Экология современного производства

План

 

 

1.Физико-химическая характеристика и биологическая роль азота, водорода, метана и аммиака.

2.Какие меры предупреждения газовыделений в производстве азотной кислоты являются наиболее перспективными?

3.Что представляют собой металлургические шлаки, и каковы их важнейшие свойства?

4.Практический вопрос. Изобразите схему производства алюминия и эмиссию веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физико-химическая характеристика и биологическая роль азота, водорода, метана и аммиака

 

 

Азот – элемент V группы периодической системы с атомным номером 7. Открыт азот в 1772. Д. Резерфордом (Шотландия). Азот – газ без цвета и запаха, в молекулярной форме занимает 78% объема земной атмосферы.

При обыкновенных условиях азот бесцветный газ без вкуса и запаха; два последних отрицательных признака, очевидно, обусловлены его полнейшей химической индифферентностью к нервным тканям дыхательных путей и языка.

Неорганические соединения азота встречаются в природе в небольших количествах, что связано с хорошей растворимостью многих из них. Видимо, поэтому содержание азота в почве относительно невелико (около 1 г на 1 кг). Тем не менее, азот один из основных элементов. Будучи незаменимым компонентом молекулы белка, азот является строительным материалом для всего живого. Поэтому азот иногда называют "органогеном". Азот постоянно извлекается из почвы растениями, в результате чего почва может истощаться и становится менее плодородной.

При соединении с водородом азот образует аммиак NH3, а при соединении с кислородом – ряд окислов. Получают азот из сжиженного воздуха.

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9•1011 т.                    Сине-зеленые водоросли усваивают газообразный азот из атмосферного воздуха. Растения добывают азот из почвы в виде растворимых нитратов и соединений аммиака.

Основная функция и способность азота – образовывать пептидные связи и формировать все разнообразие белков, а также участвовать в составе множества биологически активных гетероциклов. Азот необходим всем живым организмам для синтеза азотсодержащих строительных блоков - аминокислот, из которых образуются белки и нуклеиновые кислоты.

Азот в виде аминогруппы –NH2 входит в состав различных биолигандов, играющих огромную роль в процессах жизнедеятельности (аминокислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты).

Физиологическая роль азота в организме ассоциируется, прежде всего, с белками и аминокислотами, их метаболизмом, участием в жизненно-важных процессах и влиянием на эти процессы. Аминокислоты являются исходными соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов, медиаторов, пигментов, пуриновых и пиримидиновых оснований. Белки в пересчете на сухой вес составляют 44% от массы тела.

Изменения в содержании белков и аминокислот, расстройства их метаболизма могут быть вызваны различными причинами. Среди этих причин – их недостаточное (или избыточное) поступление, нарушение переваривания и всасывания белка в желудочно-кишечном тракте, расстройство процессов экскреции азота и его соединений. Интегральным показателем состояния белкового обмена является азотистый баланс, т.е. разница между количествами азота, поступающего извне и выводимого из организма за сутки. Сдвиги в обмене белков сопровождаются разнообразными клиническими проявлениями. Известны многочисленные аминоацидопатии – последствия нарушения промежуточного обмена аминокислот (фенинилаланина, лейцина, валина).

В последние годы оксид азота (NO) воспринимается как один из важнейших иммунотропных медиаторов. NO синтезируется из аминокислоты L-аргинина в присутствии фермента NO-синтетазы. Главным источником и местом образования NO в организме является эндотелий, общая масса которого в теле человека достигает 1,5 кг.

Функции оксида азота в организме весьма многообразны. NO участвует в поддержании системной и локальной гемодинамики, способствует снижению повышенного тонуса гладкой мускулатуры сосудов и обеспечивает поддержание нормального уровня артериального давления. NO выступает в роли нейротрансмиттера в желудочно-кишечном тракте, мочевыводящей и половой системе. При иммунном ответе NO является стимулятором фагоцитоза и киллинга внутриклеточных паразитов. При сепсисе, под влиянием цитокинов, происходит высвобождение NO в больших количествах, что способствует развитию септического шока. Оксид азота играет важнейшую роль медиатора, в патогенезе бронхиальной астмы, хронического гломерулонефрита, туберкулеза, рассеянного склероза, болезни Крона, различных опухолей, а также СПИДа.

Благодаря способности NO инактивировать Fe-содержащие ферменты, происходит гибель внутриклеточных микроорганизмов, жизнедеятельность которых зависит от присутствия железа и других биоэлементов. Возможно, этот процесс происходит за счет комплексообразования оксида азота с металлами Fe, Co, Ni, Mn, Zn: [Me(NO)n]m+. Очевидно, что эта функция NO является универсальной и отводит NO решающую роль в элиминации "стареющих" молекул цитохромов, каталазы, гемоглобина, а также в индукции апоптоза в клетках, где повышается уровень свободного, нехелированного железа.

Водород – элемент VII группы периодической системы с атомным номером 1.

Водород – газ без цвета и запаха, не растворяется в воде, образует с воздухом взрывоопасные смеси. Существуют три разновидности водорода: протий, дейтерий и тритий, различающиеся по числу нейтронов. Получают водород при электролизе воды, в качестве побочных продуктов при переработке нефти.

Водород является одним из самых распространенных элементов во Вселенной. Энергия излучаемая Солнцем рождается в результате реакции слияния четырех ядер водорода в ядро гелия. На Земле водород входит в состав воды, минералов, угля, нефти, живых существ. В свободном виде небольшие количества водорода встречаются в вулканических газах.

Роль водорода в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений. Лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объему).

Содержание водорода в организме взрослого человека составляет около 10% (7 кг на 70 кг массы тела).

Основная функция водорода – структурирование биологического пространства (вода и водородные связи) и формирование разнообразия органических (биологических) молекул. Водород способен реагировать с электроположительными и электронотрицительными атомами, активно взаимодействовать со многими элементами, проявляя при этом как окислительные, так и восстановительные свойства.

В реакциях со щелочными и щелочноземельными металлами водород выступает в качестве окислителя, а по отношению к кислороду, сере, галогенам проявляет восстановительные свойства.

При потере электрона атом водорода переходит в элементарную частицу - протон. В водном растворе протон переходит в катион гидроксония, который гидратируется тремя молекулами воды и образует гидратированный катион гидроксония . В виде этого катиона протоны и находятся в водном растворе.

В биологических процессах протон играет исключительно важную роль: определяет кислотные свойства растворов, участвует в окислительно-восстановительных превращениях. С участием ионов водорода происходит связывание катионов металлов в биокомплексы, протекают реакции осаждения ( образование минеральной основы костной ткани), гидролитический распад липидов, полисахаридов, пептидов.

В организме человека водород в соединениях с другими макроэлементами образует аминогруппы и сульфгидрильные группы, играющие важнейшую роль в функционировании различных биомолекул. Водород входит в структуру белков, углеводов, жиров, ферментов и других биоорганических соединений, выполняющих структурные и регуляторные функции. Благодаря водородным связям осуществляется копирование молекулы ДНК, которая передает генетическую информацию из поколения в поколение.

Вступая в реакцию с кислородом, водород образует молекулу воды. Вода – основное вещество, из которого состоит организм. В теле новорожденного человека содержание воды составляет около 80%, у взрослого – 55-60%. Вода принимает участие в громадном количестве биохимических реакций, во всех физиологических и биологических процессах, обеспечивает обмен веществ между организмом и внешней средой, между клетками и внутри клеток. Вода является структурной основой клеток, необходима для поддержания ими оптимального объема, она определяет пространственную структуру и функции биомолекул.

В биосредах часть воды (около 40%) находится в связанном состоянии (ассоциаты с неорганическими ионами и биомолекулами). Остальная часть, свободная вода, представляет собой ассоциированную водородными связями подвижную структуру. Между свободной и связанной водой происходит непрерывный обмен молекулами.

Воду, находящуюся в организме, принято условно разделять на внеклеточную и внутриклеточную. Внеклеточная вода, в свою очередь, это интерстициальная жидкость, окружающая клетки; внутрисосудистая жидкость (плазма крови) и трансцеллюлярная жидкость, которая находится в серозных полостях и полых органах. Накопление воды в организме (гипергидратация), может сопровождаться увеличением содержания воды в межклеточном секторе (отеки), в серозных полостях (водянка) и внутри клеток (набухание). Уменьшение содержания воды в организме (дегидратация), сопровождается снижением тургора, сухости кожи и слизистых оболочек, гемоконцентрацией и гипотензией.

Существует теория, связанная со структурированным характером воды, о так называемой информационной роли воды в живых системах и наличии у водных растворов структурной памяти.

Несмотря на то, что вода является одним из главных компонентов человеческого организма, ее роль до настоящего времени недооценена и мало изучена как учеными, так и представителями практической медицины. Между тем, потеря человеком почти всего гликогена и жира или половины белка по своим последствиям для здоровья значат меньше, чем потеря всего 10% воды (тогда как потеря 20% воды приводит к смертельному исходу).

Потребность человека в воде составляет 1-1,5 мл на Ккал потребляемой пищи, т. е., при энергетической ценности рациона в 2000 Ккал организму требуется от 2 до 3 литров воды в сутки. Около 300-400 мл воды ежедневно образуется в организме человека в результате различных метаболических реакций. Окисление 1 г углеводов приводит к образованию 0,6 г воды, 1,07 г липидов и 0,41 г белков.

Природный газ (метан) представляет собой смесь различных углеводородов с преимущественным содержанием метана СН4 (до 90 – 98 % по объему), не имеет цвета, обладает легким запахом чеснока и токсичными удушающими свойствами, в два раза легче воздуха, поэтому при утечках скапливается в верхней части помещения.

Основные физико-химические свойства метана СН4, это: температура воспламенения в кислороде, равна 650-750 °С, температура пламени при сгорании в технически чистом кислороде -- 2100 - 2200 °С, предел воспламенения при нормальном давлении в смеси с воздухом -- 5,0-15,0 %, с кислородом -- 4,7-58,9 %, максимальная скорость распространения пламени в смеси с кислородом – 3,3 м/с, низшая теплотворная способность -- 31400-37700 кДж/м3  и плотность при температуре 20 °С и давлении 0,101 МПа равна 0,68-0,9 кг/м3.

До конца 70-х годов природным источникам органических компонентов атмосферы уделяли мало внимания. Бытовало мнение, что из природных источников поступает гораздо меньше органических соединений, чем из антропогенных. Между тем выделение органических соединений в окружающую среду - универсальное явление, характерное для всех видов организмов от одноклеточных бактерий до высших растений и животных. Выделение этих веществ происходит в процессах дыхания, выброса отходов метаболизма и в результате деятельности органов внешней секреции.

Хотя исследование биоэмиссии органических веществ в атмосферу находится в начальной стадии, уже можно сделать некоторые выводы. Во-первых, биоэмиссия значительно сильнее антропогенной. Так, глобальная биоэмиссия лишь углеводородов (без учета метана) оценивается ориентировочно величиной 1,5 " 109 т/год, что более чем в 10 раз превосходит выделение углеводородов из антропогенных источников. Во-вторых, общее количество выделяемых живыми организмами органических веществ насчитывает тысячи наименований, причем эмиссия специфична для каждого микроорганизма, растения. В-третьих, существует группа универсальных соединений, которые присущи почти всем живым организмам и масштабы эмиссии которых особенно велики. В их числе метан, этилен, изопрен, этиловый спирт, ацетон. В выделениях хвойных деревьев присутствуют терпеновые углеводороды, представителями которых являются a- и b-пинены. Для лиственных растений более характерна эмиссия так называемого лиственного спирта - 3-гексен-1-ола: однако максимальная доля от общей эмиссии растительностью приходится на долю этилена, изопрена и терпенов.