Номер 6, страница 31, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

6. Какими методами можно уменьшить объем выбросов диоксида серы в атмосферу?

Решение

Диоксид серы ($SO_2$) является одним из основных загрязнителей атмосферы, образующимся в основном при сжигании ископаемого топлива (угля, мазута), содержащего серу, а также в металлургической промышленности. Уменьшение его выбросов является важной экологической задачей. Существует несколько основных подходов к снижению выбросов $SO_2$, которые можно разделить на группы: до сжигания, во время сжигания и после сжигания топлива.

1. Методы, применяемые до сжигания топлива (предварительная очистка)

Основная идея этих методов — уменьшить содержание серы в топливе до его использования.

— Использование низкосернистого топлива: Переход с высокосернистого угля и мазута на природный газ, который практически не содержит серы, или на угли с низким содержанием серы.

— Обессеривание (десульфуризация) топлива:

• Физическая очистка угля: Измельченный уголь промывают, при этом более тяжелые частицы пирита ($FeS_2$), содержащего серу, отделяются от более легкого угля.

• Гидроочистка нефтепродуктов: Удаление серы из жидкого топлива (например, мазута) путем каталитической реакции с водородом. Сера при этом превращается в сероводород ($H_2S$), который затем улавливается и перерабатывается (например, в элементарную серу по методу Клауса).

2. Методы, применяемые во время сжигания топлива

Эти методы направлены на связывание серы непосредственно в процессе горения.

— Сжигание в кипящем слое (циркулирующий кипящий слой, ЦКС): В топку вместе с топливом подается сорбент, обычно известняк ($CaCO_3$) или доломит. При высоких температурах известняк разлагается, и образующийся оксид кальция ($CaO$) реагирует с диоксидом серы с образованием сульфата кальция ($CaSO_4$), который удаляется вместе с золой.

$CaCO_3 \rightarrow Cao + CO_2$

$Cao + SO_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CaSO_4$

3. Методы очистки дымовых газов (сероочистка)

Это наиболее распространенная группа методов, предполагающая удаление $SO_2$ из отходящих газов после сжигания топлива. Их называют системами десульфуризации дымовых газов (Flue-Gas Desulfurization, FGD).

— Мокрые скрубберы: Газы пропускаются через скруббер (абсорбер), где они орошаются суспензией реагента, чаще всего известняка ($CaCO_3$) или извести ($Ca(OH)_2$). Эффективность таких систем достигает 95-99%.

Реакция с известняковой суспензией:

$CaCO_3 + SO_2 \rightarrow CaSO_3 + CO_2$

Полученный сульфит кальция ($CaSO_3$) может быть окислен до сульфата кальция ($CaSO_4$), который является товарным продуктом (гипс), используемым в строительстве:

$2CaSO_3 + O_2 \rightarrow 2CaSO_4$

Реакция с известковым молоком:

$Ca(OH)_2 + SO_2 \rightarrow CaSO_3 + H_2O$

— Полусухие скрубберы (спрейерная абсорбция): В поток дымовых газов впрыскивается суспензия реагента (например, извести). Вода испаряется, а $SO_2$ реагирует с реагентом, образуя сухое вещество, которое затем улавливается фильтрами вместе с летучей золой.

— Сухие методы: В поток дымовых газов вдувается порошкообразный сорбент (например, гашеная известь, бикарбонат натрия). Этот метод менее эффективен, чем мокрый, но дешевле в установке и эксплуатации.

Реакция с бикарбонатом натрия:

$2NaHCO_3 + SO_2 \rightarrow Na_2SO_3 + 2CO_2 + H_2O$

— Каталитические методы: Диоксид серы в присутствии катализатора (например, оксида ванадия $V_2O_5$) окисляется до триоксида серы ($SO_3$), который затем используется для производства серной кислоты ($H_2SO_4$).

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

$SO_3 + H_2o \rightarrow H_2SO_4$

4. Альтернативные и общесистемные подходы

— Повышение энергоэффективности: Модернизация оборудования и технологических процессов для снижения потребления топлива, что прямо ведет к уменьшению общего объема выбросов.

— Переход на возобновляемые источники энергии: Использование солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии, которые не сопровождаются выбросами $SO_2$.

Ответ:

Объем выбросов диоксида серы в атмосферу можно уменьшить с помощью следующих основных методов:

1. Предварительная очистка топлива от серы (использование низкосернистого топлива, физическая и химическая десульфуризация).

2. Связывание серы в процессе сжигания (например, технология сжигания в кипящем слое с добавлением известняка).

3. Очистка дымовых газов после сжигания (сероочистка) с использованием мокрых, полусухих или сухих скрубберов, а также каталитических методов для утилизации $SO_2$.

4. Повышение общей энергоэффективности производств и переход на возобновляемые источники энергии, не производящие выбросов $SO_2$.