Сегодня понятно всем, что кладовая Земли не бездонна. И если необходимые (необходимое используется, а остальное идёт в отходы!) и легко доступные (доступное сегодня!) полезные ископаемые извлекать так же, как и это делалось и в начале века, то они быстро иссякнут. Конечно, мы знаем, что ничто из ничего не возникает и не исчезает бесследно, т. е. использованные вещества, материалы, отслужив свой век, разлагаются, распадаются, но ведь химические элементы, из которых они состоят, рассеиваются в биосфере. Задача состоят в том, чтобы устранить эти потери.Научно-технический прогресс, дающий человеку много благ, одновременно оказывает и отрицательное влияние на окружающую природу. В результате сжигания топлива и других промышленных процессов за последние 100 лет в атмосферу выделено около 400 млрд. т оксида углерода (IV); его концентрация в атмосфере возросла на 18%. За год в атмосферу выбрасывается более 200 млн.т оксида углерода (II), более 50 млн.т оксидов азота.
Вредное воздействие на гидросферу оказывают продукты нефтехимических предприятий.
Какой же выход видит наука, в частности химия, из создавшегося экологического кризиса? Прежде всего это создание технологий, по которым большая часть природных ресурсов, вовлекаемых в хозяйственный оборот, должна будет преобразовываться в полезную продукцию. Ту часть, которую на современном уровне развития науки и техники нельзя использовать, необходимо обезвредить. Уже сегодня промышленные объекты имеют очистные сооружения для сточных вод, газо- и пылеулавливающие устройства, внедряются замкнутые системы водоснабжения, малоотходные технологические системы.
Для очистки воздуха и жидкостей от вредных примесей химики-технологи применяют абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы. При абсорбации вредных веществ происходит их растворение во всём объёме поглотителя или химическое взаимодействие в абсорбационной жидкости ( чаще всего в воде) с реагентом. Процесс адсорбации основан на способности некоторых мелкопористых веществ (уголь, силикагель) поглощать растворённые или газообразные вещества своей поверхностью. Например, если в камеру, где образуется нежелательный оксид серы (IV), ввести известняк, негашёную известь или доломит CaCO3, MgCO3, то произойдёт реакция:
2CaO+2SO2+O2=2CaSO4
Сульфат кальция находит применение в сернокислотном производстве и строительстве.
Известняк, а вернее, раствор карбоната кальция для улавливания оксида серы (IV) применяется на ТЭС. К сожалению, это не решает экологической проблемы полностью, так как образуются отходы в виде сульфита кальция, идущего просто в отвал. Кроме того, затраты на строительство сероулавливающих установок ныне действующих ТЭС составляют 50% стоимости всей станции.
Разработана комплексная схема переработки смолы пиролиза этиленового производства. Схема включает процессы термополиконденсации, фракционирования дистиллята, приготовления сажевого сырья с высоким значением индекса корреляции и синтеза суперпластификатора - эффективной добавки к бетонным смесям. На стадии термополиконденсации целевым продуктом является высококачественный нефтяной пиролизный пек, обладающий низким содержанием серы и мезогенными свойствами.
Из 1т. смолы пиролиза и реагентов, требуемых на стадии синтеза суперпластификатора (серной кислоты, формалина, едкого натра), может быть получено 370 кг нефтяного пека, 276 кг сырья для сажи, 1130 кг суперпластификатора (в виде водного раствора с концентрацией 36%) и 32 кг ароматической углеводородной фракции 70-180°С . Таким образом, по применяемой технологии практически вся смола пиролиза превращается в ценные товарные продукты. Углеводородные газы, получаемые на стадии термополиконденсации (выход 2-3%), могут быть утилизированы путем дожига в трубчатой печи. Сточная вода процесса термополиконденсации используется при синтезе суперпластификатора. Для основных продуктов процесса выполнены токсикологические испытания и технологические испытания в производстве бетона, искусственного графита и технического углерода (сажи).
Сейчас создана технология термокаталитической переработки тяжелых нефтяных остатков (мазутов, гудронов) с получением низкомолекулярных олефинов, легких дистиллятных продуктов и остатка с низким содержанием асфальтенов и металлов. В качестве катализаторов используются доступные и недорогие материалы. Преимуществом технологии по сравнению с известными способами переработки нефтяных остатков является низкий выход кокса при высокой степени конверсии; технология гидрооблагораживания широкой газойлевой фракции термокаталитической переработки нефтяных остатков с высоким выходом (до 70 % на сырье) дизельной фракции;
Кроме того созданы технологии комплексной безостаточной переработки гудрона с выпуском высококачественного дорожного битума (компаунды асфальта с tразм. = 70оС с сырьем), сырья каталитического крекинга (деасфальтизат с содержанием тяжелых металлов не более 10-15 ppm), высоковязкого масла для редукторов, трансмиссии и связующего для брикетирования углей.
Экологической химией разрабатываются отдельные промышленные производства по схеме биоценозов, в которых виды живых организмов связаны между собой так, что не происходит "выпадения" из круговорота химических элементов или веществ: отходы одного предприятия служат сырьём для другого. Создаются системы комплексного производства путём территориального и функционального объединения производств, использующих разные стороны используемого сырья.
Вся история развития цивилизации - поиск источников энергии. Это весьма актуально и сегодня. Ведь энергия - это возможность дальнейшего развития индустрии, получение устойчивых урожаев, благоустройство городов и оказание помощи природе в залечивании ран, нанесённых ей цивилизацией. Поэтому решение энергетической проблемы требует глобальных усилий. Свой немалый вклад делает химия как связующее звено между современным естествознанием и современной техникой.
В течение 80 лет одни основные источники энергии сменялись другими: дерево заменили на уголь, уголь - на нефть, нефть - на газ, углеводородное топливо - на ядерное. К началу 80-х годов в мире около 70% потребности в энергии удовлетворялось за счёт нефти и природного газа, 25% - каменного и бурого угля и лишь около 5% - других источников энергии.
Сейчас наиболее крупными потребителями органического топлива являются промышленность и тепловые электростанции. Из всего используемого топлива около 20% идёт на производство электроэнергии, 30% - на получение так называемой низкопотенциальной теплоты (отопление помещений, горячая вода и т.д.), 30% - на автономный транспорт (авиация, морской и автотранспорт). Около 20% топлива потребляет химическая и металлургическая промышленность.
В век научно-технического прогресса проблема нехватки энергетических ресурсов особенно обострилась, так как растущая техника требует всё больше и больше "питания" в виде электроэнергии, органического топлива и пр. Но кому же решать эту проблему как не самому НТП. И для этого есть все данные сегодня и в перспективе.
Поскольку среди видов горючего наиболее дефицитным является жидкое, во многих странах выделены крупные средства для создания рентабельной технологии переработки угля в жидкое (а также газообразное) топливо. В этой области сотрудничают учёные России и Германии. Суть современного процесса переработки угля в синтез-газ заключается в следующем. В плазменный генератор подаётся смесь водяного пара и кислорода, которая разогревается до 3000оС. А затем в раскалённый газовый факел поступает угольная пыль, и в результате химической реакции образуется смесь оксида углерода (II) и водорода, т.е. синтез-газ. Из него получают метанол: CO+2H2=СH3OH.
Метанол может заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания. В плане решения экологической проблемы он выгодно отличается от нефти, газа, угля, но, к сожалению, теплота его сгорания в 2 раза ниже, чем у бензина, и, кроме того, он агрессивен по отношению к некоторым металлам, пластическим массам.
История развития нефтяной индустрии короче, чем угольной. Хотя нефть использовалась с античных времён для освещения и как топливо, неудержимые темпы роста её добычи и использования тесно связаны с созданием авто- и авиатранспорта. Начиная с 1854 г. простой перегонкой нефти стали получать керосин. Низкокипящие фракции не использовалисяь. В 1913 г. американец У. Бартон разработал термический крекинг-процесс, который дал возможность не только производить до 50% бензина из нефти, но и осуществлять гидрогенизацию ненасыщенных углеводородов, образующихся во время крекинга. Например, в 1928 г. по крекинг-процессу из 195 млн. м3 нефти было полученно 62 млн. м3 бензина,18 млн. м3 керосина, 7 млн .м 3 смазочных масел, остальное - газойль, мазут, парафин, асфальт и др.
А нельзя ли бензин заменить газом? Впервые исседования по применению сжатого природного газа в транспорте велись в 30-х годах, а в 50-х на дорогах только нашей страны было 20000 автомобилей, работающих на таком горючем. Появившийся дешёвый бензин оказался вне конкуренции. Но в связи с повышение цен на нефтепродукты учёные снова обратились к старым проектам: бензин можно заменить сжиженой пропан-бутановой смесью, которую хранят при обычной температуре. Она дешевле бензина, менее токсична, продлевает срок службы двигателя. Но вся беда в том, что природные запасы газа также небезграничны, как и нефти.
В "Таинственном острове", опубликованном в 1874 г., Жюль Верн говорит о том, что уголь и другие ископаемые будут заменены новым топливом - водой, состоящей из водорода и кислорода, которые и станут неиссякаемыми источниками теплоты и света. Обнаружил горючесть водорода Я.ван Гельмонт. Это свойство делает водород основным претендентом на звание топлива будущего. При его сгорании в чистом кислороде достигается температура до 2800оС. Такое пламя легко плавит кварц и большинство металлов. Теплота сгорания водорода в кислороде равна 142650 кДж/кг.
