Химия и защита окружающей среды

Одной из глобальных проблем современной цивилизации является проблема охраны окружающей среды, в том числе минимизация воздействия химических веществ и материалов на биосферу нашей планеты.

Биосфера — это область жизни на Земле. В состав биосферы входят атмосфера, литосфера (часть земной коры и почва), гидросфера (океаны, моря, реки, озера), флора и фауна.

Биосфера, в которой существует жизнь на нашей планете, складывается из ряда экологических систем. До конца XVII в. между деятельностью человека и природой существовало равновесие. Вырубка лесов, распахивание почв, выброс различных веществ в атмосферу компенсировались природой. Но в последующий период истории производственная деятельность человека привела к нарушению сложившегося экологического равновесия. Загрязнение окружающей среды связано прежде всего с отравлением воды, воздуха, почвы, которое непосредственно влияет на здоровье и самочувствие людей. На рисунке приведены основные типы загрязнений воды и воздуха и их источники.

Химическое загрязнение окружающей среды

Многие химические реакции, осуществляются при производстве химической продукции в промышленных масштабах.

Химическая промышленность выпускает огромное количество химических веществ и материалов, среди которых пластмассы и минеральные удобрения, синтетические волокна и каучуки, строительные материалы, лаки и краски, моющие средства и лекарства, пищевые добавки, кислоты, щёлочи, соли и др. Технологии их производства никогда не были безотходными и в большинстве своем остаются таковыми и сегодня.

Вредные отходы химических производств выбрасываются в атмосферу, поступают в канализацию, а из нее — в природные водоемы. В результате этого в окружающую среду постоянно и, к сожалению, в очень больших количествах попадают вредные вещества. Это приводит к нарушению естественного баланса веществ на нашей планете и снижает способность природы к саморегуляции. Процессы самоочищения в окружающей среде происходят очень медленно в силу того, что чуждые природе, не встречающиеся в ней ранее химические соединения с трудом включаются в естественные круговороты и пищевые цепи. Бактерии и грибы, солнечный свет и кислород атмосферы попросту не справляются с разложением молекул загрязнителей на более простые и менее вредные соединения. Это уже явилось причиной нежелательных изменений в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли, которые негативно сказались на состоянии растительного и животного мира, на здоровье человека.

Загрязнение воды приводит к повышению концентрации биогенных элементов (азота, серы, фосфора, калия и др.). Это в свою очередь вызывает бурное развитие водорослей, водоемы превращаются в болота. Загрязнение воды соединениями металлов (свинца, ртути, кадмия, селена и др.) при превышении их ПДК (предельно допустимых концентраций) вызывает серьезные нарушения здоровья людей. Загрязнение органическими веществами промышленного и природного происхождения приводит к уменьшению количества растворенного в воде кислорода, водоемы теряют способность к самоочищению, вода приобретает гнилостный запах, гибнут рыба и другие обитатели водоемов.

Воздействие на атмосферу продуктов сжигания топлива из-за содержания в них оксидов углерода, азота и серы приводит к снижению качества воздуха и вызывает кислотные дожди. Из-за переноса воздушных масс на большие расстояния кислотные дожди могут выпадать за сотни километров от источника загрязнения. Они губительно действуют на строительные сооружения, памятники архитектуры (рис. 155). Выбросы углекислого газа и химических веществ, снижающих содержание озона в верхних слоях атмосферы, могут привести к изменению климата или образованию озоновых дыр. Загрязнение атмосферы может быть связано также с попаданием в нее твердых частиц (цементной пыли, пыли горно-металлургических предприятий и т. д.). Накопление в атмосфере пыли, задерживающей солнечные лучи, способно привести к понижению температуры на Земле.

Загрязнение атмосферы выбросами промышленных предприятий, двигателей внутреннего сгорания и продуктами сгорания твердого топлива в условиях высокой влажности могут приводить к образованию смога в больших городах. Известно много экологических катастроф, связанных с образования смога, которые привели к массовой заболеваемости и гибели людей.

Загрязнение почвы возможно не только в случае попадания в нее отходов химических производств или солей тяжелых металлов, но и при неграмотном применении минеральных удобрений и ядохимикатов. Загрязняющие вещества из почвы по пищевым цепочкам способны попадать в организм человека, концентрироваться в нем и приводить к отравлению.

Наконец возможно потенциальное заражение воздуха, воды и почвы радиоактивными отходами, образующимися при производстве ядерного оружия и атомной энергии. Особое внимание к таким загрязнителям связано с ликвидацией последствий аварий на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. и на АЭС Фукусима-1 в Японии в 2011 г.

Главная причина загрязнения окружающей среды — безграмотное применение и использование различных процессов, химических веществ и материалов. Поэтому изучение химических и экологических свойств веществ позволяет не только их рационально использовать, но и свести к минимуму отрицательные воздействия на окружающую среду.

Защита окружающей среды

Лучшим способом защиты окружающей среды является применение безотходных или малоотходных технологий. При безотходной технологии рационально используются все компоненты сырья и энергии. В малоотходном производстве вредное воздействие на среду не превышает допустимого уровня. Например, при промышленном синтезе оксида серы(VI) непрореагировавший, экологически опасный сернистый газ  многократно возвращается в производство.

Примерно с середины 90-х гг. прошлого века в химической промышленности начало развиваться новое научное направление — так называемая Зеленая химия, что предполагает вдумчивый отбор исходных материалов и схем процессов, который полностью исключает использование вредных веществ, позволяет получать нужные вещества и материалы, не нанося вреда окружающей среде на всех стадиях производства.

На любом производстве необходимо стремиться к использованию безотходных технологий и предусматривать возможность переработки и утилизации промышленных отходов.

Методы очистки отходов можно разделить на физические, химические и биологические. К физическим методам относят фильтрацию, осаждение в специальных отстойниках, промывание, пыле- и газоулавливание и др. Химические методы очистки связаны с переводом отходов в нерастворимое или малорастворимое состояние с целью последующей нейтрализации, окисления или восстановления. Например, промышленные отходы хлороводорода можно нейтрализовать содой:

Большое значение имеет биологическая очистка сточных вод (рис. 156). После отстойников сточные воды помещают в специальные камеры, где через воду пропускают воздух. Это приводит к быстрому росту бактерий, которые питаются органическими примесями в воде. Бактерии образуют массу, называемую активным илом. Этот ил оседает в отстойниках. Степень очистки воды при использовании данного биохимического способа достигает 90 %.

Необходимо отметить, что отходы производства могут рассматриваться как источники вторичного сырья. Так, переработка отходов ОАО «Гомельский химический завод» позволит получать гипс, а твердые отходы использовать при строительстве дорог. Металл в виде вторичного сырья используется уже довольно широко: примерно половина мирового производства связана с его переработкой.

Очень актуальным в последнее время является решение проблемы защиты окружающей среды от бытового мусора — так называемых твердых бытовых отходов (ТБО). В Беларуси ежегодно скапливается около 3 млн т таких отходов. Их количество, приходящееся на одного жителя страны, составляет примерно 2,5 т в год. Как показывает практика, одним из эффективных способов решения данной проблемы является раздельный сбор бытового мусора (рис. 157). Он позволяет использовать значительную часть ТБО (битое стекло, пластиковые бутылки, бумагу) для вторичной переработки, значительно упрощает и удешевляет утилизацию других бытовых отходов.