Раушан Ашкеева - Прикладная химия

• Название: Прикладная химия
• Автор: Раушан Ашкеева
• Жанр: Образовательная литература

Учебное пособие по дисциплине «Прикладная химия» к семинарским занятиям для студентов и магистрантов химического факультета.

В данном учебном пособии рассматриваются основные направления химизации экономики и сферы быта, практические результаты использования химических законов, закономерностей, принципов, экспериментальных методов, технологических приемов, а также химических продуктов в различных отраслях экономики и социально-бытовой сфере. В каждом разделе приведен теоретический материал, контрольные вопросы для повторения и тесты для самостоятельной работы.

---

Теплотворная способность нефтей высокая – 43000 кДж/кг, у продуктов нефтепереработки – до 46000 кДж/кг. Нефть практически лишена присущего твердым топливам недостатка – зольности. Но ее применение связано с одной специфической трудностью – транспортировкой. Химическая энергия, заключенная в нефти – самый «перевозимый» вид энергии. Почти вся нефть используется не там, где добывается. Добывается она там, где ее много и где добывать ее удобнее, а потребляется там, где есть развитая промышленность. В энергетическом балансе развитых стран главное место принадлежит нефти. Нефть универсальна в применении. Кроме того, что она используется в энергетике, в промышленности из нее получают более чем 3000 различных продуктов, в том числе в синтетические волокна, пластмассы, лекарства, красители и пестициды.

Углеводороды, находящиеся в составе нефти в месторождениях практически безвредны для окружающей среды. Но, попадая в атмосферу, почву, воду при использовании их человеком, нефть и нефтепродукты становятся загрязнителями природной среды. Легкокипящие фракции углеводородов являются огне- и взрывоопасными веществами и при попадании в атмосферу в больших количествах могут становиться виновниками взрывов и пожаров.

Особенно опасны последствия загрязнения гидросферы нефтью. Серьезное беспокойство вызывает загрязнение нефтью океанов в результате крушения танкеров и выбросов нефти на буровых скважинах, расположенных в открытом море. Такие примеры очень серьезны, но загрязнения нефтью вызванные ими, составляют лишь небольшую долю от общего количества загрязнений нефтяными углеводородами акватории мирового океана. Основная доля загрязнений приходится на транспортировку нефти (48 %, в то время как аварии около 5 %). В настоящее время более 58 % нефти перевозят морским путем, и ежегодно в морскую среду поступает до 3,5 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Почти такой же вклад в загрязнение океана нефтепродуктами дают реки и городские стоки. Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах крупных городов, попадая сюда из различных источников. К ним относятся системы отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки израсходованных смазочных материалов и т.д. Дожди вымывают эти остатки вначале в дренажные сооружения, а затем в воду. Периодически повторяющийся приток нефтепродуктов в воду даже в небольших количествах может привести к сокращению числа видов водных организмов, а в некоторых случаях – и к полному уничтожению жизни. В акваториях аккумуляции нефтепродуктов резко снижает содержание растворенного в воде кислорода, вызывая массовую гибель водных организмов не только в водной толще, но и в донных отложениях. Некоторые нефтяные продукты канцерогенны, и их накопление в трофической цепи может представлять опасность для человека. Загрязнение озерных вод нефтепродуктами губительно действует на водную растительность и плавающую птицу. Кроме того, нефтяные пленки на поверхности водоемов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между водой и атмосферой. Попавшая на поверхность воды нефть растекается на большие площади с расходом примерно 150 – 1000 л/км2. Вода приобретает запах керосина при содержании нефти 0,2 – 0,4 мг/л, причем этот запах не устраняется даже при хлорировании и фильтровании воды.

После попадания в океан нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. В результате таких процессов, как испарение, растворение, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок, состав нефти постоянно меняется из-за разложения и трансформирования составляющих нефти. Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25 % нефтяного пятна исчезает в результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения (до 5 %), причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре. Тяжелые фракции нефти с температурой кипения выше 3700С остаются на поверхности и, постепенно уплотняясь, со временем оседают на дно. Не разлагающиеся и не осаждающиеся нефтяные остатки обнаруживаются на поверхности воды в виде смолистых шариков. Биохимическое воздействие бактерий на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения или растворения. Но нет какого-либо одного микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Большинство превращений углеводородов нефти под действием бактерий сводится к процессу:

Н3С(СН2)nCH3 + O2 → H3C(CH2)n-1COOH + CO2 + H2O

Нефтяные углеводороды подвержены также процессам химического окисления и фотоокисления. Подсчитано, что для полного окисления 4л сырой нефти требуется О2, содержащийся в 1,5∙106л морской воды, насыщенной воздухом при 600С; это эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см с площадью 0,5∙104м2. Сокращение площадей, покрытых нефтяной пленкой за счет испарения, растворения, оседания, эмульгирования, биологического и химического окисления свидетельствует о больших способностях морей и океанов к самоочищению, но эти возможности не безграничны.

По наблюдениям со спутников, нефтяная пленка покрывает до 10-15 % поверхности Мирового океана или 36-54 млн. км2. Эта пленка, будучи достаточно устойчивой, нарушает водо- и газообмен между океаном и атмосферой, угнетает процессы фотосинтеза, изменяет световой и температурный режим у поверхности воды. Интенсивность света под слоем нефти убывает до 90 %, испарение воды уменьшается на 60 %. Одна тонна пролитой нефти может загрязнить около 12 км2 поверхности океана и погубить в нем все живое. Если загрязнение океана будет продолжаться, то это повлияет на кругообороты кислорода, диоксида углерода и воды. Многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так, под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бензо[а]пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.

Еще большую опасность нефть и нефтепродукты представляют для подземных вод. Когда углеводороды нефти попадают в подземную воду, они полностью сохраняют устойчивость, и не приходится рассчитывать на их бактериальное разложение или биохимическое окисление, что обусловлено недостатком бактерий и отсутствием кислорода, а также низкой температурой. Для загрязнения воды хватает совершенно незначительных количеств нефти, при содержании нефтепродуктов от 0,001 до 1 мг/л вода приобретает специфический запах и привкус. Восстановление первоначального состояния такой воды может происходить в течение длительного времени – даже столетий. А ведь подземные воды представляют собой не возобновляемые ресурсы пресной воды, которые необходимо сохранить для будущих поколений.

При аварийных разливах нефть проникает и в глубокие слои почвы, вплоть до грунтовых вод. Основные причины разливов нефти и нефтепродуктов – это коррозия и механические повреждения трубопроводов, нарушение герметичности резервуаров и аварии на нефтепромыслах. Разрыв только одного трубопровода может вызвать загрязнение территории площадью до 0,11 га. Реальные последствия для почв при накоплении в них различных нефтяных продуктов изучены далеко не полно. Поступление в почву компонентов нефти вызывает изменение физических, химических, биологических свойств и характеристик. Все это неизбежно вызывает снижение и даже полную утрату почвенного плодородия. Кроме того, углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенными свойствами, характеризующиеся стойкостью к микробиологическому расщеплению и способные переходить в растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и создает определенную угрозу для здоровья человека и животных. В загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели: изменяются содержание и состав гумуса, азота, фосфора, нарушается почвенно-поглощающий комплекс, снижаются порозность, аэрация и водопроницаемость, уменьшается доступная растениям влага.

Токсичные химические вещества нефти в процессе геохимической миграции в цепи почва – растения – живые организмы нарушают генетические свойства почв, оказывают ингибирующее влияние на растения, уменьшают их общую зеленую массу, вызывают глубокие изменения в составе крови живого организма, в клетках мозга, являются причиной онкологических заболеваний. Высокая степень загрязнения почв и атмосферного воздуха нефтепромыслов токсичными химическими веществами вызывает у населения тяжелые формы гепатита, болезней органов дыхания и туберкулез.