Нормирование качества атмосферного воздуха

      1.1 Нормирование качества атмосферного воздуха
	Под определением качества окружающей среды понимается уровень ее соответствия потребностям людей и технологическим требованиям. Все природоохранные мероприятия устанавливают нормативы (показатели) предельно допустимых воздействий человека на окружающую его среду.
    Основные экологические нормативы  подразделяются на две группы:
1. санитарно-гигиенические:
* предельно-допустимая концентрация вредных веществ (ПДК);
* предельно-допустимый уровень (ПДУ) физических воздействий (шума, вибрации, ионизирующих излучений и др.);
2. производственно-хозяйственные:
* предельно-допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ;
* предельно-допустимый сброс (ПДС) вредных веществ;
* допустимое изъятие компонентов природной среды;
* норматив образования отходов производства и потребления.
    Основными критериями качества атмосферного воздуха являются предельно допустимые концентрации (ПДК), относящиеся к гигиеническим нормам, подразделяющиеся на 3 норматива [1]:
    ПДКрз – предельно допустимая концентрация химического вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м3. ПДК не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений при ежедневной (кроме выходных дней) работе в пределах 8 часов или другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, в течение всего рабочего стажа.
    ПДКсс – предельно допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании. 
    ПДКмр – предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека при вдыхании в течение 30 мин.
    В настоящее время Российская Федерация имеет одну из наиболее обширных систем нормирования воздушной среды в мире. Во многих странах такие системы отсутствуют вовсе, а там, где они есть, количество нормируемых ПДК намного меньше.
    Так, по национальным стандартам качества воздуха США регламентируется 8 загрязнителей, а в перечне на разрешение строительства объектов с источниками загрязнения их фигурирует 12. Нормативы по диоксиду серы SO2 имеют 24 страны, по оксиду углерода СО и оксидам азота NOx – 17, по сероводороду H2S – 13, по хлору С12– 12, по хлороводороду НС1 – 11, по серной кислоте H2SO4– 9, по азотной кислоте HNO3– 8, по аммиаку NH3– 7 стран [2].
    Основным документом, контролирующим качество и состав воздуха, является СанПин 2.1.6.1032-01. Санитарные правила нацелены на предотвращение неблагоприятного воздействия загрязненного атмосферного воздуха на здоровье населения и устанавливают обязательные гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест и соблюдению гигиенических нормативов при размещении, проектировании, строительстве, реконструкции (техническом перевооружении) и эксплуатации объектов, а также при разработке всех стадий градостроительной документации.
    В соответствии с санитарными правилами установлено три основных показателя качества воздуха [3]:
* ИЗА — комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий несколько примесей. Величина ИЗА рассчитывается по значениям среднегодовых концентраций примесей и характеризует уровень хронического загрязнения воздуха.
* СИ – стандартный индекс, наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Он определяется из данных наблюдений на посту за одной примесью, или на всех постах рассматриваемой территории за всеми примесями за месяц или за год. Характеризует степень кратковременного загрязнения.
* НП – наибольшая повторяемость (в процентах) превышения максимально разовой ПДК по данным наблюдений за одной примесью на всех постах территории за месяц или за год.
По существующей шкале оценок  уровень загрязнения атмосферы считается:
* повышенным при ИЗА от 5 до 6, СИ<5, НП<20 %,
* высоким при ИЗА от 7 до 13, СИ от 5 до 10, НП от 20 до 50%,
* очень высоким при ИЗА равном или больше 14, СИ>10, НП>50%.
    
      1.1.1 Предельно допустимая концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе
Для всех веществ, загрязняющих атмосферу существуют нормы ПДК, за соблюдение которых отвечают специальные органы (ГПУ «Мосэкомониторинг» в Москве)[4].
Под классом опасности вредных веществ понимается показатель, характеризующий степень опасности того или иного вещества для человека. Существует 4 класса опасности, установленные государственным стандартом [5]
* 1 класс - чрезвычайно опасные;
* 2 класс - высоко опасные;
* 3 класс - опасные;
* 4 класс - умеренно опасные.
     Предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест (см. таблицу ) [6]:
     Таблица 
Вещество
ПДК, мг/м3
Класс опасности вещества

Макс.разовая
Средняя суточная

Азота диоксид
0,085
0,04
2
Серы диоксид
0,5
0,05
3
Углерода оксид
5,0
3,0
4
Пыль (взвешенные вещества)
0,5
0,15
3
Аммиак 
0,2
0,04
4
Кислота серная
0,3
0,1
2
Фенол
0,01
0,003
2
     
    


1.2 Основные загрязнители атмосферного воздуха
     Существует два источника загрязнения атмосферного воздуха: естественный и антропогенный.
К природным загрязнителям относят (см. рис.1) : извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, выходы отравляющих соединений в отдельных районах, пыль, пыльца растений, споры растений, грибов и выделения животных. Такое загрязнение не оказывает сильного влияния и рассматривается как фоновое.

Рис. 1
     К антропогенным источникам загрязнений (могут быть как стационарными, так и передвижными), относятся:
1. Сжигание горючих ископаемых;
2. Заправочные станции газообразными и жидкими видами топлива;
3. Работа тепловых электростанций;
4. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами;
5. Производственная деятельность.
6. Выбросы предприятиями различных газов;
7. Полигоны и мусоросвалки на которых происходит гниение или горение вредных веществ.

Рис. 2
     Итак, ниже представлен перечень основных веществ, губительно влияющих на атмосферный воздух [7]:
     
     Рис. 3
     Пыль – частицы твердых тел (древесная, абразивная, цементная и др.). Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от ее дисперсности формы частиц и их электрического заряда.
     Оксид углерода (СО), угарный газ, - газ без цвета, вкуса и запаха. Окисляется в атмосфере и почвенной микрофлорой до СО2. Более 80% выбросов. Токсичен и при острых отравлениях следующие симптомы: головная боль, тошнота, слабость, учащенный пульс и одышка, возможны судороги, кома, нарушения дыхания и кровообращения.
     Образуется в результате горения углерода или его соединений (в частности бензина), в условиях недостатка кислорода. Основной источник окиси углерода – выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания автомобилей.
     Оксиды азота. Наиболее распространенными загрязнителями воздуха являются оксид азота NO(II) и диоксид азота NO2 (IV).
     Оксид азота NO – бесцветный тяжелый газ со сладковатым запахом, широко известен как «веселящий газ». Данное соединение является биологическим проводником, способным привести к улучшению кровообращения, нервной и иммунной систем. Образуется при горении нефти, угля и газа. Кислородом воздуха при обычной температуре окисляется до диоксида азота. 
     Диоксид азота NO2 – газ коричнево - бурого цвета (плотность 1,49 кг/м3) с удушливым запахом, который, взаимодействуя с влагой воздуха, способен превратиться в азотную и азотистую кислоты. Время жизни NO2 в атмосфере около 3 суток. 
     Диоксид азота в пять раз токсичнее окиси азота. В атмосфере они  находятся в динамическом равновесии, превращаясь друг в друга в результате фотохимических реакций, в которых участвуют в качестве катализатора.
     Окислы азота под воздействием солнечной радиации вступают в реакции, образуя фотохимический смог.?
     Озон (O3) – бесцветный или синеватый газ, образующийся в результате работы электростанций, химических производств и автотранспорта. Опасность представляет озон, образующийся приземном слое. В больших концентрациях может вызывать раздражение органов дыхания, происходит учащение сердцебиения, может вызвать аллергию к наиболее распространенным аллергенам, понижает иммунитет.. 
      Фенол 
Фенол – летучее вещество с характерным резким запахом и крайне ядовитыми парами. При? попадании на кожу вызывает болезненные ожоги При острых отравлениях - нарушение дыхательных функций, ЦНС, судороги, оказывает раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки глаз. При хронических отравления - нарушение функций печени и почек, способен вызвать онкологические заболевания. ? 
     Аммиак
     Аммиак NH3, (запах нашатырного спирта), Бесцветный газ с резким удушливым запахом и едким вкусом.? 
Относится к группе веществ нейротропного действия. 
При остром отравлении аммиаком поражаются слизистые глаз и дыхательных путей, при? высоких концентрациях возможен смертельный исход. При высокой концентрации паров приводит к сильному кашлю, удушью, может вызвать возбуждение и бред. При взаимодействии с кожей - жгучая боль, отек, ожег с пузырями. 

      1.2.1 Классификация загрязнителей воздуха. 
    С учетом токсичности, потенциальной опасности и распространенности загрязнители по опасности, токсичности и распространенности делят на следующие группы [8]:
1) основные (критериальные) загрязнители атмосферы – оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимические оксиданты;
2) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ);
3) следы элементов (в основном металлы);
4) постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны и др.);
5) пестициды;
6) абразивные твердые частицы (кварц, асбест и др.);
7) разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм (нитроз-амины, озон, полихлорированные бифенилы (ПХБ), сульфаты, нитраты, альдегиды, кетоны и др.).


1.3 Контроль качества воздуха
    Химический анализ воздуха дает информацию о качественном и количественном составе, на основании чего можно прогнозировать степень загрязнения и планировать выполнение мероприятий по контролю качества воздуха. Выявляет такие показатели, как пыль, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, фенол, аммиак, хлорид водорода, формальдегид, бензол, толуол и т.д. 
    Микробиологический анализ воздуха позволяет установить наличие в помещение биологических аэрозолей (бактерий и грибов). Необходимо проводить на предмет обнаружения патогенных микроорганизмов по таким показателям, как: общее количество микроорганизмов, золотистый стафилококк, плесневые грибы и дрожжи.
Способы контроля качества воздуха: Анализ концентрации механических загрязнений (пыль, аэрозоли). 
    Как правило, проводится с помощью оптических счетчиков частиц. Для сверхточного определения состава пыли в воздухе могут применяться импакторы. Для определения состава и концентрации загрязняющих воздух химических веществ используется анализ проб воздуха методом хроматомассспектрометрии. Для определения наличия в воздушной среде определенных химических веществ и их концентрация могут применяться различные полупроводниковые датчики Исследование микрофлоры воздуха проводится, как правило, седиментационным методом. Кроме того, получить информацию об обсемененности воздушной среды можно и с помощью сетчиков частиц: поскольку микробиологические загрязнители (вирусы, бактерии и споры грибов), как правило, находятся на поверхности т.н. биоаэрозолей, то качество воздуха и его обсемененность, зависят от числа таких аэрозолей, т.е. анализ качества воздуха может быть основан на исследовании числа аэрозольных частиц различного размера. 
Газовый анализ воздуха 
    Газоанализатор - измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы: - ручного действия (абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами) - автоматические. (непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов. 
Группы газоанализаторов: Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. 
    При помощи таких газоанализаторов, называемых объёмно- манометрическими или химическими, определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико- химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоколориметрические, хроматографические и др.). 
    Термохимические, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа, применяют для определения концентраций горючих газов. 
    Электрохимические определяют концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. 
    Фотоколориметрические, основанные на изменении цвета определённых веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси, применяют для измерения микроконцентраций токсичных примесей в газовых смесях. 
    Хроматографические наиболее широко используют для анализа смесей газообразных углеводородов. Приборы, основанные на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, денсиметрические, магнитные, оптические и др.). 

1.4 Существующие методы разделения воздуха и газовых смесей
1.4.1 Абсорбционный метод
    Абсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе, подразделяемым на водные и неводные (малолетучие органические жидкости). Жидкость используется только один раз, либо регенерируется, с последующим выделением загрязнителя в чистом виде. Схемы с однократным использованием поглотителя применяют тогда, когда абсорбция приводит напрямую к получению готового продукта или полупродукта:
* получение минеральных кислот (абсорбция SO3 при производстве серной кислоты и абсорбция окислов азота в производстве азотной кислоты);
* получение солей (абсорбция окислов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков, получение сульфата кальция при абсорбции извести водными растворами);
* других веществ (абсорбция NH3 водой для получения аммиачной воды).
    Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы) развиты намного больше. Их используют для улавливания углеводородов, очистки от оксидов серы (IV) дымовых газов ТЭС, очистки вентгазов от сероводорода с получением элементарной серы.
    По способу создания поверхности соприкосновения фаз абсорбционные аппараты подразделяются на три вида: поверхностные, барботажные и распыливающие.
    В первом случае поверхностью контакта между фазами служит зеркало жидкости или поверхность текучей пленки данной жидкости.
    Во второй группе поверхность контакта увеличивается при распылении потоков газа в жидкость в виде пузырьков и струй. Барботажем называют пропускание газа через колонный аппарат с тарелками различной формы, заполненный жидкостью.
    В третьем случае поверхность контакта появляется при распылении жидкости в массе газа, при этом эффективность процесса зависит от дисперсности распыленной жидкости.
    
1.4.2 Адсорбционный метод
    Адсорбция является одним из наиболее распространенных методов защиты воздуха. Основными адсорбентами являются: активированный угли и импрегнированные сорбенты и сложные оксиды.
    Активированный уголь (АУ) является нейтральным по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений, не высокоселективен и пригоден для работы во влажных газовых потоках. Его используют для устранения запахов и очистки от неприятно пахнущих веществ, рекуперации растворителей. 
    Оксидные адсорбенты высокоселективны по отношению к полярным молекулам, однако во влажной среде их эффективность падает. Сюда относятся силикагели, цеолиты, синтетической природы; оксид алюминия.
    Процессы адсорбционной очистки осуществляются следующими способами:
* Последовательное проведение адсорбции и десорбции с извлечением уловленных компонентов для повторного использования (улавливают разные растворители, сероуглерод и т.д.)
* Термическое дожигание или каталитическое дожигание примесей после адсорбции. Такой метод применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и ЛКП. Этот способ является экономически оправданным при низких концентрациях загрязняющих веществ.
* Сжигание или захоронение адсорбента после очистки с прочно хемосорбированным загрязнителем, что оправдано только для дешевых адсорбентов.
    Для десорбции примесей применяют нагревание адсорбента, вакуумирование, продувку инертным газом, вытеснение примесей более легко адсорбирующимся веществом. 
    Аппараты для проведения адсорбции бывают двух типов: с кипящим слоем и с неподвижным слоем сотового или гранулированного адсорбента.
    Сейчас  широкое применение получают волокнистые сорбционно-активные материалы. Они отличаются от гранулированных адсорбентов более высокой химической и термической стойкостью, высоким коэффициентом массопередачи (в 10-100 раз выше, чем у сорбционных), при достаточном объеме микропор. Установки при использовании волокнистых материалов являются наиболее компактными, а масса адсорбента меньше в 15-100 раз, чем при использовании активированных углей.
    В последнее время разрабатываются новые модификации адсорбентов, такие как силикагели и цеолиты, которые обладают высокой механической и термической прочностью. Однако их недостатком можно назвать их гидрофильность, что затрудняет их применение.
    Итак, адсорбционные методы наиболее широко распространены из-за рентабельности очистки при низких концентрациях примесей газа (2-5 мг/м?). Недостатком метода является большая энергоемкость стадии десорбции и разделения, что затрудняет его использование для многокомпонентных смесей.
    
1.4.3 Термическое дожигание
    Термическое дожигание – это способ очищения вредных выбросов, путем их термического окисления при температуре 750-12000С. Данным методом можно достичь 99% очистки газов. Однако, существуют и ограничения.
    Так, например, при сжигании вредных органических веществ, они окисляются до безвредных воды и углекислого газа. Также способ эффективен для очистки газов, которые содержат твердые включения, такие как: сажа, древесная пыль. Если соединения содержат такие примеси, как сера, галогены, фосфор, то токсичность продуктов сжигания их будет выше, чем у исходных.
    В процессе дожигания, помимо целевых продуктов, образуются и вторичные загрязнители: хлор, оксиды серы и азота и т.д., что является еще одни недостатком метода и затрудняет его использование.
    На данный момент основной областью применения дожигания является дожигание пыли запыленных отходящих газов.
1.4.4 Термокаталитические методы
    В качестве очистителя в данном методе используется катализатор. Суть состоит в том, что на катализаторе происходит окислительный или восстановительный распад токсичных примесей до безвредных или даже полезных – воды, диоксида углерода или азота. Так,органические примеси окисляются до воды и диоксида углерода, а примеси оксидов азота восстанавливаются до азота.
    В качестве катализаторов чаще всего используют композиции из благородных металлов, в особенности платиновых; либо оксиды металлов: кобальта, хрома, железа, марганца, никеля. Они должны обладать пористой структурой, стойкостью к ядам, механической и термической стойкостью, селективностью и активностью. Катализаторы имеют вид колец, шаров или блоков с сотовой структурой. У каждого катализатора своя температура применения, при превышении которой происходит его разрушение.
    Метод имеет несколько достоинств:
1. Высокая степень очистки газов при малых концентрациях удаляемых примесей;
2. Рабочая температура находится в диапазоне 350-5000С, что существенно ниже температуры проведения термического дожигания.
3. Многолетняя устойчивость катализатора и возможность его регенерации;
4. Возможность переработать катализатор для извлечения драгметалла. 
    Однако, применение метода весьма ограничено. Он прекрасно подходит для обезвреживания водорода, оксида углерода, углеводородов и их кислых производных, но только в газообразном состоянии. 
    Термокатализ нельзя использовать для обработки газов или паров высокомолекулярных соединений и соединений с высокой температурой кипения, которые коксуются на катализаторе и «отравляют» его.
    Существуют каталитические реакторы трех видов: с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора (см. рис. )
     
    Рис. Схема каталитических реакторов:
    А-с неподвижным слоем, б – с неподвижным слоем и охлаждением; г – псевдоожиженным слоем; д – он же, с охлаждением; е – многоступенчатый с псевдоожиженным; ж – с движущимся слоем.
    Наиболее распространены реакторы с неподвижным слоем катализатора.
    Существует также два метода для осуществления процесса очистки газа: стационарный режим и нестационарный режим. 
    В первом случае, температурный диапазон составляет 200-6000С. Такие аппараты могут работать только при постоянных концентрация или в случае совершенных систем автоматического управления.
    Второй метод (еще называемый реверс-процесс) устойчив к работе даже при колебаниях концентрации горючих веществ и отсутствии теплообменников.
    При концентрациях ниже 1 г/м? и большого объема очищаемой смеси, термокаталитический метод экономически и энергетически нецелесообразен, поскольку требует больших затрат и болшого количества катализатора.
1.4.5 Озонные методы
    Озонные методы используют для обезвреживания дымовых газов от SO2(NOx) и дезодорации газовых выбросов промышленных предприятий. 
    Озон является катализатором реакции окисления оксида азота (NO) до диоксида азота (NO2) и диоксиды серы (SO2) до оксида серы (SO3). Энергозатраты на очистку данным методом составляют примерно 4-4,5% от мощности энергоблока, что является нерентабельным и поэтому редко используется в промышленных масштабах.
    Основное применение: очистка газов, выделяемых при переработке сырья животного происхождения на мясокомбинатах и в быту.
1.4.6 Плазмохимические методы
    Данный метод основан на пропускании воздушной смеси с вредными примесями через высоковольтный разряд.
    Чаще всего используются озонаторы с барьерными, коронными или скользящими разрядами, или импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах.
    Воздух с примесями, который проходит низкотемпературную плазму, подвергается бомбардировке электронами и ионами, в результате чего в газовой среде появляются следующие вещества: озон, кислород, гидроксильные группы, участвующие в плазмохимических реакциях с вредными примесями.
    Основные области применения: удаление оксида серы (SO2), окисдов азота и органических соединений.
    Недостатком данного метода являются:
* Неполное разложение вредных веществ до воды и углекислого газа, в случае окисления органических компонентов;
* Остаточный озон, который необходимо разлагать каталитически либо термически;
* Озонаторы с применением барьерного разряда сильно зависят от концентрации пыли.

1.4.7 Плазмокаталитический метод
    Состоит из двух способов разложения вредных газообразных веществ: плазмохимический и плазмокаталитический.
    Аппараты, предназначенные для данного метода состоят из двух ступеней. Первая является плазмохимическим реактором, вторая – каталитическим. 
    Установки, работающие на основе этого метода, состоят из двух ступеней. Первая – это плазмохимический реактор (озонатор), вторая - каталитический реактор. 
    Плазмокаталитическая технология позволяет производить глубокую очистку большого ряда токсичных соединений до безвредной воды и диоксида углерода при низких температурах. Помимо этого происходит подавление бактерий и микробов, т.е. достигается большая степень дезинфекции воздуха.
    Неоспоримыми преимуществами являются низкие температуры, низкие затраты электроэнергии и минимум катализатора (без драгметаллов).
    Недостатками данного метода являются:
* Необходимость предварительной очистки газов от пыли до концентрации 3-5 мг/м?,
* Высокие эксплуатационные расходы при концентрациях вредных веществ свыше 1 г/м.
1.4.8 Фотокаталитический метод
    Фотокаталитический метод основан на полном разложении токсичных загрязнений воздуха до воды и углекислого газа. При этом уничтожаются частицы размером вплоть до 0,001 мкм, т.е. минимальные вещества, присутствующие в воздухе.
    В основе процесса фотокатализа лежит фотоактивное вещество – фотокатализатор. На его поверхности, под действием УФ света, происходи окисление органических соединений до СО и Н2О, а также погибают болезнетворные микроорганизмы (даже с высокой сопротивляемостью к УФ).
    Используются катализаторы на основе TiO2, которые облучают УФ (см. рис. )
    
    Рис. Схематическое изображение процессов, идущих на полупроводниковой частице
    Недостатками метода является неспособность задерживать механические частицы (пыль, пыльца, шерсть и т.д.)
1.4.9 Мембранный метод
    Мембраны, используемые для газоразделения, должны обладать высокой проницаемостью и обеспечивать относительно высокую селективность. Однако мембраны с большими значениями коэффициентов проницаемости, как правило, имеют более низкие селективности. Газоразделительные мембраны можно подразделить на мембраны с высокими проницаемостями и мембраны с низкими проницаемостями.
    Мембраны с высокими проницаемостями можно использовать в тех случаях, когда не требуется высокая селективность. 
    Когда требуется обеспечить высокую селективность, должны использоваться материалы с низкими проницаемостями на основе стеклообразных полимеров. Тогда требуется найти разумный баланс между проницаемостью и селективностью. Примерами процессов такого типа являются процессы разделения диоксида углерода и метана, выделение водорода из отходящих газов синтеза аммиака и целый ряд других процессов. Рассмотрим наиболее важные области применения процессов мембранного газоразделения.
    1. Разделение воздуха. Традиционно кислород и азот получают либо криогенным способом (низкотемпературная ректификация воздуха), либо адсорбционным. Недостатками этих методов являются сложность и громоздкость аппаратуры, необходимость применения низких температур при использовании криогенного метода или необходимость регенерации адсорбента при использовании адсорбционного метода и др. Мембранные установки для разделения воздуха весьма перспективны. Мембранное разделение воздуха имеет ряд особенностей. Близкие свойства кислорода и азота затрудняют их разделение. Как видно из табл. 15.5.4.1, фактор разделения полимерных мембран, нашедших промышленное применение, находится в интервале от 2 до 6.
    Таблица 
    Характеристики полимерных мембран для разделения воздуха [9]
    Материал мембран,
фирма
Тип
мембран
Толщина
селективного
слоя,
мкм
    Q·109,
м3/(м2 · с · Па)
Фактор
разделения

    
    
    
О2
N2
    
    Полидиметилсилоксан
(ПДМС)
Плоская
10
0,370
0,175
2,1
    Полисилоксанарилат,
«Силар»
    
2
0,900
0,450
2,0
    Материал мембран,
фирма
Тип
мембран
Толщина
селективного
слоя,
мкм
    Q·109,
м3/(м2 · с · Па)
Фактор
разделения

    
    

О2
N2

    Полисилоксанкарбонат,
«Дженерал Электрик»
    
0,1
1,322
0,661
2,0
    Полифениленоксид,
«Дженерал Электрик»*
    
0,005
2,530
0,527
4,8
    
Полое
волокно
0,050
0,253
0,053
    
    Поливинилтриметилсилан
(ПВТМС)
    
0,2
1,476
0,410
3,6
    Ацетат целлюлозы,
ПСН + ПОС,*
    
0,1
0,200
0,040
5,0
    «Монсанто»
    
    
0,229
0,052
4,5
    Поли-4-метил-пентен-1
    
15
0,0164
0,004
4,1
    Ацетат целлюлозы,
«Дюпон»
    
9
0,0090
0,0018
5,0
    Полиэфирамид + ПДМС
    
–
0,0096
<0,0015
>6,4
    
* ПСН + ПОС – пористый полисульфон с нанесенным на него полиорганосилоксаном.
    Такие значения фактора разделения не позволяют получать при одноступенчатом разделении смеси, содержащие более 55 об. % кислорода или более 95 об. % азота. Воздух представляет собой единственный вид природного сырья, которое имеется в неограниченном количестве. Затраты на проведение процесса разделения определяются главным образом энергозатратами на сжатие исходной смеси, а степень извлечения компонента не является в данном случае ключевым параметром. Коэффициент деления потока может быть меньше 0,1, поэтому в промышленной практике получила распространение вакуумная схема обогащения воздуха кислородом. Исходная газовая смесь подается в мембранный разделитель при помощи воздуходувки под давлением, близким к атмосферному. Пермеат откачивается вакуум-насосом. Такая схема разделения применяется для мембранных аппаратов с низким гидравлическим сопротивлением (на основе плоских мембран). Обычная компрессионная схема для мембранных аппаратов на основе полых волокон также имеет особенность. Воздух на разделение подается внутрь волокон, а не в «межтрубное» пространство. Этот вариант схемы обычно применяют для получения азота.


1.5 Установки
    Мембранные установки разделения воздуха в зависимости от назначения могут работать в режиме получения либо обогащенного кислородом потока, либо технического азота. При этом в промышленных установках используются либо вакуумная (с откачкой пермеата вакуум-насосами) схема, либо компрессионная схема, в которой исходный воздух подается на установку при повышенном давлении.
    Среди типовых конструкций мембранных модулей можно выделить следующие [10]:
    - рулонные мембранные модули;
    - плоские мембранные модули;
    - трубчатые мембранные модули;
    - капиллярные (половолоконные) мембранные модули.
    Каждый тип мембранного модуля характеризуется: плотностью упаковки в аппарате (м2 мембраны/ м3 аппарата), материалом дренажа, размерами напорного канала, наличием и типом турбулизатора.
1.5.1 Аппараты с рулонными (спиральными) мембранными модулями - плоскорамная система, свернутая вокруг центральной коллекторной трубки. Плотность упаковки мембран в таких аппаратах составляет 300-800 м2/м3 [10].
    Высокая удельная поверхность мембран достигается за счет спиральных мембранных элементов в виде рулонов, помещаемых в трубе или в цилиндрическом корпусе высокого давления. Спиральный мембранный элемент (картридж) показан на Рис. .
    Увеличение производительности аппаратов со спиральными мембранными элементами достигается максимальным развитием площади мембран за счет увеличения их ширины и длины, присоединения к фильтратоотводящей трубе нескольких пакетов и установки в аппарате нескольких спиральных мембранных элементов.
    К достоинствам аппаратов со спиральными мембранными элементами относятся большая плотность упаковки мембран, малая металлоемкость, механизированная сборка спиральных мембранных элементов и, главное, - высокая производительность всего аппарата.
     
    Рис. Схема рулонного модуля
    
1.5.2 Аппараты с плоскокамерными мембранными элементами находят применение в установках небольшой производительности. Схема плоскорамного модуля показана на Рис. 
    
    Рис. Схема плоскорамного модуля
    Плотность упаковки в таких модулях составляет 100- 400 м2/м3 [11]. Эффективность работы аппарата зависит не только от мембран, но и от материала дренажных пластин, которые служат для восприятия высокого давления и отвода пермеата.
    Подобные аппараты типа «фильтр-пресс» просты в изготовлении, удобны в монтаже и эксплуатации, в них легко произвести замену мембран. К недостаткам следует отнести лишь относительно невысокую удельную площадь мембран (60—300 м2/м3) и ручную сборку и разборку аппарата.
1.5.3 Аппараты с трубчатыми мембранными элементами. Схема такого аппарата представлена на Рис. 5. Основным узлом является изготовленная из керамики, металлокерамики, пластмассы или металлической ткани пористая труба 1, на внутренней поверхности которой расположена полупроницаемая мембрана.
     
    Рис. Аппарат с трубчатым мембранным элементом
    Внутрь трубы под давлением подают исходный раствор, выводится из аппарата в виде концентрата. Фильтрат, проникая через мембрану и пористую каркасную трубу, вытекает из межтрубного пространства и собирается в сборник.
    К недостаткам аппаратов с трубчатыми мембранными элементами следует отнести более сложный монтаж трубчатых элементов, чем у плоскорамных, и сравнительно невысокую удельную площадь мембран, равную 60-200 м2/м3 [12].
1.5.4 Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Аппараты с мембранами в виде полых волокон или капилляров занимают особое место, так как имеют очень высокую плотность укладки полупроницаемых мембран, равную 20000-30000 м2/м3 [10]. 
     
    Рис. Вид половолоконного модуля
    Полые волокна-мембраны способны выдержать рабочее давление, равное десяткам мегапаскалей, поэтому аппараты с такими мембранами не требуют дренажных и поддерживающих устройств, что значительно снижает капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию.
    Аппараты с мембранами в виде полых волокон компактны и высокопроизводительны. Например, один аппарат диаметром 240 мм и длиной 1220 мм [11] с U-образными мембранными элементами в виде полых волокон позволяет получать 50 м3 в сутки чистой воды [9], что недостижимо при таких габаритах в аппаратах других типов.
    Сравнение затрат энергии на мембранный и криогенный методы разделения показывает, что даже при использовании мембраны Р-11, обладающей относительно невысокой селективностью, но большой производительностью, мембранный процесс получения обогащенного до 30% об. кислородом потока более выгоден. С использованием более селективных мембран эффективность мембранной установки увеличивается.
    Известной фирмой, выпускающей мембранные установки для разделения воздуха, является французская фирма “AIR LIQUIDE”. Основная установка по производству азота из воздуха имеет производительность 1500м3/час 97% азота [13]. При уменьшении производительности установки по азоту до 700м3/час содержание кислорода в азоте составляет не более 0,5%. При расчетных условиях сбросной газ обогащается кислородом до 38?39%.
    Известна также компания «Грасис», производящая мембранные азотные и кислородные установки. Азотные установки, работающие на основе нано-мембран, позволяют получать азот до 5000 м3/ч при его чистоте от 90 до 99,95% [14]. Мембранные кислородные установки данной компании позволяют получать кислород из воздуха чистотой до 45% [14].
    Популярны также стационарные азотные мембранные установки компании «Тегас», представляющие собой системы получения целевого компонента до 99,5% [15] и основанные на разделении газовых средств с помощью половолоконных мембран.
    Также «Тегас» производит газоразделительные установки для станций сжатия и утилизации природного газа. Мембраны, используемые в оборудовании, устойчивы к воздействию любых компонентов попутного газа и не пластифицируются. Выход подготовленного газа может достигать 95-98% [16] и при этом не пре.......................