К.т.н., профессор Ларионов Н.М.,  Кольцова О.В.,                                                к.т.н., доцент Рябышенков А.С.

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

 

УЧЕТ ВТОРИЧНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ТЕРРИТОРИАЛЬНО-ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

 

Большинство региональных (локальных) систем мониторинга состояния воздушной среды ориентированы на контроль содержания загрязняющих веществ в виде диоксид азота, оксид углерода, суммарные углеводороды, формальдегид, сернистые соединения и взвешенные вещества.

Однако при попадании в атмосферу вещества, содержащиеся в выбросах промышленных предприятий, предприятий теплоэнергетического комплекса, выхлопов автотранспорта могут претерпевать вторичные превращения, в основном, за счет содержащихся в воздухе кислорода и паров воды, т.е. практически могут проходить реакции окисления. При этом продукты вторичных превращений могут быть более токсичными, чем исходные компоненты химических реакций.

Направление, в котором самопроизвольно протекает химическая реакция, определяется совместным действием двух факторов:

1. Тенденцией к переходу системы в состояние с наименьшей внутренней энергией (в случае изобарных процессов – с наименьшей энтальпией).

2. Тенденцией к достижению наиболее вероятного состояния.

Функцией состояния, одновременно отражающей влияние обоих факторов на направление протекания химических процессов, служит энергия Гиббса G, связанная с энтальпией H и энтропией S известным соотношением:

,                                                          

где T – абсолютная температура.

Изменение энергии Гиббса в результате химической реакции  равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ; суммирование производят с учетом числа молей участвующих в реакции веществ. При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается ().

Большинство раекций вторичного превращения относятся к реакциям вида aA+bB « cC+dD.  Для данных реакций константа равновесия имеет вид

                                   ln Kp = - ΔG/RT

  Соответственно, чем больше её значение, тем более полно протекает реакция.

В таблице представлены рассчитанные для возможных вторичных реакций изменения энергии Гиббса и рассчитанные константы равновесия данных реакций.

 

№ п/п

Возможные вторичные реакции

Энергия Гиббса реакции кДж/моль

ln Kp =

- ΔG/RT

1

2NO + O2 → 2NO2

-70.20

28.33

2

3NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

-149.10

61.80

3

NH3 + H2O → NH4OH

-569.32

22.98

4

NH3 + HNO3  → NH4NO3

-126.76

51.12

5

NH3 + CO2 + H2O → (NH4)2CO3

-416.66

168.17

6

2CO + O2 → 2CO2

-514.46

207.65

7

4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3

-467.70

188.77

 

  Расчет стандартной энергии Гиббса представленных в таблице реакций показывает, что рассматриваемые реакции могут протекать самопроизвольно, а  величины констант равновесия реакций указывают на значительную скорость и полноту прохождения этих реакций. 

  Для подтверждения высказанных предположений было проведено экспериментальное определение состава атмосферного воздуха на границах санитарно-защитных зон территориально-промышленного комплекса с помощью установки ИК-спектрометрии Specord 75IR (двухлучевой ИК-спектрометр, работающий в диапазоне длин волн 2,5-45 мкм с разрешением 2,0 см-1 с автоматической регистрацией ИК-спектров поглощения).   Обработка данных экспериментального исследования показала присутствие в воздушной среде соединений, наличие которых не фиксировалось постами действующей системы мониторинга ( в частности,  гидроксид аммония). 

По результатам выполненной работы были даны рекомендации по дополнению приборной базы  постов системы мониторинга и изменению схемы их размещения.