ИССЛЕДОВАНИЕ  ВАЛОВЫХ  ВЫБРОСОВ  ВТОРИЧНЫХ  ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ  В  АТМОСФЕРУ  Г.  ЗЕЛЕНОГРАДА  КАК  ПРАКТИЧЕСКАЯ  ЗАДАЧА  КОНТРОЛЯ  КАЧЕСТВА  АТМОСФЕРНОГО  ВОЗДУХА

Чернявский  Сергей  Анатольевич

аспирант  Национального  Исследовательского  Университета  Московского  Института  Электронной  Техники,  РФ,  г.  Зеленоград

E -mail:  spin204@yandex.ru

Каракеян  Валерий  Иванович

д-р  техн.  наук,  профессор,  Национальный  Исследовательский  Университет  Московский  Институт  Электронной  Техники,  РФ,  г.  Зеленоград

E-mail:  zelikar@  mail.ru

THE  STUDY  A  GROSS  EMISSIONS  OF  SECONDARY  POLLUTANTS  INTO  THE  ATMOSPHERE,  ZELENOGRAD  AS  A  PRACTICAL  TASK  THE  QUALITY  CONTROL  OF  ATMOSPHERIC  AIR

Chernyavskiy  Sergey

postgraduate,  National  Research  University  of  Electronic  Technology,  Russia,  Zelenograd

Valeriy  Karakeyan

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

АННОТАЦИЯ

Проводятся  исследования  валовых  выбросов  первичных  и  вторичных  загрязнителей  в  атмосферу  г.  Зеленограда  со  стационарных  постов  контроля  на  основе  данных,  полученных  ГПБУ  «Мосэкомониторинг».  Приводится  сравнение  качества  воздуха  г.  Зеленограда  и  г.  Москвы  на  основе  официальные  данных  ГПБУ  «Мосэкомониторинг.

ABSTRACT

There  are  studies  of  gross  emissions  of  primary  and  secondary  pollutants  into  the  atmosphere  in  Zelenograd  from  the  stationary  control  posts  on  the  basis  of  data  from  “Mosekomonitoring”.  There  is  a  comparison  of  air  quality  in  Zelenograd  and  Moscow  on  the  basis  of  official  data  from  “Mosekomonitoring”.

Ключевые  слова:   первичный  загрязнитель;  вторичный  загрязнитель;  валовые  выбросы;  энергия  Гиббса;  константа  химического  равновесия.

Keywords:   primary  pollutant;  secondary  pollutant;  gross  emissions;  Gibbs’es  energy;  chemical  equilibrium  constant.

В  справочной  литературе,  а  также  в  центрах  сборах  информации  о  загрязнении  атмосферного  воздуха  информацию  о  годовом  загрязнении  атмосферы  от  объектов  тепло  и  электроэнергетики,  автотранспорта  и  прочих  антропогенных  источников  представляют  валовыми  выбросами  (т/год).  Но  по  этим  данным  практически  невозможно  определить  суммарные  выбросы  конкретного  загрязнителя.  И  тем  более,  очень  сложно  определить  валовые  выбросы  определённого  вторичного  загрязнителя.  Однако,  если  нам  известны  средние  концентрации  определённых  атмосферных  загрязнителей,  и  известно,  сколько  раз  были  замечены  превышения  ПДК,  а  также  средние  концентрации,  то  можно  рассчитать  валовые  выбросы  определённого  загрязнителя  в  год. 

В  г.  Зеленограде  имеются  три  стационарных  поста  контроля  загрязнения  атмосферного  воздуха.  Первый  пост  контроля  №  12  находится  в  6-ом  микрорайоне  города,  второй  №  13  —  в  8-ом  микрорайоне,  третий  №14  –  в  15-ом  микрорайоне.  Посты  №  12  и  №  13  фиксировали  концентрации  не  всех  загрязнителей,  а  пост  №  14  фиксирует  больше  количество  вредных  веществ,  из  чего  можно  сделать  вывод  о  том,  что  в  15-ом  микрорайоне  города  воздух  наиболее  загрязненный.  Рассчитанные  средние  концентрации  представлены  в  таблице  1.

Таблица  1. 

ПДК_с.с.  (г/м³)  по  г.  Зеленограду  за  2011—2013  года

По  данным  таблицы  1  экспериментальный  расчёт  валовых  выбросов,  каждого  первичного  вещества  проводится  по  формуле:

,                                      (1)

где:    —  среднесуточная  концентрация  загрязнителя  за  день  на  каждом  из  постов  наблюдения;

V   —  объём  геометрической  фигуры,  которой  наиболее  соответствует  территория  г.  Зеленограда.

Для  расчёта  валовых  выбросов  каждого  загрязнителя  на  территории  г.  Зеленограда,  представим  его  геометрической  фигурой,  чтобы  рассчитать  массу  вредных  веществ.  Выберем  такую  геометрическую  фигуру,  которая  будет  представлять  собой  «купол».  Наиболее  подходящей  фигурой  для  этой  цели  будет  цилиндр,  т.к.  он  имеет  равное  удаление  от  центра  до  стенки,  на  расстоянии  радиуса  R  с  высотой  H  от  нижней  точки  до  верхней.  Цилиндр  имеет  верхнюю  и  нижнюю  окружность,  площадь  S,  которых  одинакова.

Из  справочных  данных  известны  следующие  параметры:

•      Площадь  территории  г.  Зеленограда  S  =  37,2  км²;

•      Высота  жизненно-важного  слоя  атмосферы  H  =  50  м;

Рассчитаем  объем  купола,  заданный  цилиндром: 

V  =  π·R²·H  =  S·H  =  1,86·10⁹  м³.

Далее  произведём  расчёты  валовых  выбросов  каждого  первичного  загрязнителя  за  год  по  формуле  (1).

Таблица  2.

Валовые  выбросы  газообразных  первичных  загрязнителей  в  год,  т/год

Из-за  большого  количества  автотранспорта  в  г.  Зеленограде  валовые  выбросы  угарного  газа  (СО)  находятся  на  высоком  уровне,  и  это  приводит  к  тому,  что  под  действием  кислорода,  угарный  газ  быстро  трансформируется  в  углекислый  газ,  который  в  свою  очередь  приводит  к  образованию  парникового  эффекта.  Об  этом  будет  сказано  далее.

Любая  химическая  реакция,  которая  протекает  в  одном  направлении,  представима  в  виде  aА  +  bB  →  cC  +  dD.  Для  данной  реакции  справедливо  следующее  соотношение  [1],  [2]:

,                                                     (2)

где:    —  константа  химического  равновесия;

,  ,  ,    —  мольные  доли;

p₀   —  давление,  равное  1  атм.

Константа  химического  равновесия  K_p  связана  с  энергией  Гиббса  ∆G,  которая  определяет  возможность  протекания  реакции.  Если  ∆G  <  0,  то  реакция  протекает  самостоятельно  в  атмосфере,  в  результате  чего  может  образоваться  новое  химическое  вещество.  В  том  случае,  если  ∆G  >  0  реакция  самостоятельно  не  протекает.  K_p  и  ∆G  связаны  соотношением:

,

где:  Т  —  абсолютная  температура,  К;

R  —  универсальная  газовая  постоянная,  равная  8,314  Дж/(моль∙К)

Расчёт  мольных  долей  проводится  по  формуле:

,                                         (3)

где:  n_j  —  количество  вещества,  содержащееся  в  растворе,  моль;

—  количество  молей  воздуха  в  1  м³  при  стандартном  атмосферном  давлении  (p₀  =  1  атм).

  моль.

Количество  вещества,  содержащееся  в  растворе,  рассчитывается  по  формуле:

,                                                    (4)

где:  C_j  —  концентрация  вещества  в  атмосферном  воздухе,  г/м³;

М_j   —  количество  вещества,  содержащееся  в  растворе,  г/моль.

Основные  уравнения  химических  реакций  представлены  в  таблице.

Таблица  3.

Основные  химические  реакции  в  атмосфере  и  их  термодинамические  характеристики

Жирным  шрифтом  помечены  те  вещества  в  уравнениях,  концентрации  которых  не  удаётся  определять  на  стационарных  постах  наблюдения.  Произведём  вывод  формул  для  расчёта  указанных  химических  соединений.  Осуществив  подстановку  уравнения  (4)  в  уравнение  (3),  а  уравнение  (3)  в  уравнение  (2)  для  каждого  химического  уравнения,  выведем  соотношения  для  расчёта  концентраций  вторичных  загрязнителей.

Концентрации  вторичных  загрязнителей  будем  рассчитывать  по  экспериментальным  формулам:

;

;

;

;

,

где:    —  константы  химических  реакций  соответствующих  химических  реакций.

Для  удобства  вычислений,  будем  считать,  что  среднегодовая  температура  за  2011—2013  годы  10  °C  (283  K). 

С  помощью  программного  продукта  HSC  Chemistry  7.0  произведены  расчёты  энергии  Гиббса  и  констант  равновесия  при  заданной  температуре  воздуха.  Программа  позволяет  задавать  шаг  и  делать  расчёты  в  указанном  диапазоне  температур,  учитывать  агрегатные  состояния  веществ  в  химических  реакциях  и  задавать  температуру  в  Кельвинах  или  Цельсиях.  Далее  представлен  интерфейс  программного  продукта.

Рисунок  1.  Интерфейс  программного  продукта  HSC  Chemistry  7

Рисунок  2.  Подпрограмма  расчёта  термодинамических  параметров  химических  реакций  с  учётом  агрегатных  состояний  веществ

Минимальные  концентрация  воды  (H₂O),  аммиака  (NH₃)  и  кислорода  (O₂),  которые  необходимы  для  протекания  реакций  вторичных  превращений,  рассчитаны  по  принципу  химических  задач  на  избыток  и  недостаток.  Аммиак  на  территории  г.  Зеленограда  не  регистрируется  последние  10  лет,  но  из-за  присутствия  в  г.  Зеленограде  несколько  химических  предприятий,  например  ОАО  «Логика»  и  ОАО  НПО  «Стеклопластик»,  стоит  рассчитать  его  массу,  которой  будет  достаточно,  чтобы  прошла  реакция  с  его  участием.

  На  основании  этих  расчётов,  возможно  провести  экспериментальные  расчёты  концентраций  вторичных  загрязнителей.  И  далее,  можно  будет  сделать  вывод  о  том,  имеет  смысл  учитывать  вторичные  загрязнители,  или  же  они  не  заметны  в  атмосферных  процессах  и  для  научных  исследований  не  представляют  интереса.  По  аналогии  расчёта  концентраций  первичных  загрязнителей,  рассчитаем  концентрации  вторичных  загрязнителей.

Таблица  4.

Среднесуточные  концентрации  вторичных  загрязнителей  в  г.  Зеленограде,  г/м³

Большие  числовые  значения  константы  равновесия  K_p  увеличивают  возможность  протекания  реакции,  и  как  следствие,  увеличивают  количество  образования  вторичных  выбросов  в  атмосфере.

Проведём  экспериментальные  вычисления  валовых  выбросов  вторичных  загрязнителей  в  год.

Таблица  5.

Валовые  выбросы  вторичных  загрязнителей  в  год,  т/год

После  проведения  экспериментальных  расчётов  среднесуточных  концентраций  вторичных  загрязнителей  и  валовых  выбросов  вторичных  загрязнителей  (т/год)  можно  сделать  вывод  о  том,  что  вторичные  загрязнители  могут  присутствовать  гораздо  в  больших  концентрациях  в  атмосфере  по  сравнению  с  первичными.  В  первую  очередь,  это  триоксид  серы  SO₃,  который  приводят  к  образованию  серной  кислоты  H₂SO₄.  Такое  количество  данных  веществ  могло  бы  привести  к  образованию  смога  лос-анджелесского  типа.  Но  за  2011—2013  годы  подобный  смог  на  территории  г.  Зеленограда  не  был  зафиксирован.  Поэтому  можно  сделать  о  том,  что  на  практике  такое  сильное  загрязнение  воздуха  вторичными  загрязнителями  не  происходит  вследствие  различных  факторов  (ветер,  атмосферные  осадки).  Огромную  роль  в  очистке  воздуха  г.  Зеленограда  играют  лесные  насаждения,  они  успевают  переработать  значимую  часть  первичных  газообразных  веществ  и,  поэтому,  вторичные  загрязнители  присутствуют  в  значительно  меньших  количествах,  чем  в  таблице  4.  В  связи  с  этим  г.  Зеленоград  является  центром  современной  нано-  и  микроэлектроники,  которому  необходим  чистый  и  качественный  воздух.

Огромное  внимание  при  исследовании  загрязнителей  в  атмосферном  воздухе  стоит  обращать  внимание  на  двуокись  углерода  (CO₂).  Этот  газ  является  как  вторичным  продуктом  в  реакции  угарного  газа  с  кислородом,  так  и  первичным  загрязнителем,  который  выбрасывается  в  атмосферный  воздух  практически  всеми  предприятиями.  Этот  газ  усиливает  парниковый  эффект,  который  приводит  к  увеличению  среднеклиматической  температуры  и  глобальному  потеплению,  которое  выразилось  теплыми  зимами  и  жаркими  летами  2011  и  2012  годов. 

ГПБУ  «Мосэкомониторинг»  не  смогло  предоставить  показатели  качества  атмосферного  воздуха  за  2011—2013  г.,  но  поскольку  постольку  за  эти  годы  концентрации  первичных  загрязнителей  крайне  редко  превышали  ПДК,  то  можно  доверится  этим  данным  и  продемонстрировать  показатели  качества  атмосферного  воздуха  за  2005—2010  г.  Показатели,  характеризующие  загрязнение  атмосферы  в  г.  Зеленограде  в  сравнении  со  средними  показателями  по  г.  Москве  отражены  в  таблице  3.1.

Таблица  6.

Сравнительные  данные  показателей  загрязнения  атмосферы  за  2005—2009  годы

**  —  показатели  рассчитан  для  шести  загрязняющих  веществ:  диоксид  азота,  оксид  углерода,  взвешенные  вещества,  формальдегид,  фенол,  бензол,

***  —  показатель  рассчитан  для  восьми  загрязняющих  веществ:  диоксид  азота,  оксид  углерода,  взвешенные  вещества,  формальдегид,  фенол,  бензол,  диоксид  серы,  суммарные  углеводороды

По  данным  таблицы  6  видно,  что  уровень  загрязнения  атмосферного  воздуха  в  г.  Зеленограде  —  «Низкий».  Это  определяется  показателем  ИЗА.  Степень  среднегодового  загрязнения  атмосферы  —  «Слабое».  Показатели,  характеризующие  загрязнение  атмосферы  в  г.  Зеленограде  ниже  средних  показателей  по  г.  Москве.

Данное  исследование  позволяет  сделать  вывод  о  том,  что  с  ростом  техногенного  воздействия  на  окружающую  среду  необходимо  не  только  собирать  информацию  о  известных  веществах  (первичных  загрязнителях),  но  и  моделировать  поведение  вторичных  веществ  в  атмосфере,  которые  стационарные  посты  контроля  пока  не  могут  распознавать.  Для  наиболее  достоверной  информации  нужно  проводить  анализ  образования  вторичных  загрязнителей  в  жаркое  время,  когда  вероятность  протекания  реакции  очень  велика.  И  также,  необходимо  больше  всего  проводить  исследования  в  тех  местах,  где  концентрации  первичных  газообразных  веществ  превышают  ПДК  или  очень  близки  к  ним.

Список  литературы:

1.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.

2.Чернявский  С.А.  Расчёт  концентраций  вторичных  загрязнителей  в  атмосфере  на  примере  соединений  азота  и  серы  //  ТЕХНИЧЕСКИЕ  НАУКИ  —  от  теории  к  практике.  Новосибирск:  Сибак,  2013.  —  С.  195—202.