Лекции Copy

питания; Uвых – выходное сопротивление первичного преобразователя, пропорциональная концентрации горючего компонента, Р.К. – пористая реакционная камера.

Количество вредностей, выделяющихся из оборудования определяется по следующим формулам:

а) Для оборудования работающего под давлением:

Gg=m·rн·V (кг/час), где rн – плотность газа при рабочем давлении и температуре,

кг/м3; V – объем газовой фазы в оборудование, м3; m – показатель (коэффициент) негерметичности, час-1 (является функцией давления газовой фазы, вида газовой смеси, конструкции оборудования — берётся из справочных таблиц).

б) Для оборудования, работающего под разрежением (вынос вредных веществ происходит молекулярной диффузией навстречу потоку воздуха):

м2; ϑ – скорость, входящего через отверстия воздуха, м/с; а – длинна канала, м; С – концентрация газа внутри оборудования, г/м3; D – коэффициент диффузии газа в воздухе, м2/с.

Концентрация газовой смеси при авариях от точечного (размер разрушений мал, по сравнению с расстоянием от источника) источника,

определяется по формуле:

аварии, с; х – расстояние от источника аварии, м; А – константа (А=0,11). Защита атмосферного воздуха

от техногенных загрязнений.

Способы защиты атмосферы имеют свои особенности в энергетике и промышленности и на транспорте.

В энергетике и промышленности применяют следующие способы защиты биосферного воздуха:

а) Переход с одних видов углеводородного топлива на другие. б) Повышение эффективности использования энергии сырья.

в) Освоение альтернативных (безуглеродных) источников энергии.

г) Очистка выбросов в атмосферу.

На транспорте — два, в основном, способа:

а) Установка нейтрализаторов (каталитических), позволяющих снизить выбросы углеводородов до 87%, CO — до 85%, NOx — до 62%.

б) Разработка новых модификаций двигателей (в качестве заменителей бензина и дизельного топлива используются: этанол, метанол, природный газ, электроэнергия, модернизируют сам процесс сгорания в двигателе ).

Этот способ пока не особенно удачен — модификация удорожает стоимость автомобиля, снижая его надежность, а применение альтернативных топлив, решая одни проблемы, создает новые (например, применение метанола ограничивает выделение озона, но увеличивает в 2÷5 раз выбросы формальдегида (канцерогенного вещества) и

двуокиси азота — на 20–160%).

Очистка выбросов в атмосферу.

С − С Степень (коэффициент) очистки: η = 1С1 2 где С1 и С2 — концентрация

загрязнителя до и после очистки, мг/м3.

Иногда степень очистки измеряется в процентах: %= · , %.

Эффективность очистки несколькими ступенями определяется величиной суммарной степени очистки:

%= [1-(1- 1)·(1- 2)·...·(1- n)]·100 , %. где 1, 2,..., n — степень очистки воздуха каждой ступенью.

Обезвреживание выбросов в атмосферу может производится по двум направлениям:

1.Пылеулавливание и газоочистка (обезвреживание газообразных составляющих выбросов).

2.Термическое и каталитическое сжигание.

Пылеулавливание производится осаждением под действием сил тяжести, инерционных или электростатических сил, а так же промывкой и фильтрованием.

Осаждение под действием сил тяжести производится обычно в гравитационных пылеотделителях (пылевых камерах), которые представляют собой резкое увеличение в нижней части сечения трубопровода, по которому движется газовая смесь. В месте увеличения сечения скорость воздушного потока резко падает и часть пыли успевает под действием сил тяжести осесть в нижней части камеры, из которой она периодически удаляется. Такие устройства имеют сравнительно небольшую степень очистки (η=15÷20%) и обычно применяются в качестве 1-й ступени очистки. Устройства для очистки за счет инерционных (центробежных) сил носят название циклонов. Схема циклона приведена на рисунке. В циклоне воздух со скоростью 20÷25 м/с поступает внутрь цилиндрического корпуса по касательной к окружности. Воздух движется по спирали от периферии к центру внутрь, спускаясь по наружной спирали. Затем воздух поднимается по внутренней спирали и выходит через выпускную трубу.

Частицы пыли за счет центробежных сил отжимаются на внутреннею боковую поверхность корпуса и сползает вниз — в бункер, откуда периодически удаляется. В циклоне можно удалить довольно мелкую пыль (15÷20 мкм). Чем больше размер пыли, тем больше степень очистки. Степень очистки циклонов достигает 95%.

Устройства для очистки выбрасываемого воздуха за счет электростатических сил носят название электрофильтров. Схема простого электрофильтра представляется на рисунке.

В электрофильтре происходит явление коронивания на электроде (свечение), при этом воздух ионизируется. Отрицательные ионы (газа и пыли) движутся от электрода к корпусу, отдавая свой заряд корпусу. Пыль оседает на внутренней поверхности корпуса и сползает вниз – в бункер, откуда она периодически удаляется. Кроме того, в электрофильтрах (так же как и в циклонах) для интенсификации процесса сползания пыли в бункер, по корпусу фильтра периодически постукивают.

Применяются ещё тканевые (чаще всего рукавные) и пористые фильтры.

К лучшим способам очистки можно отнести скруберы и циклоны-скруберы. В последних, в отличие от простого циклона навстречу потоку воздуха направлены форсунки, разбрызгивающие мелкие брызги воды или какой-нибудь жидкости (например известковая вода). Частицы пыли смешиваются с брызгами воды или жидкости, что приводит к лучшему их отжиманию на стенки циклона и сползанию (стеканию) в бункер. Причем, при использовании извести с последней вступает в реакцию SO3, образуя гипс — полезное строительное вещество.

Термическое сжигание газообразных выбросов (например, сопутствующих газов при нефтепереработке) часто еще находит место в практике, хотя это и не лучший способ избавления от вредных примесей. Каталитическое обезвреживание выбросов пока находит малое применение, хотя в Австрии, Японии, ФРГ на электростанциях таким путем удается снижать количество окислов азота на 80–90%. Вообще обезвреживание от химически вредных газообразных веществ воздуха основано на двух методах: адсорбции и абсорбции.

Адсорбция — это процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси поверхностным слоем другого вещества – адсорбентом. В качестве последних используют вещества, обладающие высокой пористостью (активированный уголь, селикагель, гопкалит, алюмогель и молекулярные сита — цеолиты), иногда покрытые тем или иным веществом для реакций с составляющими газовой смеси.

Абсорбция — поглощение вещества всем объемом поглощающего тела. В качестве поглотителя здесь используются жидкости.

Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение присутствует во вселенной с момента ее возникновения – « большого взрыва», происшедшего около 20 миллиардов лет назад. Это, так называемое, первичное космическое излучение представляет поток частиц высоких энергий и состоит из протонов (90%) и α-частиц (ядра гелия – 10%).

Другими источниками первичного космического излучения являются звездные взрывы и образование сверхновых звезд.

Энергия космического ионизирующего излучения очень велика 1012-1014 МэВ (для сравнения в самом совершенном синхрофазотроне можно ускорять частицы до энергий 105 МэВ). Взаимодействуя с ядром атомов воздуха, талия частицы вызывают вторичное

космическое излучение, которое в свою очередь, способно вызвать ряд последующих превращений.

Источником ионизирующих излучений на Земле являются естественные радионуклиды (разновидности атомов одного и того же элемента с различным числом нейтронов), присутствующие в биосфере с момента возникновения Земли и образующиеся под воздействием космического излучения. К радионуклидам относятся только нестабильные изотопы элементов, способные к превращению в другие элементы. Элементы с порядковым номером более 82 образуют радиоактивные семейства – длинные цепочки радионуклидов (в природе известны три семейства: урана U-238, тория Tr-232 и актиния Ac-235). Конечный продукт распада этих трех семейств – один из стабильных изотопов свинца (Pb).

Однако и другие химические элементы, от водорода до свинца, имеют нестабильные изотопы (радионуклиды). Из нередкоземельных элементов только калий (К) участвует в формировании рациационного фона, но доля радионуклидов в природном калии очень мала (только 0,01%). В горных земных породах встречается также изотоп рубидия Rb-87 и члены двух семейств, родоначальниками которых являются уран 238 и торий 232. Из космогенных радионуклидов вклад в радиационный фон вносят нуклиды водорода H-3 и углерода С-14.

Радиоактивный распад и ядерные реакции в общем случае сопровождаются

б) излучением, представляющим поток электронов - «β» -излучение;

в) нейтронным излучением;

г) фотонным излучением («γ»-излучение, тормозное и рент-геновское).

Эти излучения обладают различной энергией и различной величиной пролета в воздухе и биологических тканях. Из этого следует, что разные виды излучений обладают различной проникающей способностью и различными ионизирующими свойствами в отношении биологических тканей.

Количественной характеристикой радионуклидов является активность, характеризуемая числом распадов за 1 сек, причем за единицу активности принят Беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Фактически, активность любого образца зависит от числа ядер в нем и меняется по мере распада. Время, за которое распадается половина ядер изотопа, называется периодом полураспада (Т ½). Количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела, называется поглощенной дозой (Д) и измеряется в Греях (Гр). Поглощенная доза в 1Гр равна энергии в 1 Дж, поглощенной массой в

1 кг.

Биологический эффект от воздействия ионизирующих излучений зависит не только от значения поглощенной дозы, но и от вида излучений. Этот эффект наиболее адекватно характеризуется плотностью ионизации, создаваемой различными видами излучений. Указанные различия учитываются эквивалентной дозой Дэ, которая равна произведению поглощенной дозы Д на коэффициент качества излучения Кк. За эталонное значение принята плотность ионизации, создаваемая вторичными электронами (при воздействии «β» или «γ»

излучений), так как она является минимальной при одной и той же поглощенной дозе, по сравнению с другими видами ионизирующих излучений (Кк,γ = Кк,β = 1). Для смешанного излучения эквивалентная доза определяется путем суммирования произведений поглощенных доз каждого вида излучения (Дι ) на соответствующий им коэффициент качества (Кк ι ):

ι = n

Дэ = ∑ Дι Кк,ι

ι = 1

За единицу эквивалентной дозы в системе СИ принят Зиверт (Зв), равный поглощенной дозе в

1 Гр для « γ» и «β»-излучения.

Оценка биологического эффекта от воздействия ионизирующих излучений посредством эквивалентной дозы справедлива только при небольших интенсивностях облучения (до 0,25 Зв). При облучении большими дозами пока не установлена связь между уровнем облучения и биологическим эффектом. Эквивалентная доза характеризует эффект суммарного (за все время) облучения. Характеристикой эффективности воздействия ионизирующего излучения на объект является понятие мощности дозы – N д (эквивалентной дозы NЭД), которые определяются как доза (эквивалентная), получаемая объектом в единицу времени (Гр/с; Зв/с).

Для оценки последствий воздействия ионизирующих излучений на человека необходимо учитывать различие в чувствительности к излучению различных органов и тканей. Это различие учитывается с помощью коэффициентов радиационного риска – Кр (см.табл.1)

Таблица 1

Коэффициент радиационного риска

С помощью этих коэффициентов подсчитывается эффективная эквивалентная доза (Дэфф), которая определяет суммарный эффект облучения для органов человека:

ионизирующие излучения. Все существующие формы биоты формировались в условиях ионизирующих естественных излучений. Это обстоятельство дает основание считать естественный радиационный фон безопасным. Однако для оценки радиационной безопасности необходимо учитывать эффекты накопления и концентрации излучений, поэтому очень важно оценить вклад в суммарную дозу отдельных источников естественного и искусственного происхождения.

Естественные источники радиации

Естественные источники радиации приблизительно на 5/6 носят земное происхождение и на 1/6 космическое. Естественная радиация обуславливает (почти на 85%) внутреннее облучение населения Земли (см.табл.2).

Таблица

2

Средние годовые эффективные эквивалентные дозы от естественных источников радиации, μЗв/год

До сих пор основную часть радиационного облучения население Земли получает от естественных источников излучения (порядка 2,0 μЗв/год), что иллюстрируется следующими данными в табл.3.

Таблица 3

Средние годовые эквивалентные дозы облучения населения от искусственных и естественных источников, μЗв/год

Внешнее облучение космического происхождения возрастает с увеличением высоты (в 25 раз на высоте 12000м по сравнению с уровнем моря).

Уровни естественной внешней земной радиации зависят от радиоактивности горных пород, из которых образовалась почва, сорбции радионуклидов почвами. Средний уровень составляет 0,3-:-0,6 μЗв/год, однако на Земле есть ряд мест со значительным превышением этого уровня: штат Кэрая (Индия – Дэфф=3,8 μЗв/год), город Гуарапара (Бразилия –

Дэфф=250 μЗв/год), отдельные районы Франции (Дэфф= 17,5 μЗв/год).У населения, проживающего в этих районах, не выявлено явно отрицательных последствий

избыточного облучения. Большинство же населения планеты (~ 95%) проживает в районах, где уровень внешнего облучения земного происхождения приблизительно равен 350 мкЗв/год.

Внутреннее облучение создается радиоактивными изотопами, поступающими в организм человека с воздухом, водой и пищей, основная часть их – земного происхождения и только незначительная часть – радионуклиды космического происхождения – углерод С-14 и тритий Н-3.

Радионуклиды земного происхождения попадают в организм через желудочнокишечный тракт и органы дыхания:

а) радионуклид калия К-40 попадает с пищей, усваивается наряду с нерадиоактивными изотопами этого элемента, концентрируется в красном костном мозге и в легких, создавая в них дозы, в 1,5-:-1,7 превышающие указанную дозу для всего тела (Дэфф=180 мкЗв/год; б) основную дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов двух радиоактивных семейств – урана 238 и тория 232 (эффективные дозы у них приблизительно равны и составляют по Дэфф=3 мкЗв/год) – они поступают в организм с пищей (полоний Po-218, свинец Pb-210, радий Ra-226). Эти нуклиды, проходя через

трофические цепи, накапливается в некоторых продуктах питания: они концентрируются в рыбе, моллюсках, лишайниках и, как следствие, - в мясе северного оленя. Люди (в основном, народы Крайнего Севера), употребляющие значительное количество этих продуктов, могут получать дозы внутреннего облучения. в 35 раз превышающие средний уровень. Анализ последствий Чернобыльской аварии позволил выявить целый ряд накопителей радионуклеидов.

Основные «поставщики» радионуклеидов в организм человека – мясо-молочные продукты, причем в говядине их накапливается больше, чем в свинине (наиболее радиоактивны печень, почки, кости). Количество радионуклидов, переходящих в процессе переработки сырья в последующие продукты, зависит от вида переработки (при переработке молока в сметану переходит 5% стронция-90 и 21% цезия-137, а в сыры соответственно 45% и 10%. Очень активно усваивают радионуклиды бобовые и столовая зелень (укроп, петрушка, сельдерей, салат, шпинат), лекарственные растения, чай, косточки и семена плодов. Картошка не является концентратором радионуклидов – ее загрязнение пропор-ционально загрязнению почв.

Наиболее опасными источниками естественного облучения являются инертные газы радон 222 (из семейства урана 238) и радон 220 – торон (образуемый продуктами распада тория –232). По оценке ООН, радон и продукты его распада (в большей степени) создают

¾годовой индивидуальной дозы, получаемой населением от земных продуктов радиации. Радон поступает из земной коры повсеместно, однако его концентрация в наружном

воздухе изменяется в широких пределах (см. табл.4)

Таблица 4

Концентрация радона (Бк/м3) в воздухе в различных точках земного шара

Опасность радона резко возрастает в помещениях, где его концентрация может в 5000 раз превышать наружную (выявлено в Швеции, Великобритании, в США). Источником поступления тут являются, в основном почва под зданиями и строительные материалы

(см.табл.5).

Таблица 5

Средняя удельная радиоактивность строительных материалов (Бк/кг)

Некоторые из этих материалов являются отходами других производств и их применение в индустрии строительных материалов ранее приветствовалось защитниками окружающей среды. Так, кальций-силикатный шлак и фосфогипс являются отходами переработки фосфорных руд. Только в Японии в 1974 г. израсходовано в строительстве 3 млн.тонн этих материалов, а выделяемая коллективная эффективная доза только с применением фосфогипса составит 300000 чел.·Зв.