РАСЧЁТ  КОНЦЕНТРАЦИЙ  ВТОРИЧНЫХ  ЗАРЯЗНИТЕЛЕЙ  В  АТМОСФЕРЕ  НА  ПРИМЕРЕ  СОЕДИНЕНИЙ  АЗОТА  И  СЕРЫ

Чернявский  Сергей  Анатольевич

аспирант  НИУ  МИЭТ,  РФ,  г.  Зеленоград

E-mail:  spin204@yandex.ru

Каракеян  Валерий  Иванович

д-р  техн.  наук,  профессор,  НИУ  МИЭТ,  РФ,  г.  Зеленоград

E-mail:  zelikar@mail.ru

CALCULATIONOFTHECONCENTRATIONSSECONDARY  POLUTANTS  IN  THE  ATMOSPHERE  ON  THE  EXAMPLE  NITROGEN  AND  SULFUR  COMPOUNDS

Chernyavskiy  Sergey

postgraduate,  National  Research  University  of  Electronic  Technology,  Russia  Zelenograd

ValeriyKarakeyan

doctor  of  Engineering  Science,  National  Research  University  of  Electronic  Technology,  Russia  Zelenograd

АННОТАЦИЯ

В статье разобраны численные методы экспериментального вычисления концентраций вторичных загрязнителей  атмосферного  воздуха.  В  работе  исследуются  химические  соединения,  в  состав  которых  входят  азоти  сера.

На  основе  полученных  вычислений  можно  будет  сделать  вывод  о  том,  насколько  большие  концентрации  вторичных  загрязнителей  могут  присутствовать  в  атмосфере,  и  стоит  ли  на  них  обращать  большое  внимание  при  мониторинге  атмосферного  воздуха.

ABSTRACT

Article  dismantled  numerical  methods  of  experimental  calculations  the  concentrations  secondary  air  pollutants.  In  this  paper  we  study  the  chemical  compounds,  which  include  nitrogen  and  sulphur.

On  the  basis  of  the  received  calculations  we  can  draw  a  conclusion  about  how  large  concentration  of  secondary  pollutants  may  be  present  in  the  atmosphere,  and  whether  they  pay  great  attention  to  the  monitoring  of  atmospheric  air.

Ключевые  слова:  первичные  загрязнители;  вторичные  загрязнители;  константа  равновесия.

Keywords:  primary  pollutants;  secondary  pollutants;  equilibrium  constant.

Численный  расчёт  химических  соединений  в  атмосфере  является  одной  из  самых  трудоёмких  задач  современной  экологии.  На  сегодняшний  день  существует  достаточно  мало  технических  средств,  которые  бы  улавливали  подобные  вещества  и  показывали  их  концентрацию.  Также  из-за  погодных  условий,  солнечного  света  и  направления  ветра  сложно  определить,  произойдёт  ли  химическая  трансформация  или  нет.

Рассмотрим  химическую  реакциюaA  +  bB  →  dD  +  eE.  Для  такой  реакции  установлено,  что  независимо  от  того,  каковы  были  начальные  концентрации  реагентов,  присутствовали  или  нет  продукты  реакции,  в  состоянии  равновесия  сохраняется  постоянным  соотношение  [1]:

,

где:  [A]_p,  [B]_p,  [D]_p,  [E]_p  —  равновесные  молярные  концентрации  реагентов  и  продуктов  реакции;

a,  b,  d,  e  —  стехиометрические  коэффициенты  в  уравнении  реакции;

K_c  —  константа  химического  равновесия.

Для  равновесий  между  газообразными  веществами  удобнее  пользоваться  парциальными  давлениями  газообразных  веществ

,                                     (1)

  —  константа  химического  равновесия;

,  ,  ,    —  мольные  доли.

Константа  равновесия,  выраженная  через  концентрации,  и  константа  равновесия,  выраженная  через  мольные  доли  веществ,  связаны  соотношением

,

где:  R=8,314  Дж/(моль·K)  —  универсальная  газовая  постоянная;

T  —  абсолютная  температура,  К;

∆n  —  разность  коэффициентов  при  формулах  газообразных  веществ  в  правой  и  левой  частях  уравнения.

Константа  равновесия  связана  с  энергией  Гиббса  образования  вещества  соотношением:

,                                         (2)

где:  ΔG  —  изменение  энергии  Гиббса,  Дж/моль;

Рассмотрим  информацию,  полученную  в  г.  Зеленограде  со  стационарного  поста  наблюдения№14  ГУП  «Мосэкомониторинг»,  размещённом  в  15-ом  микрорайоне.  Здесь  представлены  максимальные  разовые  концентрации  основных  газов  NO,  NO₂,  SO₂,  O₃. 

Таблица  1. 

Максимальные  разовые  концентрации  первичных  загрязнителей  г.  Зеленограда,  полученные  на  стационарном  маршрутном  посту

В  таблице  представим  исследуемые  реакции  и  для  каждой  реакции  вычислим  энергию  Гиббса.

Таблица  2. 

Химические  реакции  вторичных  превращений  и  их  энергия  Гиббса

Для  реакции  (1.1)  подробно  опишем  поиск  концентрации  вторичного  вещества  HNO₃  [2].

,

,

,  ,,  —  мольные  доли;

  —  давление,  равное  1  атм.;

Мольные  доли  рассчитываются  по  формуле:

,                                                   (3)

Где:    —  мольная  доля  вещества  b  в  растворе;

  —  количество  вещества,  содержащееся  в  растворе  (моль);

—  количество  молей  воздуха  в  1  м³  при  стандартном  атмосферном  давлении.

Количество  вещества,  содержащееся  в  растворе,  рассчитывается  по  формуле:

,                                                    (4)

где:    —  концентрация  вещества  в  атмосферном  воздухе  (г);

  —  количество  вещества,  содержащееся  в  растворе  (г/моль);

Произведём  вычисления  концентрации  вторичного  загрязнителя  HNO₃  по  формулам  (1),  (3)  и  (4).

где

После  всех  преобразований,  с  учётом  (2),  получаем  формулу  расчёта  концентраций  частиц  HNO₃  в  воздухе:

Очевидно,  что  концентрация  вторичного  загрязнителя  будет  зависеть  от  температуры  воздуха.  Расчёты  для  всех  реакций,  указанных  в  таблице  будем  проводить  при  температуре  воздуха  T  =  298  K.

г/м³

Подобным  образом  вычислим  концентрации  других  загрязнителей. 

Вычислим  концентрацию  нитрата  аммония  в  атмосфере,  применяя  формулы  (1)—(4).

г/м³

Вычислим  концентрацию  серного  ангидрида  в  атмосфере,  применяя  формулы  (1)—(4).

г/м³

Вычислим  концентрацию  частиц  аэрозоля  серной  кислоты  в  атмосфере,  применяя  формулы  (1)—(4).

.

г/м³.

Необходимо  провести  сравнение  полученных  результатов  с  ПДК_м.р.  всех  веществ,  которые  могут  образоваться  в  атмосфере  согласно  табл.  3.

Таблица  3.

Сравнение  концентраций,  полученных  численно  с  ПДК_м.р.

Аналитические  расчёты  показывают,  что  при  формировании  в  атмосфере  вторичных  загрязнителей,  их  концентрация  значительно  увеличивается  по  сравнению  с  первичными,  и  значительно  превышают  ПДК_м.р.  Это  приводит  к  существенному  загрязнению  атмосферы  и  присутствию  в  ней  огромного  количества  частиц  различных  аэрозолей,  и  как  следствие,  образуется  в  атмосфере  смог.

Список  литературы:

1.Буйновкий  А.С.,  Безрукова  С.А.,  Лазарчук  В.В.  Скорость  химических  реакций  и  химическое  равновесие:Практические  руководство.  Северск:  Национальный  исследовательский  ядерный  университет  МИФИ,  2010.  —  С.  21—22.

2.Петелин  А.Л.,  Вишнякова  К.В.,  Михалина  Е.С.  Металлургия  техногенного  вторичного  сырья.  Прогноз  распространения  газовых  выбросов:  Курс  лекций.  М.:  МИСиС,  2011.  —  С.  42—43.