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.

---

3. приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов морей и океанов. Морские приливы и отливы – следствие воздействия на Землю (на ее водную поверхность) лунного (главным образом) и солнечного притяжений, а также воздействия центробежных сил, образовавшихся в результате вращения систем Земля-Луна и Земля-Солнце. Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Максимальное поднятие воды (полная вода) над минимальным опусканием уровня воды (малая вода) составляет в открытом океане около 1 м. Но в зависимости от очертания береговой линии, а также географической широты, глубины моря вблизи суши и других факторов, величина прилива может быть гораздо больше. В некоторых местах разность уровня моря во время приливов и отливов достигает 18 м (например, побережье Атлантического океана). Но таких мест на Земле мало. Так как приливная волна периодически изменяется (волна то наступает на берег, то отступает), то в соответствии с ней меняются напор и мощность станции. Первая ПЭС мощностью 240 тыс. кВт была построена во Франции в 1967 г. в месте впадения реки Роны в Ла-Манш. Устье реки было перегорожено дамбой длиной 700 м. В теле дамбы установлены «обратимые» гидроагрегаты, вращающиеся в одну стороны при приливе и в обратную при отливе. Стоимость сооружения ПЭС на Роне в 2,5 раза превысила стоимость обычной речной ГЭС такой же мощности.

Главный недостаток ПЭС – их вынужденный режим. ПЭС дают свою мощность, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волны. По мнению академика Капицы, есть еще более серьезные последствия использования ПЭС: строительство ПЭС большой мощности (сотни гигаватт) – а именно такие нужны для компенсации дефицита горючих ископаемых, на доли секунды замедлит вращение Земли. Последствия этого трудно даже предположить.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА. Ветер – движение воздуха относительно поверхности Земли, также имеет солнечное происхождение. Поверхность Земли в разных местах имеет различную степень черноты. Поэтому различные участки Земли под действием солнечной радиации нагреваются до различной температуры. Следовательно, и нижние слои атмосферы имеют неравномерный нагрев. Из-за этого неодинаково давление воздуха на одной и той же высоте, то естьь в атмосфере существует горизонтальное распределение давления. Это приводит к перемещению больших масс воздуха и возникает ветер. Наряду с энергией воды и домашних животных, ветер также используется с глубокой древности (ветряные мельницы). Сейчас используются ветротурбины. Чем больше площадь лопастей ветротурбин, тем больше энергии она позволяет получить. Очень эффективно использование комплексов небольших по размерам ветротурбин с размахом лопастей около 17 м и мощностью порядка 100кВт. От 50 до нескольких тысяч таких установок объединяют в ветроэлектростанцию (ВЭС). Например, в Калифорнии ВЭС в 17 тыс. ветротурбин суммарной мощностью 1500 МВт, заменяют полторы АЭС. Стоимость сооружения этих установок всего 1,25$ в пересчете на ватт, в то время как для ТЭС и АЭС расходы составляют 3 и 5$ соответственно.

Отрицательное воздействие ВЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

1. для изготовления десятков тысяч ветряных колес и башен придется резко увеличить производство алюминия или стеклопластика, а это весьма грязные производства;

2. при мощности одной установки в 250 кВт возникает шум силой 50-80дБ;

3. ветряные колеса генерируют опасные инфразвуковые колебания, которые весьма неблагоприятно действуют на организм, причем до такой степени, что территория самой ВЭС и прилегающие к ней участки становятся непригодными для жизни людей и животных;

4. возникают сильные радиопомехи;

5. нарушаются траектории движения перелетных птиц, ликвидируются места традиционного обитания птиц;

6. из-за крупномасштабного использования энергии ветра, он может рассеиваться; изменится «роза ветров», и следовательно, может нарушится климатическое равновесие, перенос влаги и тепла не только в районе, где построена ВЭС, но и далеко за его пределами;

7. ветровые установки требуют огромных территорий.

Трудность использования энергии ветра заключается также в его непостоянстве, как по силе, так и по направлению.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В недрах Земли в результате распада природных радиоактивные веществ идет постоянное высвобождение энергии. Поэтому внутренняя часть нашей планеты представляет собой расплавленную горную породу, которая время от времени вырывается наружу в виде вулканических извержений. Тепло земных недр и называется геотермальной энергией. Она практически неисчерпаема и вечна. Геотермальную энергию можно использовать и в тех местах, где с горячими горными породами соприкасаются грунтовые воды. Пар можно добывать, пробурив скважину от перегретых водоносных горизонтов, и с его помощью привести в движение турбогенераторы. К концу 90х годов общая мощность установок, работающих на геотермальной энергии, составляло около 5000 МВт. В общей сложности геотеплоэлектростанции (ГЕОТЭС) вырабатывают около 0,1 % от суммарной мощности электростанций мира.

На пути крупномасштабного использования геотермальной энергии есть проблемы. Горячие пар и вода, выносимые на поверхность Земли, содержат высокие концентрации солей и др. загрязнителей, в частности соединений серы. Эти примеси вызывают быструю коррозию турбин и др. оборудования, а выбрасываясь в конечном итоге в ОС, загрязняют воздух и воду. При закачивании воды фиксируются микроземлетрясения. Недавно обнаружилось, что ГЕОТЭС гораздо более радиоактивны, чем ТЭС в основном за счет радиоактивного радона и продуктов его распада. Установлено, что из всех естественных источников радиации радон является наиболее опасным. Он ответственен за 3/4 индивидуальной эффективной годовой дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и ½ дозы от всех естественных источников радиации. Кроме этого, мест с геотермальными водами невелико и многие из них расположены далеко от потребителя.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В 70-е годы впервые возникла идея о том, что для уменьшения загрязнения ОС в результате сжигания ископаемых топлив целесообразна замена их на Н2. О водороде стали все чаще говорить как о «топливе будущего». Это легко воспламеняющийся газ, который можно использовать в быту вместо природного; Н2 может служить автомобильным горючим. Теплотворная способность водорода Н2 – 120000 кДж/кг. Использование водорода гораздо чище с экологической точки зрения, так как единственным продуктом горения является вода Н2О. Таким образом, значительно сократилось бы загрязнение атмосферы. Водород самый распространенный элемент на Земле, но он практически не встречается в свободном виде, так как окисляется до воды. Это единственная серьезная преграда на пути крупномасштабного использования водорода в качестве горючего топлива. Следовательно, нужны перспективные методы его получения, хотя способов синтеза Н2 много. Простейшие из них – взаимодействие водных растворов кислот и оснований с металлами:

Zn + 2HCL → ZnCL2 + H2; Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2

Заслуживают внимания три варианта получения Н2 из органического сырья:

1. паровая конверсия метана СН4, являющегося главным компонентом природного газа:

СН4 + Н2О → СО + 3Н2 – 50 ккал

СО + Н2О → СО2 + Н2 + 10 ккал

СН4 + 2Н2О → СО2 + 4Н2 – 40 ккал – суммарное уравнение.

2. паракислородная конверсия метана СН4 – более совершенный вариант:

2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2 + 16 ккал

СН4 + Н2О → СО + 3Н2 – 50 ккал

7СН4 + 3О2 + Н2О → 7СО + 15Н2 – 34 ккал – суммарное уравнение.

Как следует из уравнений, в обоих вариантах требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

3. газификация угля: 2С + О2 → 2СО + 55 ккал; С + Н2О → СО + Н2 – 30 ккал. Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь водорода и угарного газа, называемого «водяным газом». В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Но уголь – ограниченный ресурс.

Очень перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного газа для восстановления окислов железа при 800-9000С: 2Fe3O4 + CO + H2 → 6FeO + H2O + CO2 – 22 ккал с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-7000С. После конденсации паров воды можно получить чистый Н2: 3FeO + Н2О → Fe3O4 + Н2 + 16 ккал. Экономичность процесса здесь возрастает из-за того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температуры, при которых в соответствии с последней реакцией имеет место восстановления оксидов железа.