Chemické procesy v ochraně životního prostředí

Chemické procesy v ochraně životního prostředí 1. Vliv výroby energie na životní prostředí 2. Zpracování výfukových plynů ze spalovacích motorů 3. Zachycování oxidů síry ve spalinách 4. Výroba paliv pro spalovací motory 5. Čištění odpadních proudů v průmyslu 6. Čištění odpadních vod 7. Skleníkový efekt

Vliv výroby energie na životní prostředí Lidstvo stále získává mnoho energie spalováním fosilních paliv, zejména:

  

uhlí,

výrobků z ropy, zemního plynu.

Největší škody byly a jsou páchány spalováním nezušlechtěných fosilních paliv. Protože spalování fosilních paliv stále pokračuje, je a bude nutné používat procesy šetrné k životnímu prostředí.

Vliv výroby energie na životní prostředí Složky spalin vznikající při spalování fosilních paliv a výrobků z nich:

      

oxid uhličitý, vzniká vždy, netoxický, skleníkový efekt, voda, neškodná součást spalin,

oxid uhelnatý, nedokonalé spalování, toxický, oxidy dusíku, zdrojem hlavně paliva s organicky vázaným dusíkem, vzdušný dusík reaguje až při vysokých teplotách, toxické, tvorba smogu a kyselých dešťů, oxid siřičitý, organicky vázaná síra, dráždivý, tvorba smogu a kyselých dešťů, zbytky paliva, různé sloučeniny, dráždivé, tvorba smogu

prach (popílek, saze a PAH), dráždivé, tvorba smogu.

Výroba energie: důsledky emisí škodlivin

    

Kyselé deště: reakcí oxidů síry a dusíku s kyslíkem a vodou vzniká H2SO4 a HNO3. Poškození lesů, trpí zejména jehličnany. Vyplavování složek půdy. Změna kyselosti vodních toků a úhyn vodních organismů. Zimní smog: palčivý při inverzním rázu počasí, kdy se studený a hustší vzduch drží při zemském povrchu. Ohroženou skupinou jsou děti, starší lidé a nemocní. Letní (ozónový) smog: velká města s hustou dopravou při intenzivním svitu Slunce a bezvětří. Nutná přítomnost NOx. Ozón dále dává s organickými sloučeninami dráždivé látky.

Zpracování výfukových plynů z motorů Nebezpečnost spočívá ve vypouštění ve městech a vesnicích. Lidé pohybující se v blízkosti silnic a ulic jsou přímo ohroženi. Nebezpečné složky výfukových plynů:

    

oxid uhelnatý,

organické látky – dráždí dýchací orgány a sliznice, ohrožují zejména děti a starší lidi, saze – často nosič PAH, projevují se tmavým kouřem z výfuku. oxidy dusíku – tvorba smogu, v minulosti sloučeniny olova.

Zpracování výfukových plynů z motorů Dvě hlavní opatření:

 

Sofistikovaná konstrukce zážehového nebo vznětového motoru – primární spaliny jsou čistší než v minulosti. Zpracování primárních spalin v katalytickém reaktoru.

Konstrukce katalytického konvertoru pro zážehové motory:

  

Nosič – monolitická konstrukce s rovnoběžnými kanály.

Na povrchu monolitu je tenká pórovitá vrstva z Al2O3, TiO2, SiO2, nebo směsi Al2O3 a SiO2. V pórovité vrstvě jsou zakotveny katalyticky působící kovy: Pt, Pd a Rh.

Zpracování výfukových plynů z motorů Dnes se používají tzv. třícestné konvertory (přesněji konvertory se třemi funkcemi):



 

Redukce oxidů dusíku na dusík a kyslík: 2NOx → xO2 + N2 Oxidace oxidu uhelnatého na oxid uhličitý: 2CO + O2 → 2CO2 Oxidace nespálených uhlovodíků na oxid uhličitý a vodu: CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O

Konvertor je doplněn lambda-sondou, která reguluje obsah kyslíku ve spalinách.

Zpracování výfukových plynů z motorů Zpracování spalin ze vznětových motorů je obtížnější:

 



Oxidační katalyzátor – odstraňuje nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý. Speciální filtry (diesel particulate filter (DPF)) zachycují saze, které se nejdříve hromadí v pórech filtru a později vytváří koláč. Tím roste tlaková ztráta a saze se musí spálit, tj. filtr se musí regenerovat nejčastěji zvýšením teploty. Redukce koncentrace oxidů dusíku: I. navracení části ochlazených spalin do sání; II. katalytická redukce pomocí NH3, který se vyvíjí z močoviny (tj. auto si veze zásobu jejího vodného roztoku).

Odsíření spalin ze spalování uhlí Hnědé uhlí může obsahovat až 5% hmot. síry.

 

Odsíření vápencem dávkovaným do fluidní vrstvy hořícího uhlí: CaCO3 = CaO + CO2 CaO + SO2 = CaSO3, CaO + SO3 = CaSO4 Dva způsoby odsíření za spalovacím prostorem:

 

Při suchém způsobu se rozprašuje vápenec do horkých spalin. Oxidy síry reagují s vápencem za vzniku siřičitanu a síranu. Siřičitan vápenatý podléhá další oxidaci. Při polosuchém způsobu je suspenze vápence rozstřikována do spalin. Pevné reakční produkty jsou zachytávány společně s popílkem.

Výroba motorových paliv – odsíření ropy Ropa obsahuje podle původu od 0,5 do 3% hmot. síry.

Cíle moderní technologie zpracování ropy:

 

Vyrobit co největší podíl lehkých frakcí, které jsou prosté síry a mohou být užity v petrochemickém průmyslu nebo k výrobě pohonných hmot. Snížit podíl těžkých frakcí a ropných zbytků, které jsou používány jako palivo.

Odstranění síry se provádí hydrogenačním odsířením, při kterém reaguje vodík s organickými sloučeninami síry za vzniku sulfanu a uhlovodíků. Sulfan se dále zpracovává na síru v Clausově procesu 2H2S + SO2 = 3S + 2H2O

Výroba automobilových benzínů (BA) Oktanové číslo (OČ) je jedna ze základních charakteristik BA, která vyjadřuje odolnost paliva proti samozápalu při stlačení ve válci zážehového motoru.

Vyjadřuje procentuální podíl iso-oktanu ve směsi iso-oktanu (2,2,4-trimethylpentanu) s n-heptanem, která je proti samozápalu stejně odolná jako zkoumané palivo (čistý n-heptan má definicí určeno OČ = 0, čistý iso-oktan má určeno OČ = 100). OČ dalších látek:

    

2,2,3-trimethylpentan, 110 2,2,3-trimethylbutan, 112 n-butan, 94 n-pentan, 62 n-hexan, 25

    

toluen, 120 cyklopentan, 101 methanol, 109 ethanol, 109 dimethylfuran, 119

Výroba automobilových benzínů Cíle moderní technologie: vysokooktanový benzín, který by obsahoval co nejméně škodlivých látek. Ideálně směs rozvětvených alkanů s přídavkem látek zvyšujících OČ, např. methyl(terc-butyl)etheru nebo ethanolu. K tomu se používají následující postupy:

   

Fluidní katalytické krakování (FCC), tj. štěpení větších molekul uhlovodíků (tv od 200 do 500C) na menší, např. C12H26  C7H14 + C5H12 Hydrokrakování. Štěpení CxHy za přítomnosti vodíku. Izomerace n-alkanů C5 a C6 z FCC. Konverze na rozvětvené alkany. Katalytické reformování: zvýšení OČ a výroba aromátů.

Výroba motorové nafty (MN) Cetanové číslo (CČ) je veličina udávající kvalitu motorové nafty z hlediska její vznětové charakteristiky. CČ udává množství n-hexadekanu (cetanu, CČ = 100) v objemových procentech ve směsi s 1-methylnaftalenem, CČ = 0, která má stejnou vznětovou charakteristiku jako srovnávaný vzorek skutečné pohonné látky. Čím vyšší CČ má MN, tím je lepší. Motor s přímým vstřikováním v takovém případě lépe startuje, má vyšší výkon, tišší a hladší chod a výfukové plyny obsahují méně nežádoucích zplodin hoření. Pro vyšší výkon klesá spotřeba MN. V budoucnosti lze očekávat legislativní úpravy dovolující prodávat MN s vyšším CČ (od roku 2006 v EU CČ  51). Aplikace (kyslíkatých) přísad pro lepší spalování.

Výroba motorové nafty Parafiny (n-alkany) jsou v naftě žádoucí z hlediska spalování, ale pro poměrně vysokou teplotu tuhnutí nesmí být přítomny v zimní MN.

Rafinérské procesy užité při výrobě MN:

 

Fluidní katalytické krakování. Hydrokrakování.

Alternativní procesy užité při výrobě MN:

 

Zpracování řepkového oleje, tj. esterů glycerolu a mastných kyselin. Reesterifikace methanolem. Fisher-Tropschův proces, tj. konverze směsi CO a H2 na kapalné uhlovodíky.

Čištění odpadních plynných proudů Vzduch nebo dusík vystupující z ventilace různých továren a dílen může obsahovat škodlivé příměsi.

    

Kyselé plyny jsou zachycovány v roztocích hydroxidu sodného. Organické sloučeniny mohou být adsorbovány na pórovitých látkách, tj. zachyceny na jejich povrchu. Příklad: aktivní uhlí nebo zeolity. Absorpce ve vhodných rozpouštědlech. Spalování v bezpečnostním hořáku. Katalytické spalování.

Principy zachycování prachu: elektrostatické odlučovače, tkaninové filtry, cyklóny a skrápěné kolony.

Procesy čištění odpadních vod Vodní toky a nádrže mají přirozenou čistící schopnost. Ta je ovšem při hustém osídlení silně překročena. Odpady jsou koncentrovány do jednoho místa a vyskytují se v nich látky, které nejsou v přírodě účinně odbourávány. Typy přirozených čistících procesů:

 

Areobní procesy. Probíhají za přítomnosti kyslíku. Produktem je biomasa (těla mikroorganismů) a oxidační produkty jako H2O, CO2 a sírany. Anaerobní procesy. Nepřítomnost kyslíku. Organické látky jsou přeměňovány na CO2, CH4, H2S a NH3.

Procesy čištění odpadních vod Posloupnost operací:



fyzikální  oddělení hrubých nečistot na česlích;

 



oddělení tuhých částic těžších než voda;

oddělení kapalin nerozpustných ve vodě, zejména látek ropného původu, tuků a olejů.

biologické  aerobní, tj. první stupeň čištění, obtížně se usazující kal, který je energeticky bohatý, část kapaliny prosté kalu lze vypustit do řeky;



anaerobní, tj. druhý stupeň čištění, kal je energeticky chudý a snadno se usazuje, pro obsah těžkých kovů nevhodný jako hnojivo.

Procesy čištění odpadních průmyslových vod Tři typy sloučenin:

  

biologicky rozložitelné;

biologicky nerozložitelné, ale netoxické látky; látky toxické pro mikroorganismy.

Mokrá oxidace: biologicky nerozložitelné a toxické látky jsou (katalyticky) oxidovány za drastických podmínek na látky, které lze biologicky dále odbourat.

Anorganické sloučeniny typu solí jsou odstraňovány pomocí různých druhů membránových procesů:

 

reverzní osmóza; elektrodialýza.

Skleníkový efekt (jev) Podstata skleníkového efektu

Skleníkový efekt Podstata skleníkového efektu – záření černého tělesa

Wienův posunovací zákon: maxT = 2,89810-3 mK Stefan-Boltzmannův zákon: I = sT4 s = 5,67010-8 Wm-2K-4 Teplota zemského povrchu je přibližně 287 K.

Závislost monochromatické intenzity vyzařování černého tělesa na vlnové délce, 

Skleníkový efekt Podstata skleníkového efektu

 

atmosféra dobře propouští viditelné světlo;

infračervené záření vyzařované zemským povrchem je absorbováno některými plyny a vyzařováno zpět k zemskému povrchu.

Vzácné plyny (např. Ar a He), dusík, kyslík a vodík neabsorbují viditelné světlo ani infračervené záření. Vodní pára, oxid uhličitý, methan, oxid dusný a ozón silně absorbují infračervené záření:

 

voda 36–70%, oxid uhličitý 9–26%,

 

methan 4–9%, ozón 3–7%.

Skleníkový efekt Skleníkový efekt je přirozenou součástí zemské atmosféry a byl přítomen na Zemi i v minulosti. Je podmínkou života na Zemi. Současná střední teplota je 15C, bez skleníkového efektu by byla jen -18C. Platí, že malá změna střední teploty má velké důsledky pro klima Země.

Antropogenní skleníkový efekt je označení pro příspěvek lidské činnosti k skleníkovému efektu. Je způsoben spalováním fosilních paliv, odlesňováním a změnami krajiny.

Má se za to, že antropogenní skleníkový efekt přispívá ke globálnímu oteplování. Přestože většina vědců považuje vliv lidského konání na klima za prokázaný, je předmětem sporu míra tohoto vlivu.