Химическая промышленность – это отрасль народного хозяйства, производящая различные виды химической продукции для всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, сферы потребления. Она производит продукты основной химии – аммиак, неорганические кислоты, щелочи, минеральные удобрения, соду, хлор и хлорпродукты, сжиженные газы; продукты органического синтеза – кислоты, спирты, эфиры, элементоорганические соединения, углеводороды, органические полупродукты, красители; синтетические материалы – смолы, пластмассы, химические и синтетические волокна, химические реактивы, товары бытовой химии и др. Важное место в отрасли занимают нефтеперерабатывающие и нефтехимические производства. Основными выбросами химических предприятий являются газы, пары и пыль химических соединений. В зависимости от агрегатного состояния содержащихся в них примесей, выбросы химических предприятий подразделяются на классы: 1й класс – газообразные и парообразные (SO2, СО, NOx , H2S, CS2, NH3, углеводороды, фенолы и т. д.); 2й класс – жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, растворы жидких металлов и их солей, органические соединения); 3й класс – твердые (органические и неорганические пыли, сажа, смолистые вещества, свинец и его соединения и т. д.); 4й класс – смешанные (различные комбинации классов). Выбросы химических предприятий содержат чаще всего одновременно несколько групп веществ, основная масса которых обладает неблагоприятным воздействием на компоненты биосферы. Условно эти продукты можно разделить: на вещества, применяемые в технологическом процессе и сохраняющие свои химические свойства при выделении в окружающую среду; продукты побочных реакций или примеси; продукты превращения с изменением первоначальных свойств и появлением новых; вещества, представляющие собой смеси однородных веществ. Повышенное выделение экотоксикантов наблюдается при использовании высоких температур, термоокислительных реакций (пиролиз), процессов фильтрации, транспортировке и затаривании сыпучих материалов, при очистке аппаратуры от остатков сырья и т. д. По степени негативного воздействия на все ее компоненты, следует выделить такие вещества, как CO, NOx , SO2, СО2, SO3 фенолы, нефтяные газы, образующиеся в процессах переработки нефти и нефтепродуктов, ароматические углеводороды, спирты, эфиры, галогенопроизводные углеводородов, кетоны и др., сероводород, сероуглерод, фториды, аммиак, сажа и др. СО получается при неполном сгорании углеродистых веществ, в воздух попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. СО2 является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы, способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта. SO2 выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд, в цветной и черной металлургии, при химических процессах получения серной кислоты, сульфитов, производства удобрений, целлюлозы, очистке нефтепродуктов и т. д. Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков горнорудных отвалов. SO2 ядовит, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Длительное его вдыхание даже в небольших количествах ведет к развитию хронических заболеваний легких. Находясь в воздухе, он окисляется до SO3 и при соединении с атмосферной влагой образует серную кислоту, которая в виде кислотных дождей наносит вред растительности, особенно хвойным лесам, подкисляет почву и воду, ускоряет процессы коррозии металлов, разрушает конструкции зданий. SO3 образуется при окислении SO2. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. H2S и CS2. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, a также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействие с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до SO3. NOx . Основными источниками выбросов являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. NOx сами по себе весьма токсичны, участвуют в химических реакциях при образовании смогов. NOx способствуют образованию кислотных дождей, существенно влияющих на лито и гидросферу. Избыточное количество соединений азота разрушает структуру почвы, снижает плодородие, вызывает минеральный дисбаланс в растениях, повышает содержание нитритов и нитратов в продуктах растениеводства и животноводства. Основная масса оксидов азота образуется при сжигании всех видов ископаемого топлива в результате окисления азота при высоких температурах в топках котлов и печей. Другим источником поступления NOx в атмосферу являются двигатели внутреннего сгорания. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений – фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом, являются сильными инсектицидами. Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется природой соединений и их концентрацией. К числу особо опасных веществ, источником которых является химическая промышленность, относятся стойкие органические загрязнители (СОЗ: пестициды – альдрин, хлордан, дильдрин, эндрин, гептахлор, мирекс, токсафен и ДДТ; гексахлорбензол; полихлорированные бифенилы (ПХБ) – соединения, использующиеся в качестве компонентов электротехнических жидкостей, а также образующиеся в качестве побочных продуктов на некоторых химических производствах; полихлорированные дибензопдиоксины и дибензофураны – соединения, которые образуются как побочные продукты в некоторых химических производствах, а также при высокотемпературных процессах или процессах, связанных с использованием хлора (например, при сжигании бытовых отходов, содержащих хлорированные полимеры, при отбеливании бумаги и хлорировании воды и т. д.)), обладающие прямым токсическим действием на все компоненты биосферы, является чрезвычайно медленное разрушение в окружающей среде и способность накапливаться в пищевых цепях.
Нефтехимический синтез – основной технологический процесс нефтехимической промышленности, включающий такие процессы, как пиролиз (расщепление молекул углеводородов нефти и газа при температуре 630–700 °С и повышенном атмосферном давлении), гидратация (присоединение к молекуле олефина воды происходит с подогревом исходного сырья под давлением 70 атм), дегидрирование (отщепление водорода от углеводородов при температуре до 600 °С), алкилирование, полимеризация и т. д.). Многие процессы протекают в присутствии катализаторов (оксидов хрома, никеля, кобальта и др.). Загрязнение различными химическими веществами окружающей среды – главный неблагоприятный фактор переработки нефти. Например: производство синтетического этилового спирта методом прямой гидратации этилена – источник непредельных углеводородов, паров аммиака, этилового спирта; производство ацетилена – источник углеводородов, синильной кислоты, диметиламина и муравьиной кислоты, диметилформамида; производство синтетического фенола и ацетона – источник фенола, ацетона, бензола, углеводородов олефинового ряда, ацетонфенола, изопропилбензола и др. Основными причинами загрязнения окружающей среды нефтехимическими производствами являются: недостаточная герметичность коммуникаций, сальникового уплотнения насосов, неплотности во фланцевых соединениях, периодичность процессов и ручных операций, аппараты, работающие под избыточным давлением с подогревом используемого исходного сырья, неудовлетворительная планировка зданий, малая эффективность средств очистки. Методы переработки нефти делятся на первичные и вторичные. Первичные представляют собой физические методы разделения нефти, основанные на разных температурных интервалах кипения ее отдельных фракций –прямая перегонка. Вторичные – химические методы, предусматривающие полное преобразование нефтяного сырья в результате глубоких структурных превращений углеводородов под воздействием повышенных температур и давления с использованием катализаторов. Это различные виды крекинга и риформинга нефтепродуктов.
Зона загрязнения воздуха мощных нефтеперерабатывающих заводов простирается на расстояние 20 и более километров. Количество выделяющихся вредных веществ определяется мощностью НПЗ и составляет: углеводороды – 1,5–2,8; сероводород 0,0025–0,0035 на 1 % серы в нефти; оксид углерода 30–40 % от массы сжигаемого топлива; сернистый ангидрид – 200 % от массы серы в сжигаемом топливе.
- < Назад
«Экологические
проблемы
химической промышленности»»
Шмалько Марии, 11 «Б»
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение их естественного уровня.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Физическое
(тепловое, шумовое, электромагнитно, световое, радиоактивное)
Химическое
(тяжелые металлы, пестициды, пластмассы и др. химические вещества)
Биологическое
(биогенное, микробиологическое, генетическое)
Информационное
(информационный шум, ложная информация, факторы беспокойства)
Любое химическое загрязнение - это появление химического вещества в непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на природную среду.
Химические загрязнители могут вызывать острые отравления, хронические болезни, а также оказывать канцерогенное и мутагенное действие. Например, тяжелые металлы способны накапливаться в растительных и животных тканях, оказывая токсическое действие. Кроме тяжелых металлов, особо опасными загрязнителями являются хлордиоксины, которые образуются из хлорпроизводных ароматических углеводородов, используемых при производстве гербицидов. Источниками загрязнения окр$>жающей среды диоксинами являются и побочные продукты целлюлозно-бумажной промышленности, отходы металлургической промышленности, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Эти вещества очень токсичны для человека и животных даже при низких концентрациях и вызывают поражение печени, почек, иммунной системы.
Наряду с загрязнением окружающей среды новыми для нее синтетическими веществами, большой ущерб природе и здоровью людей может нанести вмешательство в природные круговороты веществ за счет активной производственной и сельскохозяйственной деятельности, а также образования бытовых отходов.
Загрязнению подвергаются атмосфера (воздушная среда), гидросфера (водная среда) и литосфера (твердая поверхность) Земли. См. также ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ.
Вначале деятельность людей затрагивала лишь живое вещество суши и почву. В 19 в., когда начала бурно развиваться индустрия, в сферу промышленного производства начали вовлекаться значительные массы химических элементов, извлекаемых из земных недр. При этом воздействию стала подвергаться не только наружная часть земной коры, но также природные воды и атмосфера.
В середине20 в. некоторые элементы стали использоваться в таком количестве, которое сопоставите массами, вовлеченными в природные круговороты. Низкая экономичность большей часяи современной индустриальной технологии привела к образованию огромного количества отходов, которые не утилизируются в смежных производствах, а
выбрасываются в окружающую среду. Массы загрязняющих отходов столь велики, что создают опасность для живых организмов, включая человека.
Хотя химическая промышленность не является главным поставщиком загрязнений (рис. 1), для нее характерны выбросы, наиболее опасные для природной среды, человека, животных и растений (рис. 2). Термин «опасные отходы» применяют к любого рода отходам, которые могут нанести вред здоровью или окружающей среде при их хранении, транспортировке, переработке или сбросе. К ним относятся токсичные вещества, воспламеняющиеся отходы, отходы, вызывающие коррозию и другие химически активные вещества.
В зависимости от особенностей циклов массообмена загрязняющий компонент может распространять ся на всю поверхность планеты, на более или менее значительную территорию или иметь локальный характер. Таким образом, экологические кризисы, являющиеся результатом загрязнения окружающей среды, могут быть трех сортов -глобальные, региональные и локальные
Одной из проблем, имеющих глобальный характер, является возрастание содержания в атмосфере углекислого газа в результате техногенных выбросов. Наиболее опасным последствием этого явления может стать повышение температуры воздуха благодаря «парниковому эффекту». Проблема нарушения глобального цикла массобмена углерода уже переходит из области экологии в экономические, социальные и, в конце-концов, политические сферы.
В декабре 1997 в г. Киото (Япония) был принят Протокол к рамочной конвенции Организации объединенных наций об изменении климата (датированной маем 1992) (см. также КИОТСКИЙ ПРОТОКОЛ). Главное в Протоколе - количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению выбросов парниковых газов, прежде всего С02, в атмосферу в 2008-2032. У России разрешенный уровень выбросов парниковых газов на эти годы - 100% от уровня 1990. Для стран ЕС в целом он составляет 92%, для Японии - 94%. У США предполагалось 93%, однако эта страна отказалась участвовать в Протоколе, поскольку снижение выбросов углекислого газа означает понижение уровня выработки электроэнергии и, следовательно, стагнацию промышленности. 23 октября 2004 Государственная Дума России приняла решение о ратификации Киотского Протокола.
К загрязнениям регионального масштаба относятся многие отходы промышленных предприятий и транспорта. В первую очередь, это касается диоксида серы. Он вызывает образование кислотных дождей, поражающих организмы растений и животных и вызывающих заболевания населения. Техногенные оксиды серы распределяются неравномерно и наносят ущерб отдельным районам. За счет переноса воздушных масс они зачастую пересекают границы государств и оказываются на территориях, удаленных от индустриальных центров.
В крупных городах и промышленных центрах воздух, наряду с оксидами углерода и серы, часто загрязнен оксидами азота и твердыми частицами, выбрасываемыми автомобильными двигателями и дымовыми трубами. Нередко наблюдается образование смога. Хотя эти загрязнения носят локальных характер, они затрагивают многих людей, компактно поживающих на таких территориях. Кроме того, наносится ущерб окружающей природе.
Одним из основных загрязнителей окружающей среды является сельскохозяйственное производство. В систему круговорота химических элементов искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора в виде минеральных удобрений. Их избыток, не усвоенный растениями, активно вовлекается в водную миграцию. Накопление соединений азота и фосфора в природных водоемах вызывает усиленный рост водной растительности, зарастание водоемов и загрязнение их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Кроме того, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышение концентрации этого элемента в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Это может вызвать серьезные заболевания людей.
В качестве примера, показывающего изменения структуры биологического круговорота в результате деятельности человека, можно рассмотреть данные для лесной зоны европейской части России (таблица). В доисторические времена вся эта территория была покрыта лесами, сейчас их площадь уменьшилась почти вдвое. Их место заняли поля, луга, пастбища, а также города, поселки, транспортные магистрали. Уменьшение общей массы некоторых элементов за счет общего уменьшения массы зеленых растений компенсируется внесением удобрений, которое вовлекает в биологическую миграцию значительно больше азота, фосфора и калия, чем естественная растительность. Вырубка леса и распашка почв способствуют усилению водной миграции. Таким образам, существенно увеличивается содержание соединений некоторых элементов (азота, калия, кальция) в природных водах.
МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛЕСНОЙ ЗОНЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИ
Загрязнителями воды являются и органические отходы. На их окисление расходуется дополнительное количество кислорода. При слишком низком содержании кислорода нормальная жизнь большинства водных организмов становится невозможной. Аэробные бактерии, которым необходим кислород, также погибают, вместо них развиваются бактерии, использующие для своей жизнедеятельности соединения серы. Признаком появления таких бактерий является запах сероводорода - одного из продуктов их жизнедеятельности.
Среди многих последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особое значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. К наиболее опасным загрязнителям относят ртуть, свиней и кадмий. Существенное воздействие на живые организмы и их сообщества оказывают также техногенные поступления марганца, олова, меди, молибдена, хрома, никеля и кобальта (рис. 3).
Природные воды могут загрязняться пестицидами и диоксинами, а также нефтью. Продукты разложения нефти токсичны, а нефтяная пленка, изолирующая воду от воздуха, приводит к гибели живых организмов (в первую очередь, планктона) в воде.
Помимо накопления в почве токсичных и вредных веществ в результате деятельности человека, ущерб землям наносится за счет захоронения и свалок промышленных и бытовых отходов.
Основными мерами борьбы с загрязнением атмосферы являются: строгий контроль выбросов вредных веществ. Нужно заменять токсичные исходные продукты на
нетоксичные, переходить на замкнутые циклы, совершенствовать методы газоочистки и пылеулавливания. Большое значение имеет оптимизация размещения предприятий для уменьшения выбросов транспорта, а также грамотное применение экономических санкций.
Большую роль в защите окружающей среды от химических загрязнений начинает играть международное сотрудничество. В 1970-е в озоновом слое, защищающем нашу планету от опасного действия ультрафиолетового излучения Солнца, было обнаружено снижение концентрации ОЗ. В 1974 установили, что озон разрушается под действием атомарного хлора. Одним из основных источников хлора, попадающего в атмосферу, являются хлорфторпроизводные углеводородов (фреоны, хладоны), используемые в аэрозольных баллонах, холодильниках и кондиционерах. Разрушение озонового слоя происходит, возможно, не только под действием этих веществ. Тем не менее, были предприняты меры по уменьшению их производства и использования. В 1985 многие страны договорились о защите озонового слоя. Обмен информацией и совместные исследования изменений концентрации атмосферного озона продолжаются.
Проведение мероприятий, предупреждающих попадание загрязняющих веществ в водоемы, включает установление прибрежных защитных полос и водоохранных зон, отказ от ядовитых хлорсодержащих пестицидов, уменьшение сбросов промышленных предприятий за счет применения замкнутых циклов. Снижение опасности загрязнения нефтью возможно путем повышения надежности танкеров.
Для предотвращения загрязнения поверхности Земли нужны предупредительные меры -не допускать засорения почв промышленными и бытовыми сточными водами, твердыми бытовыми и промышленными отходами, нужна санитарная очистка почвы и территории населенных мест, где такие нарушения были выявлены.
Наилучшим решением проблемы загрязнения окружающей среды были бы безотходные производства, не имеющие сточных вод, газовых выбросов и твердых отходов. Однако безотходное производство сегодня и в обозримом будущем принципиально невозможно, для его реализации нужно создать единую для всей планеты циклическую систему потоков вещества и энергии. Если потери вещества, хотя бы теоретически, все же можно предотвратить, то экологические проблемы энергетики все равно останутся. Теплового загрязнения нельзя избежать в принципе, а так называемые экологически чистые источники энергии, например ветряные электростанции, все равно наносят ущерб окружающей среде.
Пока единственным путем существенного уменьшения загрязнения окружающей среды являются малоотходные технологии. В настоящее время создаются малоотходные производства, в которых выбросы вредных веществ не превышают предельно допустимых концентраций (ПДК), а отходы не приводят к необратимым изменениям природы. Используется комплексная переработка сырья, совмещение нескольких производств, применение твердых отходов для изготовления строительных материалов.
Создаются новые технологии и материалы, экологически чистые виды топлива, новые источники энергии, снижающие загрязнение окружающей среды.
См. также СМОГ; ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ; КИОТСКИЙ ПРОТОКОЛ. УМЕНЬШЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ:
Безотходное производство Малоотходное производство Комплексная переработка сырья Новые технологии и материалы
ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ
(Продолжение)
В Москве в Министерстве науки и технологий Российской Федерации с 6 по 8 сентября 1999 года проходил Российский конгресс "Химическая промышленность на рубеже веков: итоги и перспективы". Мы публикуем некоторые из тезисов докладов, в основном касающихся перспектив каталитических, а также близких к ним технологий.
Секция; Экологически безопасные и ресурсосберегающие химические технологии и химические материалы XXI века
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ИХ РЕШЕНИЕ: ОПЫТ БАСФ
ДЮМУРЗИН
(Представительство фирмы "БАСФ" в России)
Группа компаний БАСФ - химический концерн, который успешно работает в более чем 170 странах мира с различной политической, социальной и культурной обстановкой. Деятельность фирмы охватывает такие области, как производство сырья и энергетических ресурсов, различных химикатов, продуктов для сельского хозяйства, пластмасс, красителей, текстильно-вспомогательных веществ, а также таких продуктов для потребителя, как лаки, краски, информационные системы и лекарства. Наша деятельность соответствует концепции устойчивого развития, которая была согласована как совместная цель мирового сообщества на конференции ООН в 2 992 году в Рио-де-Жанейро. Такое развитие понимается как процесс, который соответствует экономическим, экологическим и социальным нуждам общества сегодняшнего дня, давая возможность при этом и будущим поколениям достигать своих собственных целей. Программа "Responsible Care" ("Ответственная забота"), которой придерживается фирма, предполагает целый ряд добровольно выполняемых мер с целью постоянного улучшения окружающей среды, безопасности и здоровья. Фирма БАСФ рассматривает вопросы безопасности и защиты здоровья и окружающей среды в качестве исключительно важных и приоритетных как на уже действующих производствах, так и при разработке новых продуктов и процессов. Затраты фирмы в 1998 году, связанные с защитой окружающей среды, составили более 1,5 млрд. марок.
Описание работы
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение их естественного уровня.
На сегодня нет необходимости убеждать кого-либо в том, какое огромное значение для всего человечества играют вопросы, связанные с проблемой охраны окружающей среды. Эта проблема сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические.
В основе процессов, обусловливающих современное состояние биосферы, лежат химические превращения веществ. Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды формируют новый раздел современной химии, названный химической экологией. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, химическое загрязнение окружающей среды и его влияние на экологическое равновесие, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды, проводит изыскание новых экологически чистых источников энергии и др.
Понимание сути проблемы охраны окружающей среды, безусловно, требует знакомства с рядом предварительных понятий, определений, суждений, детальное изучение которых должно способствовать не только более глубокому проникновению в суть проблемы, но и развитию экологического образования. .Геологические сферы планеты, а также структура биосферы и протекающие в ней химические процессы в обобщенном виде представлены на схеме 1 .
Обычно различают несколько геосфер. Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из двух слоев: верхнего, образованного осадочными породами, включающими гранит, и нижнего - базальтового. Гидросфера - это все океаны и моря (Мировой океан), составляющие 71% поверхности Земли, а также озера и реки. Глубина океана в среднем составляет 4 км, а в отдельных впадинах - до 11 км. Атмосфера - слой над поверхностью литосферы и гидросферы, достигающий 100 км. Нижний слой атмосферы (15 км) называют тропосферой . Она включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты. Над тропосферой простирается стратосфера , у границ которой возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 45 км расположен озонный слой, отражающий губительное для жизни космическое излучение и частично - ультрафиолетовые лучи. Выше стратосферы простирается ионосфера - слой разряженного газа из ионизированных атомов.
Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера . Биосфера - это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее живыми организмами: микроорганизмами, растениями, животными. Она включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, тропосферу и нижнюю часть стратосферы (в том числе озонный слой). Границы биосферы определяются верхним пределом жизни, ограниченным интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, и нижним пределом, ограниченным высокими температурами земных недр; крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы - бактерии. Особое место в биосфере занимает озонный защитный слой . В атмосфере содержится всего лишь об. % озона, однако он создал на Земле такие условия, благодаря которым на нашей планете зародилась и продолжает развиваться жизнь.
В биосфере осуществляются непрерывные круговороты веществ и энергии. В круговороте веществ постоянно участвуют в основном одни и те же элементы: водород, углерод, азот, кислород, сера. Из неживой природы они переходят в состав растений, из растений - в животных и человека. Атомы этих элементов удерживаются в круге жизни сотни миллионов лет, что подтверждается данными изотопного анализа. Указанные пять элементов называют биофильными
(жизнелюбивыми), при этом не все их изотопы, а только легкие. Так, из трех изотопов водорода биофильным является только . Из трех природных изотопов кислорода 
биофилен только , а из изотопов углерода - только .
Роль углерода в возникновении жизни на Земле поистине огромна. Имеются основания полагать, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав ее глубинных слоев в виде минералов типа карбидов, а другая его часть была удержана атмосферой в виде СО. Понижение температуры на определенных этапах формирования планеты сопровождалось взаимодействием СО с водяным паром по реакции ккал, так что ко времени появления на Земле жидкой воды углерод атмосферы должен был находиться в виде углекислого газа. В соответствии с приводимой ниже схемой круговорота углерода углекислый газ атмосферы извлекается растениями (1), и через пищевые связи (2) углерод попадает в организм животных:
Дыхание животных и растений и тление их останков постоянно возвращают атмосфере и водам океана громадные массы углерода в виде углекислого газа (3, 4). Вместе с тем имеет место некоторый вывод углерода из круговорота за счет частичной минерализации останков растений (5) и животных (6).
Дополнительным, причем более мощным, выводом углерода из круговорота является неорганический процесс выветривания горных пород (7), при котором содержащиеся в них металлы под действием атмосферы переходят в углекислые соли, вымываемые затем водой и переносимые реками в океан с последующим частичным осаждением. По ориентировочным подсчетам ежегодно при выветривании горных пород из атмосферы связывается до 2 млрд т углерода. Такой грандиозный расход не может быть скомпенсирован различными свободно протекающими природными процессами (извержением вулканов, газовыми источниками, действием образующейся при грозах на известняки и т.д.), ведущими к обратному переходу углерода из минералов в атмосферу (8). Таким образом, как неорганический, так и органический этапы круговорота углерода направлены на уменьшение содержания в атмосфере. В этой связи следует отметить, что сознательная деятельность человека существенно влияет на общий круговорот углерода и, затрагивая по существу все направления процессов, протекающих при естественном круговороте, в конечном счете компенсирует утечку из атмосферы. Достаточно сказать, что за счет сжигания только одного каменного угля атмосфере ежегодно (в середине нашего века) возвращалось в виде более 1 млрд т углерода. Принимая во внимание потребление и других видов ископаемого горючего (торфа, нефти и др.), а также ряд промышленных процессов, ведущих к выделению , можно полагать, что эта цифра в действительности еще более высокая.
Таким образом, влияние человека на циклы превращений углерода по своему направлению прямо противоположно суммарному результату естественного цикла:
Энергетический баланс Земли слагается из различных источников, однако главнейшими из них являются солнечная и радиоактивная энергия. В ходе эволюции Земли радиоактивный распад был интенсивным, и 3 млрд лет тому назад радиоактивного тепла было в 20 раз больше, чем сейчас. В настоящее время тепло солнечных лучей, падающих на Землю, значительно превосходит внутреннее тепло от радиоактивного распада, так что основным источником тепла сейчас можно считать энергию Солнца. Солнце дает нам в год ккал тепла. Согласно приведенной выше схеме, 40% солнечной энергии отражается Землей в мировое пространство, 60% поглощается атмосферой и почвой. Часть этой энергии расходуется на фотосинтез, часть идет на окисление органических веществ, а часть консервируется в угле, нефти, торфе. Солнечная энергия возбуждает на Земле грандиозные по своим масштабам климатические, геологические и биологические процессы. Под влиянием биосферы солнечная энергия преобразуется в различные формы энергии, обусловливающие огромные по размерам превращения, миграции, круговорот веществ. Несмотря на свою грандиозность, биосфера является открытой системой, так как постоянно получает поток солнечной энергии.
Фотосинтез включает сложный комплекс различных по природе реакций. В этом процессе происходит перестройка связей в молекулах и , так что вместо прежних связей углерод-кислород и водород-кислород возникает новый тип химических связей: углерод-водород и углерод-углерод:
В результате этих превращений возникает молекула углевода, которая представляет собой концентрат энергии в клетке. Таким образом, в химическом отношении сущность фотосинтеза заключается в перестройке химических связей. С этой точки зрения, фотосинтезом можно называть процесс синтеза органических соединений, идущий за счет световой энергии. Суммарное уравнение фотосинтеза показывает, что кроме углеводов образуется также и кислород:
но это уравнение не дает представления о его механизме. Фотосинтез - это сложный, многоступенчатый процесс, в котором с биохимической точки зрения центральная роль принадлежит хлорофиллу - органическому веществу зеленого цвета, которое поглощает квант солнечной энергии. Механизм процессов фотосинтеза может быть представлен следующей схемой:
Как видно из схемы, в световой фазе фотосинтеза избыточная энергия "возбужденных" электронов порождает для процесса: фотолиз - с образованием молекулярного кислорода и атомарного водорода:
и синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и фосфорной кислоты (Ф). В темновой фазе идет синтез углеводов, для осуществления которого расходуется энергия АТФ и атомов водорода, возникающих в световую фазу в результате преобразования световой энергии Солнца. Общая продуктивность фотосинтеза огромна: ежегодно растительность Земли связывает 170 млрд т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн фосфора, серы и других элементов, в результате чего ежегодно синтезируется около 400 млрд т органических веществ. Тем не менее при всей своей грандиозности природный фотосинтез - медленный и малоэффективный процесс, поскольку зеленый лист использует для фотосинтеза всего 1% падающей на него солнечной энергии.
Как отмечалось выше, в результате поглощения углекислоты и дальнейших ее преобразований в ходе фотосинтеза образуется молекула углевода, которая служит углеродным скелетом для построения всех органических соединений в клетке. Органические вещества, возникшие в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но энергия, аккумулированная в конечных продуктах фотосинтеза, недоступна для непосредственного использования ее в химических реакциях, протекающих в живых организмах. Перевод этой потенциальной энергии в активную форму осуществляется в другом биохимическом процессе - дыхании . Основная химическая реакция процесса дыхания - это поглощение кислорода и выделение углекислого газа:
Однако процесс дыхания очень сложный. Он включает активацию атомов водорода органического субстрата, освобождение и мобилизацию энергии в виде АТФ и генерации углеродных скелетов. В процессе дыхания углеводы, жиры и белки в реакциях биологического окисления и постепенной перестройки органического скелета отдают свои атомы водорода с образованием восстановленных форм. Последние при окислении в дыхательной цепи освобождают энергию, которая аккумулируется в активной форме в сопряженных реакциях синтеза АТФ. Таким образом, фотосинтез и дыхание - это различные, но весьма тесно связанные стороны общего энергообмена. В клетках зеленых растений процессы фотосинтеза и дыхания тесно сопряжены. Процесс дыхания в них, как и во всех других живых клетках, идет постоянно. Днем наряду с дыханием в них происходит фотосинтез: растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую, синтезируя органическое вещество, а в качестве побочного продукта реакции выделяя кислород. Количество кислорода, выделяемого растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20-30 раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания. Таким образом, днем, когда в растениях идут оба процесса, воздух обогащается кислородом, а ночью, когда фотосинтез прекращается, сохраняется только процесс дыхания.
В организм человека необходимый для дыхания кислород поступает через легкие, тонкие и влажные стенки которых имеют большую поверхность (порядка 90 ) и пронизаны кровеносными сосудами. Попадая в них, кислород образует с гемоглобином, заключенным в красных кровяных клетках - эритроцитах, - непрочное химическое соединение - оксигемоглобин и в таком виде красной артериальной кровью разносится ко всем тканям тела. В них кислород отщепляется от гемоглобина и включается в различные обменные процессы, в частности окисляет органические вещества, поступившие в организм в виде пищи. В тканях к гемоглобину присоединяется углекислый газ, образуя непрочное соединение - карбгемоглобин. В таком виде, а также частично в виде солей угольной кислоты и в физически растворенном виде углекислый газ с током темной венозной крови поступает в легкие, где и выводится из организма. Схематически этот процесс газообмена в организме человека можно представить следующими реакциями:
Обычно вдыхаемый человеком воздух содержит 21% (по объему) и 0,03% , а выдыхаемый - 16% и 4% ; за сутки человек выдыхает 0,5 . Аналогично кислороду реагирует с гемоглобином угарный газ (СО), причем образующееся соединение Гем. СО значительно более прочно. Поэтому даже при небольших концентрациях СО в воздухе значительная часть гемоглобина оказывается связанной с ним и перестает участвовать в переносе кислорода. При содержании в воздухе 0,1% СО (по объему), т.е. при соотношении СО и 1: 200 гемоглобином связываются равные количества обоих газов. В силу этого при вдыхании отравленного окисью углерода воздуха смерть от удушья может наступить, несмотря на наличие избытка кислорода.
Брожение как процесс распада сахаристых веществ в присутствии особого рода микроорганизмов настолько часто протекает в природе, что спирт, хотя и в ничтожных количествах, является постоянной составной частью почвенных вод, а пары: его всегда в небольших количествах содержатся в воздухе. Простейшая схема брожения может быть представлена уравнением:
Хотя механизм процессов брожения сложен, все же можно утверждать, что чрезвычайно важную роль в нем играют производные фосфорной кислоты (АТФ), а также ряд ферментов.
Гниение - сложный биохимический процесс, в результате которого экскременты, трупы, останки растений возвращают почве ранее взятый из нее связанный азот. Под влиянием особых бактерий в конечном счете этот связанный азот переходит в аммиак и соли аммония. Кроме того, при гниении часть связанного азота переходит в свободный азот и теряется.
Как следует из приведенной выше схемы, часть солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой, "консервируется" в виде торфа, нефти, угля. Мощные сдвиги земной коры погребали под слоями горных пород громадные растительные массивы. При разложении отмерших растительных организмов без доступа воздуха из них выделяются летучие продукты распада, а остаток постепенно обогащается углеродом. Это соответствующим образом сказывается на химическом составе и теплотворной способности продукта разложения, который в зависимости от его особенностей называют торфом, бурым и каменным углем (антрацитом). Подобно растительной, животная жизнь минувших эпох также оставила нам ценное наследство - нефть. Современные океаны и моря содержат громадные скопления простейших организмов в верхних слоях воды до глубины примерно 200 м (планктон) и в придонной области не очень глубоких мест (бентос). Общая масса планктона и бентоса оценивается громадной цифрой (~ т). Будучи основой питания всех более сложных морских организмов, планктон и бентос в настоящее время вряд ли накапливаются в виде останков. Однако в далекие геологические эпохи, когда условия для их развития были более благоприятными, а потребителей намного меньше, чем сейчас, останки планктона и бентоса, а также, возможно, и более высокоорганизованных животных, массами гибнувших в силу тех или иных причин, могли стать основным строительным материалом для образования нефти. Сырая нефть представляет собой нерастворимую в воде маслянистую жидкость черного или коричневого цвета. В ее состав входят 83-87% углерода, 10-14% водорода и небольшие количества азота, кислорода и серы. Ее теплотворная способность выше, чем у антрацита, и оценивается величиной 11000 ккал/кг.
Под биомассой понимается совокупность всех живых организмов биосферы, т.е. количество органического вещества и заключенной в нем энергии всей совокупности особей. Биомассу обычно выражают в весовых единицах в пересчете на сухое вещество на единицу площади или объема. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений. В биогеоценозах они как производители живого вещества играют роль "продуцентов ", растительноядные и плотоядные животные как потребители живого органического вещества - роль "консументов ", а разрушители органических остатков (микроорганизмы), доводящие распад органического вещества до простых минеральных соединений, - "редуцентов ". Особой энергетической характеристикой биомассы является ее способность к размножению. По определению В.И. Вернадского, "живое вещество (совокупность организмов) подобно массе газа растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов". На поверхности суши увеличение биомассы происходит в направлении от полюсов к экватору. В этом же направлении возрастает и количество видов, участвующих в биогеоценозах (см. ниже). Биоценозы почв покрывают всю поверхность суши.
Почва - это рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками. Мощность почвы наряду с поверхностной биомассой и под ее влиянием увеличивается от полюсов к экватору. Почва плотно заселена живыми организмами, и в ней происходит непрерывный газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в нее проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днем при нагревании почвы из нее выделяются аммиак, сероводород и углекислый газ. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.
Гидросфера Земли , или Мировой океан , занимает более 2/3 поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Водные животные выделяют при дыхании , а водоросли при фотосинтезе обогащают воду . Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды - на глубине до 100 м. На долю планктона океана приходится 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете. В океане биомасса в основном рассеяна. В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно т, масса зеленых растений суши - 97%, животных и микроорганизмов - 3%. В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование солнечной энергии на площади океана - 0,04%, на суше - 0,1%. Океан не так богат жизнью, как это предполагалось еще недавно.
Человечество составляет лишь небольшую часть биомассы биосферы. Однако, овладев различными формами энергии - механической, электрической, атомной, - оно стало оказывать громадное влияние на процессы, протекающие в биосфере. Человеческая деятельность превратилась в столь мощную силу, что эта сила стала соизмеримой с естественными силами природы. Анализ результатов деятельности человека, влияния этой деятельности на биосферу в целом привел академика В.И. Вернадского к выводу о том, что в настоящее время человечество создало новую оболочку Земли - "разумную". Вернадский назвал ее "ноосферой ". Ноосфера - это "коллективный разум человека, сконцентрированный как в его потенциальных возможностях, так и в кинетических воздействиях на биосферу. Эти воздействия, однако, на протяжении веков носили стихийный, а подчас и хищнический характер, и следствием такого воздействия стало угрожающее загрязнение окружающей среды, со всеми вытекающими отсюда последствиями".
Рассмотрение вопросов, связанных с проблемой охраны окружающей среды, требует уточнения понятия "окружающая среда ". Под этим термином понимается вся наша планета плюс тонкая оболочка жизни - биосфера, плюс космическое пространство, окружающее нас и воздействующее на нас. Однако часто для упрощения под окружающей средой подразумевают лишь биосферу и часть нашей планеты - земную кору. По В.И. Вернадскому, биосфера - это "область существования живого вещества". Живым веществом называют совокупность всех живых организмов, включая человека.
Экология как наука о взаимоотношениях организмов между собой, а также между организмами и средой обитания особое внимание уделяет изучению тех сложных систем (экосистем), которые возникают в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания. Отсюда экосистемой называется совокупность живых и неживых компонентов природы, находящихся во взаимодействии. Это понятие применяется к единицам различной протяженности - от муравейника (микроэкосистема) до океана (макроэкосистема). Сама биосфера является гигантской экосистемой земного шара.
Связи между компонентами экосистемы возникают прежде всего на основе пищевых связей и способов получения энергии. По способу получения и использования питательных материалов и энергии все организмы биосферы разделяются на две резко различающиеся группы: автотрофы и гетеротфоры. Автотрофы способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений (, и др.). Из этих бедных энергией соединений клетки синтезируют глюкозу, аминокислоты, а затем и более сложные органические соединения - углеводы, белки и т.д. Главными автотрофами на Земле являются клетки зеленых растений, а также некоторые микроорганизмы. Гетеротрофы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Они нуждаются в доставке уже готовых органических соединений. Гетеротрофами являются клетки животных, человека, большинства микроорганизмов и некоторых растений (например, грибов и зеленых растений, не содержащих хлорофилла). В процессе питания гетеротрофы в конечном счете разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, т.е. веществ, пригодных для повторного использования автотрофами.
Таким образом, в природе возникает непрерывный круговорот веществ: необходимые для жизни химические вещества извлекаются автотрофами из окружающей среды и через ряд гетеротрофов вновь в нее возвращаются. Для осуществления этого процесса необходим постоянный приток энергии извне. Его источником служит лучистая энергия Солнца. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, и оно может быть использовано вновь и вновь, тогда как энергия в этих процессах представлена однонаправленным потоком. Энергия Солнца лишь трансформируется организмами в другие формы - химическую, механическую, тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в форме тепла. Хотя общая схема круговорота веществ сравнительно проста, в реальных условиях природы этот процесс принимает очень сложные формы. Ни один вид гетеротрофных организмов не способен сразу расщеплять органическое вещество растений до конечных минеральных продуктов (, и др.). Каждый вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии, доводя его распад до определенной стадии. Непригодные для данного вида, но еще богатые энергией остатки используются другими организмами. Таким образом, в процессе эволюции в экосистеме сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества. Все виды, образующие пищевую цепь, существуют за счет органического вещества, генерируемого зелеными растениями.
Суммарно лишь 1% лучистой энергии Солнца, падающей на растения, превращается в энергию синтезированных органических веществ, которые могут быть использованы гетеротрофными организмами. Большая же часть энергии, содержащейся в растительной пище, расходуется в организме животных на различные процессы жизнедеятельности и, превращаясь в тепло, рассеивается. При этом только 10-20% этой энергии пищи идет непосредственно на построение нового вещества. Большие потери полезной энергии предопределяют то, что цепи питания состоят из небольшого числа звеньев (3-5). Другими словами, в результате потерь энергии количество образующегося органического вещества на каждом последующем уровне пищевых цепей резко уменьшается. Эта важная закономерность называется правилом экологической пирамиды и на диаграмме представляется пирамидой, в которой каждому последующему уровню отвечает плоскость, параллельная основанию пирамиды. Имеются различные категории экологических пирамид: пирамида чисел - отражающая число особей на каждом уровне пищевой цепи, пирамида биомассы - отражающая соответственно количество органического вещества, пирамида энергии - отражающая количество энергии в пище.
Любая экосистема состоит из двух компонентов. Один из них - органический, представляющий комплекс видов, образующих самоподдерживающуюся систему, в которой осуществляется круговорот веществ, который называется биоценозом , другой - это неорганический компонент, дающий пристанище биоценозу и называемый биотоном :
Экосистема = биотон + биоценоз.
Другие экосистемы, а также геологические, климатические, космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Устойчивость экосистемы всегда связана с ее развитием. Согласно современным воззрениям, экосистема обладает тенденцией развиваться в направлении к ее устойчивому состоянию - зрелой экосистеме. Это изменение называется сукцессией . Ранние стадии сукцессии характеризуются незначительным видовым разнообразием и небольшой биомассой. Экосистема в начальной стадии развития очень чувствительна к нарушениям, и сильное воздействие на основной поток энергии может ее разрушить. В зрелых экосистемах флора и фауна увеличиваются. В этом случае повреждение одного компонента не может оказать сильного влияния на всю экосистему. Отсюда зрелая экосистема имеет высокую степень устойчивости.
Как отмечалось выше, геологические, климатические, гидрогеологические и космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Среди внешних сил, оказывающих влияние на экосистемы, особое место занимает воздействие человека. Биологические законы строения, функционирования и развития природных экосистем связаны только с теми организмами, которые являются их необходимыми компонентами. В связи с этим человек как в социальном (личность), так и в биологическом (организм) плане не входит в состав природных экосистем. Это вытекает хотя бы из того, что любая природная экосистема в своем возникновении и развитии может обходиться без человека. Человек не является необходимым элементом этой системы. Кроме того, возникновение и существование организмов обусловлено только общими закономерностями экосистемы, тогда как человек порождается обществом и существует в обществе. Человек как личность и как биологическое существо является компонентом особой системы - человеческого общества , которая обладает исторически меняющимися экономическими законами распределения продуктов питания и других условий его существования. При этом элементы, необходимые для жизни, такие, как воздух и вода, человек получает извне , поскольку человеческое общество - это открытая система, в которую энергия и вещество поступают извне. Таким образом, человек является "внешним элементом" и не может вступать в постоянные биологические связи с элементами природных экосистем. С другой стороны, выступая в качестве внешней силы, человек оказывает большое влияние на экосистемы. В этой связи следует указать на возможность существования двух типов экосистем: естественных (природных) и искусственных. Развитие (сукцессия) естественных экосистем подчиняется законам эволюции или законам космических воздействий (постоянству или катастрофам). Искусственные экосистемы - это совокупности живых организмов и растений, живущих в условиях, которые создал человек своим трудом, своей мыслью. Сила воздействия человека на природу проявляется именно в искусственных экосистемах, которые охватывают сегодня большую часть биосферы Земли.
Экологическое вмешательство человека, очевидно, всегда имело место. Всю предшествующую деятельность человека можно рассматривать как процесс подчинения многих или даже всех экологических систем, всех биоценозов потребностям человека. Вмешательство человека не могло не влиять на экологическое равновесие. Еще древний человек, выжигая леса, нарушал экологическое равновесие, но делал он это медленно и в относительно малых масштабах. Такое вмешательство носило больше локальный характер и не вызывало глобальных последствий. Другими словами, деятельность человека того времени проходила в условиях, близких к равновесным. Однако сейчас воздействие человека на природу в силу развития науки, техники и технологии приняло такой размах, что нарушение экологического равновесия стало угрожающим в глобальном масштабе. Если бы процесс воздействия человека на экосистемы не был стихийным, а подчас и хищническим, то вопрос об экологическом кризисе не стоял бы так остро. Между тем деятельность человека на сегодня стала настолько соизмерима с мощными силами природы, что сама природа уже не в состоянии справляться с испытываемыми ею нагрузками.
Таким образом, основная сущность проблемы охраны окружающей среды заключается в том, что человечество благодаря своей трудовой деятельности превратилось в столь мощную природообразующую силу, что ее влияние стало проявляться много быстрее, чем влияние естественной эволюции биосферы.
Хотя термин "охрана окружающей среды" на сегодня весьма распространен, он все же не строго отражает существо дела. Физиолог И.М. Сеченов в свое время указывал, что живой организм не может существовать без взаимодействия с окружающей средой. С этой точки зрения, по-видимому, более строгим является термин "рациональное использование окружающей среды". В целом же проблема рационального использования окружающей среды заключается в поиске механизмов, обеспечивающих нормальное функционирование биосферы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение понятия "окружающая среда".
2. В чем состоит основная сущность проблемы охраны окружающей среды?
3. Перечислите различные аспекты проблемы охраны окружающей среды.
4. Дайте определение термина "химическая экология".
5. Перечислите основные геосферы нашей планеты.
6. Укажите факторы, определяющие верхний и нижний пределы биосферы.
7. Перечислите биофильные элементы.
8. Прокомментируйте влияние деятельности человека на естественный цикл превращений углерода.
9. Что Вы можете сказать о механизме фотосинтеза?
10. Приведите схему процесса дыхания.
11. Приведите схему процессов брожения.
12. Дайте определение понятий "продуцент", "консумент", "редуцент".
13. В чем отличие "автотрофов" от "гетеротрофов"?
14. Дайте определение понятия "ноосфера".
15. В чем сущность правила "экологической пирамиды"?
16. Дайте определение понятий "биотон" и "биоценоз".
17. Дайте определение понятия "экосистема".
Экологические проблемы химической промышленности несут в себе одно очень неприятное свойство. В результате производства этой отрасли хозяйственной деятельности человека появляются или синтезируются вещества, которые на 100% искусственные и не являются пищей для какого-либо организма на Земле. Они не входят в пищевую цепочку, а, значит, не перерабатываются естественным путем. Они могут либо накапливаться, либо утилизироваться или перерабатываться тем же искусственным промышленным способом. На сегодняшний день их переработка существенным образом отстает от выработки и накопления. И это главная экологическая проблема.
История возникновения, виды
Первыми предприятиями, с которых началось рождение новой отрасли –химической, стали заводы по производству серной кислоты в 1736 году в Великобритании и в 1766 году во Франции, а продолжили по кальцинированной соде. В середине XIX века химическая промышленность стала выпускать искусственные минеральные удобрения для сельского хозяйства, пластмассу, синтетические каучук и искусственные волокна.
Химическая промышленность имеет свои подотрасли: неорганическая и органическая химия, керамика, нефте- и агрохимия, полимеры, эластомеры, взрывчатые вещества, фармацевтическая химия и парфюмерия. Основные, производимые ею продукты: аммиак, кислоты и щелочи, минеральные удобрения, сода, хлор, спирты, углеводороды, красители, смолы, пластмассы, синтетические волокна, бытовая химия и многое другое.
Крупнейшие химические предприятия мира: BASF AG (Германия), BayerAG (Германия), ShellChemicals (Голландия и Великобритания), INEOS (Великобритания) и DowChemicals (США).
Источники загрязнения
Проблемы химической промышленности, связанные с экологией не только в выпускаемой продукции, но и в отходах и вредных выбросах, возникающих в процессе и результате производства.
Эти вещества вторичные или побочные продукты, но самостоятельные и, возможно, основные источники загрязнения окружающей среды.
Выбросы и отходы химического производства в основном смеси и потому качественная их очистка или утилизация затруднительна. Это углекислый газ, оксиды азота и серы, фенолы, спирты, эфиры, фториды, аммиак, нефтяные газы и другие, опасные и отравляющие вещества. Кроме того, химическая промышленность выпускает и сами отравляющие вещества. Не только для сельскохозяйственных нужд, но и для вооруженных сил, хранение и утилизация которых требует особого режима.
Технология химического производства нуждается в повышенном потреблении воды. Она здесь используется для различных нужд, но после использования в достаточной степени не очищается и в виде стоков попадает обратно в реки и водоемы.
Внесение минеральных удобрений и веществ по защите растений при проведении сельскохозяйственных работ само по себе негативно воздействует на состав, структуру и связи, сложившейся на данной территории биосистемы. Угнетаются одни виды растительного и животного мира и, в то же время стимулируется рост и размножение других, часто ей несвойственных. Часть остатков отравляющих веществ проникают вглубь почвы и негативно влияют на более глубокие слои земли и на грунтовые воды. Другая часть с талыми снегами и осадками, смываются с поверхности пахоты и попадают в реки и водоемы, где воздействуют на почвы и растительный мир уже других регионов.
Промышленность России
В России экологические проблемы химической промышленности аналогичны. Становление отрасли началось в 1805 году с первых заводов по производству серной кислоты. Сейчас промышленность чрезвычайно развита и представлена практически всеми направлениями, существующими в мире. Крупнейшими предприятиями этой промышленности в России являются: в нефтехимии – «Сибур Холдинг» (г. Москва), «Салаватнефтеоргсинтез» (г. Салават, Башкортостан), в производстве синтетических каучуков – «Нижнекамскнефтехим» (г, Нижнекамск, Татарстан), удобрений – «Еврохим» (г. Москва) и другие. Лидирующее место в отрасли занимают предприятия, использующие в качестве сырья углеводороды. И это совершенно естественно.
Площадь загрязнение нефтехимическими производствами может быть до 20 км от источника выбросов. Объем выбросов зависит в первую очередь от мощности технологического оборудования и его качества, а также от систем очистки воды, отработанных газов и систем утилизации отходов.
Видео — Влияние химической промышленности на окружающую среду
Деятельность компании БАСФ охватывает производство сырья и энергетических ресурсов, различных химикатов, продуктов для сельского хозяйства, пластмасс, красителей, текстильно-вспомогательных веществ, а также таких продуктов для потребителя, как лаки, краски, информационные системы и лекарства.
Исходя из основного сырья – нафты, природного газа, серы и т.д. фирма производит более 8 тыс. различных продуктов. Большое количество побочных продуктов, которые при этом получаются, не уничтожаются, а служат исходным сырьем для других производств.
Корпоративная стратегия
Уже в 1985 г. фирма БАСФ одной из первых в своей деятельности стала руководствоваться "основным законом", направленным на решение проблем окружающей среды. Установленные правила вошли в корпоративную стратегию, которая обязательна для всех производств БАСФ независимо от их географического расположения.
Из этих корпоративных правил особо отметим следующие:
- Следование принципам Устойчивого Развития.
Концепция "Устойчивого Развития" была сформулирована на конференции ООН в 1992 г. в Рио-де-Жанейро и предполагает процесс, отвечающий экономическим, экологическим и социальным нуждам современного общества, одновременно давая возможность и будущим поколениям достигать своих целей.
- Участие в инициативе "Ответственная Забота" ("Responsible Care") - Программе мировых производителей химической продукции, которая предполагает целый ряд добровольно выполняемых мер, направленных на сохранение окружающей среды, обеспечения безопасности и здоровья.
- Экономические интересы не имеют приоритета перед вопросами безопасности, здоровья и охраны окружающей среды
- Выпуск продуктов, которые безопасно производить, использовать, уничтожать
- Минимальное воздействие на экологию при производстве, хранении, транспортировке, и использовании продуктов
- Помощь потребителям в безопасном использовании продуктов
- Постоянное развитие науки и технологий для повышения безопасности и защиты окружающей среды.
Из этих правил ясно, что фирма БАСФ считает вопросы безопасности и защиты здоровья и окружающей среды исключительно важными и приоритетными как на уже действующих производствах, так и при разработке новых продуктов и процессов.
Меры по уменьшению выбросов
Затраты фирмы, связанные с защитой окружающей среды, только в 1998 году составили более 1,5 млрд. марок. (рис.1). Одним из примеров успехов фирмы в этой деятельности может быть уменьшение выбросов на головном предприятии БАСФ в Людвигсхафене, объем? которых в последние годы уменьшился на порядок (рис.2).
Комплексный и интегрированный характер химического производства, включающий в себя только на площадке в Людвигсхафене около 350 цехов, предъявляет особые требования к экологическому мониторингу. Последний состоит из мониторинга окружающей среды (мониторинг воздуха, шума, качества воды, почвы в 43 местах внутри и снаружи площадки), менеджмента энерго- и водопотребления и менеджмента отходов и стоков. Для утилизации отходов на БАСФ используется крупнейшая в Европе специальная фабрика, в 8 печах которой ежегодно перерабатываются по 200 тыс. тонн отходов.
Концепция экологической безопасности опирается на квалифицированный, хорошо обученный персонал, современные технологии производства с наивысшими стандартами безопасности для всех стран, в которых БАСФ имеет производство.
Эти стандарты, включающие в себя и минимизацию отходов, закладываются уже на стадии проектирования, что позволяет избежать отходов производства, уменьшить их или переработать.
Примеры решения экологических проблем.
Рассмотрим несколько примеров из опыта фирмы в области каталитической химии и технологических химикатов.
Фирма БАСФ производит катализаторы для окисления отходящих газов различных, в том числе и химических производств. Применение этих катализаторов привело к уменьшению нежелательных выбросов в атмосферу. В последнее время фирма разработала новые сотовые катализаторы для удаления диоксинов, которые с успехом применяются не только в химической промышленности, но и при переработке отходов на мусоросжигательных заводах во многих городах мира.
В химическом производстве использование основных принципов катализа весьма эффективно, так как позволяет повысить селективность процесса при одновременном уменьшении энергетических затрат. В сегодняшней химической промышленности катализаторы играют ключевую роль в около 80% различных процессов. Одним из примеров существенного прогресса, который был достигнут фирмой в области уменьшения вредного воздействия побочных продуктов на экологию, может служить катализатор синтеза акриловой кислоты. Последняя широко используется при производстве дисперсий?, лаков, суперабсорбентов и т.д. Синтез акриловой кислоты из пропилена происходит с участием двух каталитических стадий. За 25 лет исследований количество нежелательных побочных продуктов уменьшилось на 75%. Положительное действие катализатора проявилось как в более полном использовании исходного сырья по целевому назначению (увеличение селективности), так и в образовании меньшего количества отходов, что привело к существенному снижению потребления энергии. Последнее связано с тем, что снизились затраты на стадиях ректификации и экстракции. Кроме того, оказалось возможным регенерировать отработанный катализатор.
Еще один пример – производство винилхлорида на площадке БАСФ в Антверпене. Цех винилхлорида был пущен в эксплуатацию более 30 лет назад, поэтому возникла необходимость полной его модернизации, связанная также с тем, что заканчивался срок эксплуатации, разрешенный фламандским законодательством. Важный полупродукт в производстве винилхлорида – дихлорэтан, получаемый оксихлорированием этилена в присутствии НСl и воздуха. Этот процесс сопровождается образованием побочных газов: СО, хлоруглеводородов. Кроме того в реакционной смеси содержится азот из воздуха. Для того, чтобы уменьшить количество газов, было решено использовать в качестве окислителя кислород.
После модернизации из оборудования остались только реакторы и некоторые узлы теплообменного оборудования, все остальное было заменено.
В настоящее время на этом производстве образуется существенно меньшее количество побочных газов, кроме того, используется на 20% больше, чем раньше, НСl из соседних цехов, который до модернизации не утилизировался.
Образующаяся в процессе вода загрязнена хлорорганическими соединениями. Для уменьшения негативного влияния на окружающую среду было решено установить дополнительную колонну – регенератор, в которой происходит удаление хлорорганики.
На этом производстве используется также охлаждающая вода, которая до модернизации цеха направлялась непосредственно в бассейн находящегося рядом порта. После проведения необходимых инженерных работ была создана двойная замкнутая система, которая полностью предотвращает возможность попадания органических веществ в морскую воду. Были установлены также два новых хранилища жидкого дихлорэтана емкостью по 8 тыс. м 3 с двойной обечайкой ? для большей безопасности. Необходимые улучшения были произведены и в системе управления производством. Всего в этот проект было инвестировано около 70 млн. марок.
Рассмотрим один пример, связанный с удалением кислых технологических газов. Это весьма энергоемкий процесс, который, к тому же, как правило, приводит к глубокой коррозии оборудования. В связи с этим фирма БАСФ разработала процесс аMDEA (активированный метилдиэтаноламин), обеспечивающий высокую производительность, малое энергопотребление и увеличение коррозионной стойкости оборудования. К настоящему времени этот процесс используют более 100 установок и еще несколько агрегатов проектируются, реконструируются, или строятся.
Функциональный принцип метода аMDEA основан на высокой поглощающей способности третичного амина (N-метил-диэтаноламина) по отношению к кислым газам CO 2 и H 2 S. Возможность изменения концентрации активатора в широких пределах позволяет использовать преимущества как химического, так и физического методов очистки. Высокая растворимость кислых газов приводит к снижению энергетических затрат, а малая растворимость инертов способствует более тонкой очистке. К другим достоинствам растворителя следует отнести высокую химическую и термическую стабильность, небольшое давление насыщенных паров, что значительно уменьшает потери растворителя. Низкая коррозия, достигаемая подбором оптимального активатора, снимает необходимость использования ингибиторов коррозии, положительно сказывается на экономике всего процесса и сводит к минимуму негативное влияние на окружающую среду.
В области технологических химикатов, производимых фирмой БАСФ, кроме аMDEA прекрасно себя зарекомендовал еще один растворитель - N-метилпирролидон (NMP). Область его применения – промышленное получение углеводородов методом экстрактивной дистилляции. В этой технологии используется высокая растворимость углеводородов в NMP. По сравнению с другими техническими растворителями NMP обладает рядом важных преимуществ: он не образует азеотропов с углеводородами и обладает высокой термической и химической стабильностью. Кроме того, в сравнении с другими экстрагентами N-метилпирролидон имеет более благоприятные характеристики с точки зрения токсикологии и экологии.
Информирование общественности
Хотя химия играет ключевую роль в поддержании и улучшении качества жизни, это не всегда признается обществом. Так, опрос общественного мнения, проведенный Европейским Советом по химической промышленности (CEFIC) в 1994 г., показал, что около 60% опрошенных имели негативное отношение к химической промышленности. Только один из трех опрошенных считает, что химическая промышленность заботится об окружающей среде, и меньше половины верят в то, что в рамках отрасли ведутся исследования и внедряются технологии, которые решают экологические проблемы.
Для того, чтобы исправить этот перекос в общественном мнении, фирма БАСФ делает все возможное в информировании сотрудников, потребителей и общества о безопасном использовании и работе с химическим продуктами, а также о предпринимаемых усилиях по решению экологических проблем. Периодически публикуются отчеты фирмы, где детально описаны как нынешнее состояние экологии на производстве, так и экологические цели БАСФ в будущем.
Традицией стали встречи с представителями различных политических партий, экологами, дни открытых дверей, во время который ведется открытый диалог по всем вопросам, представляющим взаимный интерес. Во всех этих контактах цель БАСФ состоит в том, чтобы привести интересы фирмы в гармоничное сочетание с нуждами общества, что является ключевым для достижения успеха в будущем.
Мурзин Д.Ю.