонированной водой. Применяют также последующее пропускание озонированного газа через слой активированного угля или подачуего на катализатор. При вводе озона и последующем пропускании газа через катализатор температура превращения таких веществ как амины, ацетальдегид, сероводород и др.понижается до 60-80 °C. В качестве катализатора используют как Pt/Al 2 O 3 , так и оксиды меди, кобальта, железа на носителе. Основное применение озонные методы дезодорации находят при очистке газов, которые выделяются при переработке сырья животного происхождения на мясо- (жиро-)комбинатах и в быту.

П лазмохимический метод

П лазмохимический метод основан на пропускании через высоковольтный разряд воздушной смеси с вредными примесями. Используют, как правило, озонаторы на основе барьерных,коронных или скользящих разрядов, либо импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах. Проходящий низкотемпературную плазму воздух с примесями подвергается бомбардировке электронами и ионами. В результате в газовой среде образуется атомарный кислород, озон, гидроксильные группы, возбуждённые молекулы и атомы, которые и участвуют в плазмохимических реакциях с вредными примесями. Основные направления по применению данного метода идут по удалению SO 2 , NOx и органических соединений. Использование аммиака, при нейтрализации SO 2 и NOx, дает на выходе после реактора порошкообразные удобрения (NH 4) 2 SO 4 и NH 4 NH 3 , которые фильтруются.

Н едостатком данного метода являются:

• недостаточно полное разложение вредных веществ до воды и углекислого газа, в случае окисления органических компонентов, при приемлимых энергиях разряда
• наличие остаточного озона, который необходимо разлагать термически либо каталитически
• существенная зависимость от концентрации пыли при использовании озонаторов с применением барьерного разряда.

П лазмокаталитический метод

Э то довольно новый способ очистки, который использует два известных метода – плазмохимический и каталитический. Установки, работающие на основе этого метода, состоят из двух ступеней. Первая – это плазмохимический реактор (озонатор), вторая — каталитический реактор. Газообразные загрязнители, проходя зону высоковольтного разряда в газоразрядных ячейках и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в безвредные соединения, вплоть до CO 2 и H 2 O. Глубина конверсии (очистки) зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции. После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе. Синтезируемый в газовом разряде плазмохимического реактора озон попадает на катализатор, где сразу распадается на активный атомарный и молекулярный кислород. Остатки загрязняющих веществ (активные радикалы, возбужденные атомы и молекулы), не уничтоженные в плазмохимическом реакторе, разрушаются на катализаторе благодаря глубокому окислению кислородом.

П реимуществом этого метода являются использование каталитических реакций при температурах, более низких (40-100 °C), чем при термокаталитическом методе, что приводит к увеличению срока службы катализаторов, а также к меньшим энергозатратам (при концентрациях вредных веществ до 0,5 г/м³.).

Н едостатками данного метода являются:

• большая зависимость от концентрации пыли, необходимость предварительной очистки до концентрации 3-5 мг/м³,
• при больших концентрациях вредных веществ(свыше 1 г/м³) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы превышают соответствующие затраты в сравнении с термокаталитическим методом

Ф отокаталитический метод

С ейчас широко изучается и развивается фотокаталитический метод окисления органических соединений. В основном при этом используются катализаторы на основе TiO 2 , которые облучаются ультрафиолетом. Известны бытовые очистители воздуха японской фирмы «Daikin», использующие этот метод. Недостатком метода является засорение катализатора продуктами реакции. Для решения этой задачи используют введение в очищаемую смесь озона, однако данная технология применима для ограниченного состава органических соединений и при небольших концентрациях.