Технология и природа
Грязь и антигрязь
ИСТОРИЯ О ТОМ, КАК КИСЛЫЕ ГУДРОНЫ ИЗ ОТХОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ АТМОСФЕРЫ ПРЕВРАТИЛИСЬ В СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Кандидат химических наук А. И. НЕХАЕВ
Справедливо замечено: в химии нет грязи; грязь - это вещество, чаще всего смесь веществ, не на своем месте. История кислых гудронов - довольно массовых, к сожалению, продуктов нефтепереработки - еще одно тому подтверждение. Почему «к сожалению», поймете чуть позже, равно как и узнаете (кто не знает), что за птица такая эти кислые гудроны. Отнюдь не синяя птица счастья, скорее - черная...
Начнем же наш рассказ с вещества, несравненно более популярного, чем все гудроны вместе взятые. Алхимики называли его купоросным маслом - мы называем серной кислотой.
ЗАЧЕМ НЕФТЕХИМИКУ СЕРНАЯ КИСЛОТА
Эта кислота - вещество не только чрезвычайно популярное, но и чрезвычайно важное. Недаром объем ее производства служит одним из показателей экономического потенциала страны.
Больше всего серной кислоты сейчас расходуют на производство минеральных удобрений, но почти столь же необходима она всем другим подотраслям химической промышленности. И не только химической: без серной кислоты не обходятся металлообработка, текстильная, кожевенная, пищевая отрасли. Нефтепереработка и нефтехимия не стали исключением: они потребляют серную кислоту в довольно больших масштабах и для разных целей. Вот несколько примеров.
Самые распространенные сейчас синтетические моющие средства (CMC) - аминоактивные. Это значит, что их действующее начало заключено в анионе - чаще всего в анионе состава HSO 3 - , пришедшем в CMC из серной кислоты, самой дешевой и доступной. Например, касторовое масло под действием серной кислоты из вещества, оставляющего пятна, превращается в моющее средство. В наше время, чтобы получить высококачественные CMC, обычно сульфируют не природное, а синтетическое сырье (алкилбензолы), а самые дешевые CMC для технических нужд получали и получают сульфированием керосиновых и газойлевых фракций нефти.
Другой пример. Приблизительно пятая часть всей продукции нефтехимии приходится на спирты. Самый распространенный способ получения спиртов, в том числе этилового,- сернокислотная гидратация олефинов. для которой опять же нужна серная кислота. Еще пример. Современный автомобильный двигатель, рассчитан на высокооктановый бензин. Классический антидетонатор тетраэтилсвинец становится персоной «нон грата», поскольку он отравляет атмосферу. В наши дни повысить октановое число бензина стремятся с помощью процессов алки- лирования. В результате этих процессов получаются разветвленные углеводородные молекулы. Их и добавляют в бензин, чтобы повысить его октановое число, а катализатор алкилироваиня - все та же серная кислота... Опустим за незначительностью - незначительностью масштабов потребления - другие случаи использования серной кислоты как катализатора нефтехимических процессов. Несравненно больше ее используют для очистки нефтепродуктов: топлив, масел, парафина. Кислота удаляет из нефти непредельные и ароматические углеводороды, смолистые вещества, сернистые и азотистые соединения - все то, что снижает стойкость топлив и масел при хранении, ухудшает их эксплуатационные качества, запах, цвет. Очистка нефтепродуктов серной кислотой - самый старый и технологически самый простой способ. Но в то же время это и отсталый способ: велики потери ценных компонентов нефти, кислота разъедает аппаратуру, а главное образуется много отходов, которые в совокупности и называют кислыми гудронами. Из-за этого сернокислотные методы очистки сейчас вытеснены (но не до конца) более совершенными, такими, как гидроочистка топлив или обработка масел растворителями избирательного действия. Около 90% мирового производства масел теперь обрабатывают именно так. Однако вспомним об огромных масштабах производства: за десятью оставшимися процентами кроются тысячи тонн H 2 SO 4 . Очистку самых ценных масел - гидравлических, вакуумных, электроизоляционных - по- прежнему доверяют только серной кислоте.
Таким образом, позиции серной кислоты в нефтепереработке и нефтехимии остаются достаточно прочными. А раз так, то продолжает расти количество кислых гудронов.
СУДЬБА ОТХОДОВ
Черная вязкая масса, в составе которой до 70% H 2 SO 4 плюс исходные органические соединения, алкилсерные кислоты и другие продукты сульфирования, плюс смолы и полимеры, - все это и есть кислые гудроны. Их компоненты отчасти химически связаны, отчасти просто перемешаны, разделить их чрезвычайно сложно.
Как известно, степень использования отходов производства служит показателем развития отрасли, мерилом культуры производства. Утилизация кислых гудронов до последнего времени считалась делом безнадежным. Сбросить эти отходы в реки нельзя даже после тщательной нейтрализации: они разлагаются медленно и долго. Проще всего сжечь злополучный кислый гудрон, предварительно растворив его, скажем, в котельном топливе. Но и это не выход: образуются дымовые газы со значительным содержанием SO 2 , и в этом случае влияние кислых гудронов на биосферу будет сильно отрицательным.
Вот почему в течение многих десятилетий кислые гудроны сливали в громадные пруды-накопители. Нужно ли говорить, что и сами эти пруды, и их ближайшие окрестности безжизненны. «К нему и птица не летит, и зверь нейдет, лишь вихорь черный...» далеко разносит резкий запах сернистого газа вперемешку с не менее «ароматичной» органикой. Это постепенно разлагаются кислые гудроны в прудах-накопителях.
Нельзя было дольше мириться ни с безвозвратной потерей кислоты и органической массы, ни тем более с загрязнением окружающей среды. Серная кислота в течение многих лет успешно очищала многие продукты. Теперь встал вопрос о том. чтобы очистить ее самое и при этом получить доход от отходов.
Естественный ход: чтобы как-то утилизировать кислые гудроны, нужно прежде всего разделить их хотя бы на две главные составные части - органику и серную кислоту. Простейшим инструментом такого разделения может быть водяной пар. Обработанная им смесь расслаивается. Верхний слой - органика со следами кислоты, нижний - черная разбавленная кислота. Отработанную кислоту можно либо концентрировать, либо использовать там, где может справиться и слабая кислота, например в производстве сульфата аммония или суперфосфата, в кожевенной промышленности или для обессоливания солончаковых почв.
Выбор сравнительно невелик, тем более что каждое из перечисленных производств предпочитает кислоту хотя бы технически чистую... На концентрированную H 2 SO 4 спрос больше, но удалить из кислоты избыточную воду непросто. Производительность невысокая, аппаратура корродирует, а главное надо предварительно убрать остатки органических веществ, которые при упаривании разлагают до 40% кислоты. Вот и получается, что овчинка выделки не стоит.
Но нет худа без добра. Термическое разложение грязной кислоты оказалось выгодным вариантом. Серная кислота расщепляется, «чтобы умирая, воплотиться» в ту же серную кислоту. Продукт разложения - сернистый газ - нужен и для выделения целлюлозы из древесной щепы, и как консервирующий агент при хранении фруктов, и - самое главное - SO 2 идет на получение серной кислоты. Крепкой, чистой, пригодной для любых дел.
А вот на что годна вторая составляющая кислых гудронов - черная "вязкая" органика? Ее можно было бы сжигать как котельное топливо. Но это будет плохое топливо: в нем довольно много серы, к тому же от- него быстро закоксовываются форсунки. Можно при нагревании обработать органическую часть кислого гудрона воздухом и тем самым превратить ее в битум. Битум первым из нефтепродуктов попал в руки человека (еще за 3800 лет до нашей эры!). Издавна в строительстве, медицине и при мумификации трупов использовали его водонепроницаемость, вяжущие и антисептические свойства. Сегодня колоссальные массы битума идут на строительство зданий и дорог, на защиту металлических конструкций от коррозии. Спрос на битум превышает предложение. Получать его из кислого гудрона дважды полезно: вреднейшая грязь превращается в нужный продукт...
Журнал "Химия и жизнь" №10 за 1978 год.
Каждый день так или иначе, мы имеем контакт с кислотами. Мы не будем углубляться в изучение кислот и скучных химических формул, а озвучим несколько фактов, узнать которые будет наверняка интересно.
Факт №1: Первая кислота обнаруженная человеком - уксусная. Возможно уксусную кислоту в древности так бы и не выявили, если бы не пристрастие людей прошлого к вину. Если нарушить технологию винодельческого процесса, то вместо ароматного и вкусного вина получится уксус. Это очень огорчало и расстраивало. Применения для винного уксуса древний человек найти не мог, поэтому просто выливал прокисший продукт. Лишь спустя много лет, винный уксус стали использовать в качестве лекарства, приправы и даже растворителя. Кстати, само название "кислота" происходит от латинского слова "acetum" - уксус.
Факт №2: Желудочный сок, это самая настоящая соляная кислота. Ежедневно наш желудок вынужден обновлять свою поверхность, которая пострадала в результате воздействия на него желудочного сока. Вы сейчас удивитесь, но среда в вашем желудке настолько агрессивна, что если поместить в него бритвенное лезвие, то оно полностью растворится через неделю.
Факт №3: Ортофосфорная кислота, является важным составляющим Кока Колы. По своей области применения, ортофосфорная кислота просто уникальна. Ее используют повсеместно, начиная от пищевой промышленности и заканчивая производством удобрений. Показатель кислотности всеми любимой Кока Колы, составляет рН=2.8 поэтому опустив в стакан с напитком ювелирное украшение, можно избавиться от налета и загрязнений.
Факт №5: Лимонная кислота не всегда лимонная. Для того чтобы получить 25 кг лимонной кислоты, необходимо переработать одну тонну лимонов. Согласитесь, это весьма дорогостоящее удовольствие. Человек и здесь нашел лазейку, поэтому лимонную кислоту частенько получают из плесневого гриба, который называется Aspergillus niger.
Факт №6: "Царская водка" - соединение двух кислот. Если соединить соляную кислоту с азотной соблюдая строгую пропорцию 1 к 3, то в итоге получим жидкость желтого цвета, которая способна растворить большую часть известных нам благородных металлов, таких как платина, золота и так далее. Поэтому услышав приставку "царская" к горячительному напитку, не спешите радоваться, ведь речь идет о сильнейшем яде.
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
2
слайд
Описание слайда:
Азотная кислота. Азотная кислота - НNO3, кислородосодержащая, одноосновная, сильная кислота. Твердая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной и ромбической решетками. Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентраций 68.4% и tкип120 °C при 1 атм. Известны два твердых гидрата: моногидрат(HNO3·H2O) и тригидрат (HNO3·3H2O).
3
слайд
Описание слайда:
4
слайд
Описание слайда:
Свойства. Высококонцентрированная HNO3 имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения: 4HNO3 = 4NO2 + 2H2O + O2 Так же распадается HNO3 и при нагревании. Азотную кислоту можно перегонять (без разложения) только при пониженном давлении (указанная выше т. кип. при атмосферном давлении найдена экстраполяцией).
5
слайд
Описание слайда:
Азотная кислота является сильным окислителем, концентрированная азотная кислота окисляет серу до серной, а фосфор - до фосфорной кислот, некоторые органические соединения (например амины и гидразины, скипидар) самовоспламеняются при контакте с концентрированной азотной кислотой. Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны по отношению к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется её условиями. Так, концентрированная азотная кислота реагирует с медью с образованием диоксида азота, а разбавленная - оксида азота (II): Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
6
слайд
Описание слайда:
Большинство металлов реагируют с азотной кислотой с выделением оксидов азота в различных степенях окисления или их смесей, разбавленная азотная кислота при реакции с активными металлами может реагировать с выделением водорода и восстановлением нитрат-иона до аммиака. Некоторые металлы (железо, хром, алюминий), реагирующие с разбавленной азотной кислотой, пассивируются концентрированной азотной кислотой и устойчивы к её воздействию. Смесь азотной и серной кислот носит название «меланж». Азотная кислота широко используется для получения нитросоединений. Смесь трех объемов соляной кислотой и одного объема азотной называется «царской водкой», которая растворяет большинство металлов, в том числе и золото. Ее сильные окислительные способности обусловлены образующимся хлором: 3HCl + HNO3 = NOCl + Cl2 + 2H2O
7
слайд
Описание слайда:
Соли азотной кислоты - нитраты Азотная кислота образует соли - нитраты. С давних времён эти соли называли селитрами. Такое название солей сохранилось до настоящего времени. В магазинах для дачников можно встретить минеральные удобрения с названиями "натриевая, или чилийская селитра" (это нитрат натрия NaNO3), "калийная, или индийская селитра" (нитрат калия KNO3). Эти соли - хорошие удобрения. Нитраты получают различными способами из азотной кислоты. Например, при взаимодействии азотной кислоты с металлами, с оксидами металлов с основным характером, с основаниями.
8
слайд
Описание слайда:
HNO3 – сильная кислота. Ее соли – нитраты – получают действием HNO3 на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Их растворы обладают незначительными окислительными свойствами. При нагревании нитраты разлагаются, нитраты щелочных металлов превращаются в нитриты: 2KNO3 = 2KNO2 + O2 Соли других металлов образуют оксиды: 2Cd(NO3)3 = 2CdO + 4NO2 + O2 При разложении нитратов металлов, оксиды которых нестабильны, выделяется свободный металл: 2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
9
слайд
Описание слайда:
Цинк и алюминий в щелочном растворе восстанавливают нитраты до NH3: 3KNO3 + 8Аl + 5КОН + 18H2O = 3NH3 + 8К[Аl(ОН)4] Соли азотной кислоты - нитраты - широко используются как удобрения. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде. Поэтому в виде минералов их природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Большинство нитратов получают искусственно. С азотной кислотой не реагируют стекло, фторопласт-4.
10
слайд
Описание слайда:
Исторические сведения Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по видимому, впервые описана трактатах Джабира (Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке. Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купороса железным, применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века. В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры, что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод Глаубера применялся до начала XX века, причём единственной существенной модификацией его оказалась замена калийной селитры на более дешёвую натриевую (чилийскую) селитру.
11
слайд
Описание слайда:
Исторические сведения. Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по видимому, впервые описана трактатах Джабира (Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке. Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купороса железным, применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века. В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры, что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод Глаубера применялся до начала XX века, причём единственной существенной модификацией его оказалась замена калийной селитры на более дешёвую натриевую (чилийскую) селитру.
Современная химия — это наука, которая оперирует большим числом реагентов. Это могут быть соли, реагенты, щелочи. Но самая многочисленная группа — кислоты. Это сложные соединения, основанные на водороде. При этом, сторонние атомы здесь могут заменяться атомами металла. Используются кислоты в самых разных отраслях человеческой жизнедеятельности. К примеру, в медицине, пищевой промышленности, при производстве товаров бытового назначения. Именно поэтому следует особенно тщательно изучать данную группу реагентов.
Основные сведения об азотной кислоте
Это сильный реактив, который относится к разряду односоставных кислот. С виду это обычная прозрачная жидкость. Порой отмечается наличие желтоватого оттенка. Связано это с тем, что при теплой температуре на поверхности скапливается оксид азота. Диоксид азота также может проявиться в виде бурого осадка. Но происходит это под солнечными лучами. При любых контактах с воздухом кислота начинает сильно дымиться. Кроме того, нормально вступает в реакции с металлами. Отлично растворяется в воде, а вот в случае с эфиром есть ряд ограничений.
Какие формы выпуска существуют? Всего разделяют две — обычная (концентрация 65-68%) и дымная (не менее 85%). При этом, цвет дыма может сильно различаться. Если концентрация составляет 86-95%, то он белый. Процентовка выше? Тогда вы увидите красный цвет.
Процесс получения
Сегодня он не различается как в случае с сильной, так и слабой концентрацией. Его можно разделить на несколько этапов.
Происходит кристаллическое окисление синтетика аммиака.
Необходимо дождаться, когда образуются нитрозные газы.
Вся вода, имевшаяся в составе, впитывается.
На завершающем этапе необходимо дождаться, пока кислота достигнет необходимой концентрации.
Как происходит хранение и транспортировка?
Данный реагент не относится к разряду особо агрессивных. Поэтому и требований к хранению и транспортировке не так уж и много. Держать кислоту требуется в герметичных емкостях, выполненных из алюминия или же хромистой стали. Также подойдет лабораторное стекло. Что касается резервуаров, то на них должна быть пометка «Опасно». Это же касается и маленьких тар.
Меры предосторожности при использовании
Данный химический реактив относится к сильным кислотам. Он имеет III класс опасности. Те лица, которые допускаются к работе с данным веществом, должны пройти соответствующий инструктаж. В помещении необходимо находиться в специальной одежде. Она включает в себя комбинезон, рукавицы, респираторы, очки. Необходимы индивидуальные средства защиты органов дыхания и зрения. Последствия при несоблюдении требований безопасности могут быть серьезными. Если кислота попадет на кожу, то приведет к образованию ожогов и язв. Вдохнете ее? Тогда сильно отравитесь или даже получите отек легких. Так что в лабораториях необходимо организовывать постоянный контроль, просить сотрудников проходить инструктаж по мерам безопасности.
Где применяется азотная кислота?
Благодаря своим химическим свойствам, данная кислота применяется во многих отраслях. Отдельно следует выделить несколько. В первую очередь это промышленность. С помощью нее можно запросто синтезировать искусственное волокно. Кроме того, часто азотная кислота — это основной компонент при изготовлении моторного масла. Наверняка вы знаете, что она используется в металлургии. С помощью нее можно растворять и травить металлы. Существует специальная промышленная азотная кислота, которая лучше справляется с решением описанных задач.
Применение в быту
Из нее изготавливают средства, позволяющие эффективно очистить ювелирные украшения в домашних условиях. Но нужно быть крайне осторожным, не допускать контактов данных средств с кожей. При капельном поливе азотную кислоту можно применить в качестве очистителя. Концентрации в 60% будет достаточно для того, чтобы избавиться от солей или растворить осадок в капельной системе.
Каково применение в медицине?
Если вы посмотрите на состав некоторых медицинских средств, то увидите, что там содержится азотная кислота. К примеру, 30%-я используется для борьбы с бородавками. Также часто данный компонент добавляют в средства по борьбе с язвенными болезнями. Это отличный антисептик, обладающий вяжущими свойствами.
Использование в сельском хозяйстве
Агрономам необходимы минеральные удобрения для того, чтобы сделать урожай более богатым. В составе некоторых из них можно отыскать азотную кислоту. Но необходимо четко рассчитывать дозу для того, чтобы полученные овощи и фрукты не нанесли никакого вреда здоровью. Если кислоты будет слишком много, то в культурах будут скапливаться нитраты. Можно выделить несколько видов удобрений на основе кислоты: амидные, аммиачные, нитратные.
Но данный реагент имеет соли, которые в сельском хозяйстве используются даже чаще. Их добавляют в некоторые лекарственные препараты, которые дают животным.
Что можно сказать в заключении?
Как видите, азотная кислота — это очень важный компонент, применяющийся в огромном количестве отраслей. Без нее невозможно было бы представить современную жизнь. А химики на регулярной основе придумывают, где еще можно использовать данный реагент.
Вконтакте
