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

Борьба с загрязнениями окружающей среды

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

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

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

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

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

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

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

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

Предотвращение загрязнений окружающей среды

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

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

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

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

NaCl_(тв) + H₂SO_4(конц) = HCl↑ + NaHSO₄

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

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

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Значит, эффективность процесса составляет 100 %.

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

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂↑.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вопросы, задания, задачи

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

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

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

• а) она является жёсткой;
• б) неподалёку расположен коровник;
• в) рядом находится удобряемое поле?

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

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

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

7. Предложите способы поглощения выделяющегося в производственном процессе:

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

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

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

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