Використання води та повітря в якості допоміжної сировини в хімічній промисловості

1. Кисень (повітря) використовується під час горіння та інших окисних процесів.

Частка Оксигену на Землі ~ 50%. Атмосферний кисень становить від загальної кількості Оксигену — 0,013%, або 1 180 млн. т. До того ж його запаси постійно поновлюються: 1 га лісу виробляє 60 т кисню на рік).

Повітря. У хімічній промисловості повітря застосовують в основному як сировину або як реагент у технологічних процесах, а також для енергетичних цілей. Технологічне застосування повітря обумовлено хімічним складом атмосферного повітря; сухе, чисте повітря містить (об'ємна частка в %); N₂ — 78,10; О₂ — 20,93; Аг — 0,93; СО₂ — 0,03 і незначні кількості Не, Ne, Кг, Хе, Н₂, СН₄, О₃, NO. Найчастіше використовують кисень повітря як окислювач: окисний випал сульфідних руд кольорових металів, сірковмісної сировини при одержанні діоксиду сульфуру в сульфур-кислотному, целюлозно-паперовому виробництвах; окислення амоніаку у виробництві нітратної кислоти; неповне окислювання вуглеводнів при одержанні спиртів, альдегідів, кислот і ін.

Кисень, виділений ректифікацією рідкого повітря, у великих кількостях витрачають для кисневої плавки металів, у доменному процесі і т.п.; при ректифікації одержують також азот і благородні гази, в основному аргон. Азот використовують як сировину у виробництві синтетичного амоніаку й інших азотовмісних речовин і як інертний газ [22].

Повітря, застосовуване як реагент, піддається в залежності від характеру виробництва очищенню від пилу, вологи і контактних отрут. Для цього повітря пропускають через промивні вежі з різними рідкими поглиначами (Н₂О, луги, етаноламіни й ін.), мокрі і сухі електрофільтри, апарати з вологопоглинальними сорбентами й ін.

Енергетичне застосування повітря пов’язане насамперед з використанням кисню як окиснювача для одержання теплової енергії при спалюванні різних палив. Повітря використовується також як холодоагент при охолодженні газів і рідин через теплообмінні поверхні холодильників або в апаратах прямого контакту (наприклад, охолодження води в градирнях), при грануляції розплавів деяких сполук (наприклад, аміачної селітри).

В інших випадках нагріте повітря використовується як теплоносій для нагрівання газів або рідин. У пневматичних барботажних змішувачах використовують стиснене повітря для перемішування рідин і пульпи (флотація), у форсунках — для розпилення рідин у реакторах і топках.

2. Вода використовується як розчинник, реагент і теплоносій. (Якщо всі запаси води (75% поверхні Землі), а це І 386 млн. м3 рівномірно розподілити по всій земній кулі, то вона залишилася б під водою шаром 2 713 м. Проте прісна вода становить усього 2,5%. В наш час проблеми водопостачання полягають у проблемі транспортування і збереження чистоти природної води [13].

Завдяки універсальним властивостям вода знаходить у народному господарстві різноманітне застосування як сировина, як хімічний реагент, як розчинник, теплоі холодоносій. Наприклад, з води одержують водень різними способами, водяна пара застосовується в тепловій і атомній енергетиці; вода служить реагентом у виробництві мінеральних кислот, лугів і основ, у виробництві органічних продуктів — спиртів, оцтового альдегіду, фенолу й інших численних реакцій гідратації і гідролізу. Воду широко застосовують у промисловості як дешевий, доступний, невогненебезпечний розчинник твердих, рідких і газоподібних речовин (очищення газів, одержання розчинів і т.п.). Винятково велику роль грає вода в текстильному виробництві: при одержанні різних волокон — натуральних, штучних і синтетичних, у процесах обробки і фарбування пряжі, суворих тканин і ін. Витрата води на 1 т віскозного волокна складає 2500 м³.

Як теплоносій вода використовується в різних системах теплообміну — в екзотермічних і ендотермічних процесах. Теплота фазового переходу Р — Г води значно вище, ніж для інших речовин, унаслідок чого водяна пара, що конденсується, є самим розповсюдженим теплоносієм. Водяна пара і гаряча вода мають значні переваги перед іншими теплоносіями — високу теплоємність, простоту регулювання температури в залежності від тиску, високу термічну стійкість і ін., унаслідок чого є унікальним теплоносієм при високих температурах. Воду використовують також як холодоагент для відводу теплоти в екзотермічних реакціях, для охолодження атомних реакторів. З метою економії витрати води застосовують так називану оборотну воду, тобто використану і повернуту у виробничий цикл.

Природні води містять різні домішки мінерального й органічного походження. До мінеральних домішок відносяться гази N₂, O₂, CO₂ H₂S, CH₄, NH₃; розчинені у воді солі, кислоти і основи знаходяться в основному в дисоційованому стані у вигляді катіонів і аніонів: Na⁺, K⁺, NH⁴⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, HCO₃^-, C1^-, SO₄^2-, HSіО₃^-, F^-, NO, СО₃^2- ін. До органічних домішок відносяться колоїдні частки білкових речовин і гумінових кислот. Склад і кількість домішок залежать головним чином від походження води. За походженням розрізняють атмосферну, поверхневі і підземні води.

Атмосферна вода — вода дощових і снігових опадів — характеризується невеликим вмістом домішок. У цій воді утримуються в основному розчинені гази і майже цілком відсутні розчинені солі [18].

Поверхневі води — води річкових, озерних і морських водойм — відрізняються різноманітним складом домішок — гази, солі, основи, кислоти. Найбільшим вмістом мінеральних домішок відрізняється морська вода (солевміст більш 10 г/кг).

Підземні води — води артезіанських шпар, колодязів, ключів, гейзерів — характеризуються різним складом розчинених солей, що залежить від складу і структури ґрунтів і гірських порід. У підземних водах звичайно відсутні домішки органічного походження.

Якість води визначається її фізичними і хімічними характеристиками, такими, як прозорість, колір, запах, температура, загальний солевміст, твердість, окислюваність і реакція води. Ці характеристики показують наявність або відсутність тих або інших домішок.

Загальний солевміст характеризує присутність у воді мінеральних і органічних домішок. Для більшості виробництв основним якісним показником служить твердість води, обумовлена присутністю у воді солей кальцію і магнію. Твердість виражається в мілімоль-еквівалентах іонів Са²⁺ або Mg²⁺ у 1 кг води, тобто за одиницю твердості приймають вміст 20,04 мг/кг іонів кальцію або 12,16 мг/кг іонів магнію. Розрізняють три види твердості: тимчасову, постійн і загальну.

Тимчасова (карбонатна, або переборна) твердість обумовлена присутністю у воді гідрокарбонатів кальцію і магнію, що при кип’ятінні води переходять у нерозчинні середні або основні солі і випадають у вигляді щільного осаду (шумовиння):

Са (НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂

2Mg (НСО₃)₂ = MgCO₃*Mg (ОН)₂ + 3СО₂ + Н₂О Постійна (некарбонатна, або непереборна) твердість обумовлюється вмістом у воді всіх інших солей кальцію і магнію, що залишаються при кип’ятінні в розчиненому стані. Сума тимчасової і постійної твердості називається загальною твердістю. Прийнято наступну класифікацію природної води за значенням загальної твердості (h_о мг-екв/кг): h_о<1,5 — мала твердість, h_о = 1,5−3,0 — середня, h_о = 3,0:6,0 — підвищену, h_о = 6,0−12,0 — висока, h_о > 12,0 — дуже висока.

Окислюваність води характеризується наявністю у воді органічних домішок і виражається в міліграмах кисню, що витрачається на окислювання речовин, що міститься в 1 кг води.

Активна реакція води — її кислотність або лужність — характеризується концентрацією водневих іонів. Реакція природних вод близька до нейтрального; рН — водневий показник, коливається в межах 6,8−7,3.

Виробництва, в залежності від цільового призначення води, пред’являють строго визначені вимоги до її якості, до вмісту домішок в ній [18].

Шкідливість домішок залежить від їх хімічного стану або дисперсності, а також зв’язана зі специфікою виробництва, що використовує воду. Грубодисперсні, механічні суспензії засмічують трубопроводи й апарати, зменшуючи їх продуктивність, утворюють пробки, що можуть викликати аварію. Домішки, що знаходяться у вигляді колоїдних часток, засмічують діафрагми електролізерів, викликають піністисть води в апаратах, погіршують обробку тканин і т.п.

Величезну шкоду приносять розчинені у воді солі і гази, що викликають утворення шумовиння і поверхневе руйнування металів внаслідок корозії. У текстильній промисловості солі, розчинені у воді, приводять до великої перевитрати мила в процесах мийки і миловки внаслідок утворення кальцієвого і магнієвого мила, що не володіє миючою дією:

2R — COONa + Са (НСО₃)₂ = (R — СОО)₂ Са + 2NaHCO₃

При мийці і миловці у твердій воді втрати мила досягають 8%. Нерозчинні, клейкі кальцієве і магнієве мила закріплюються на волокні і міцно утримують адсорбовані частки забруднень, що різко погіршує фарбування (нерівномірність фарбування і тьмяний тон), знижує міцність.

Хімічні і дифузійні процеси багатьох виробництв тісно пов’язані з активною реакцією води. До них відносяться виробництво цукру, паперу, текстильне виробництво й ін. Особливо чуттєві до рН води всі біохімічні процеси, наприклад шумування, одержання антибіотиків [3].

Природна вода, що надходить у виробництво, піддається очищенню різними методами в залежності від характеру домішок і вимог, пропонованих до води даним виробництвом.

Основними завданнями хімії в розв’язанні сировинної проблеми є:

• 1. Комплексне використання сировини.
• 2. Повторне використання речовин:
  • а) регенерація — відновлення попередніх властивостей технічних матеріалів (гуми, мастил, розчинників) після їх використання;
  • б) рециркуляція — багаторазове використання різних видів сировини;
  • в) скрап — вторинна металева сировина з металобрухту.
• 3. Застосування нових видів сировинних матеріалів, створення штучної сировини:
  • а) біометалургія;
  • б) виготовлення штучних алмазів.
• 4. Використання відходів як сировини.

З початку VI ст. з надр Землі видобуто 60 млрд. т вугілля, 3 млрд. т залізної руди, 30 млрд. т міді, 30 тис. т золота. Щорічно у світі видобувають 20 млрд. т нафти, 2 млрд. т газу.

Кожні 11 років потреби в матеріалах на нашій планеті подвоюються. Проте сучасні доступні нам способи розробки верхнього шару земної кори використовують лише на глибину 1 км, рідко 2 км. Земна кора має глибину 16 км, хоч і становить тільки 1/418 частину загального об'єму земної кулі. Майже 98,6% кори складають 8 елементів: Оксиген, Силіцій, Алюміній, Ферум, Кальцій, Калій, Натрій і Магній. На долю всіх інших елементів припадає всього 1,4% маси. Кольорові та рідкоземельні метали містяться в кількості 0,01—0,001%. Слід наголосити, що виробництва пов’язані з розсіяними хімічними елементами є складнішими і коштовними.

З іншого боку, елементи, що є в природі, якби інтенсивно не використовувалися їх сполуки не зникають, а лише утворюють інші сполуки. Так запаси хімічних елементів на Землі залишаються постійними, і зменшуються швидкими темпами не природні ресурси взагалі, а тільки та їх частина, котра вводиться в економічний обіг на сучасному етапі розвитку.

У Японії розроблено новий папір, який можна використовувати, стерши написаний текст. Папір покритий шаром речовини, напис з якого змивається або водою, або водяною парою [7].

Американські та норвезькі фірми пропонують використовувати кремнезем, що відкладається у лушпинні рисових зерен для отримання чистого силіцію, який використовують для виготовлення напівпровідників. Лушпиння рису, який щорічно отримують у США, становить 2% світового врожаю, а це може дати 100 тис т чистого силіцію.

У попелі бурого вугілля, на якому працюють ТЕС, міститься від 2 до 5% Феруму. У Німеччині з 500 тис т попелу отримують 22 тис т концентрату, який містить 60% заліза.

Отже, нині гостро постала проблема переробки вторинної сировини. Ось деякі факти:

• * 120—130 т консервних банок дає змогу добути 1 т олова, для добування якого потрібно 400 т руди.
• * Переробка 20 т макулатури зберігає від вирубування 1 г лісу.
• * 31 т побутових відходів можна добути: 50 л ацетону, горючі гази (СН₄, Н₂, CO), дьоготь, смолу, 160 л нафти, і ще 25% побутових відходів використовують для виробництва добрив, 25% для виробництва паперу.
• * Світовий океан містить майже всі хімічні елементи періодичної системи. Хіміки ведуть пошук способів добування цінних елементів з морської води. Вважають, що їх понад 1 500 млрд. т, з них: натрію — 4 млн. т; магнію — 4 млн. т.; золота на одного мешканця планети — 1,5 кг.

З огляду на те, що масштаб виробництв в останні десятиліття значно зріс, а саме виробництво як у нашій країні, так і за її межами розвивалося за екстенсивною схемою, виникла серйозна проблема виснаження, природних джерел сировини. Уразі збереження нинішніх темпів споживання, нафта, газ, уран-235, легкі кольорові метали (крім алюмінію) можуть бути вичерпані до середини наступного сторіччя.