Литосфера. Почвы. Твердые отходы,

ИХ УТИЛИЗАЦИЯ

 

Пример 4.1. В состав природных геохимических соединений входят различные минералы. Рассчитайте процентное содержание (массовую долю ω, %) элементов, входящих в состав магниевой слюды Mg₃(OH)₂[AlSi₃O₁₀].

 

Решение

 

1. Определяем молярную массу минерала.

М (Mg₃(OH)₂[AlSi₃O₁₀] = 24×3+2(16+1)+27+28×3+16×10 = 377 г.

2. Рассчитываем процентное содержание каждого элемента, входящего в состав минерала (массовую долю ω, %) принимая молярную массу магниевой слюды за 100 %.

377 г минерала составляют 100 %

24 г Mg –«– –«– –«– Х

ω (Mg), % = Х = = 6,37 %.

Так как атомов магния в минерале 3, то процентное содержание всего магния составит 6,37×3 = 19,1 %.

Аналогично рассчитывается процентное содержание каждого элемента.

ω (О), % = = 50,9 %;

ω (Н), % = = 0,5 %;

ω (Al), % = = 7,2 %;

ω (Si), % = = 22,3 %.

 

Ответ: % содержание элементов (массовая доля) в магниевой слюде составляет: Mg – 19,1; О – 50,9; Н – 0,5; Al – 7,2; Si – 22,3.

Пример 4.2. Для повышения плодородия почвы на площади 4 га требуется внесение удобрения в виде сульфата аммония (NH₄)₂SO₄. Рассчитайте массу азота, полученного почвой при норме внесения сульфата аммония 0,025 кг/м².

Решение

 

1. Рассчитаем массу сульфата аммония, вносимого на 4 га.

0,025 кг/м²×4 га = 0,025 кг/м²×4×10⁴ м² = 1×10³ кг.

2. Определим соотношение молярных масс азота и сульфата аммония:

М(N) = 14 г/моль; М((NH₄)₂SO₄) = 2(14+1×4)+32+16×4 = 132 г/моль; .

3. Масса азота, вносимого на площади 4 га при указанной норме сульфата аммония, составит

m (N) = 1×10³ кг × 0,21 = 210 кг.

Пример 4.3. Определите какое из приведенных веществ: CdF₂; (NH₄)₂SO₄; SiCl₄, входящих в состав твердых отходов, является наиболее вредным и за счет какого элемента? Пользуясь данными табл. П.1 приведите класс опасности и ПДК этого вещества. Опишите воздействие его на человека.

 

Решение

 

По степени воздействия на организм человека вещества I класса опасности являются чрезвычайно опасными, II класса – высоко опасными, III класса – умеренно опасными, IV класса – малоопасными. Пользуясь данными табл. П.1 приводим класс опасности и ПДК указанных веществ в виде таблицы (табл. 4.1).

 

Т а б л и ц а 4.1

 

№	Формула вещества	Класс опасности	ПДК, мг/м3
	CdF2		0,01
	(NH4)2SO4
	SiCl4		0,5

 

Из анализа приведенных данных наиболее вредным веществом следует считать фторид кадмия. Вредность CdF₂ обусловлена действием кадмия, так как все соединения, содержащие данный элемент, отнесены к I группе опасности. Дополнительное влияние оказывает и фторид-ион, так как большинство соединений, содержащих данный элемент, отнесено ко II группе опасности. Выбор наиболее вредного из трех рассматриваемых веществ подтверждается значениями ПДК. Так, наименьшее значение данного параметра установлено для CdF₂.

По степени воздействия на организм CdF₂ является чрезвычайно опасным, SiCl₄ высокоопасным, (NH₄)₂SO₄ – умеренно опасным веществом.

 

Пример 4.4. Опишите механизм действия и принципиальную схему аппарата, применяемого для отделения твердой фазы. Аппарат – напорный гидроциклон.

Решение

 

Схема напорного гидроциклона представлена на рис.

 

 

 

 

Рис.4.1. Напорный гидроциклон: 1 – входной патрубок; 2 – тангенциальный патрубок; 3 – сливной патрубок; 4 – специальная насадка

 

Напорный гидроциклон состоит из цилиндрической и конической частей. Жидкость, содержащая твердые частицы, подается под давлением через входной патрубок, расположенный в верхней цилиндрической части гидроциклона. Вращение жидкости в гидроциклоне вызывается дальнейшим ее попаданием в тангенциальный патрубок. Под действием центробежных сил жидкость устремляется к стенкам гидроциклона с преобладанием по скорости твердых частиц примеси. Раствор с большим содержанием твердых частиц стекает вниз по стенкам конической части гидроциклона и попадает в шламосборник. Стекающий густой поток жидкости выталкивает вверх более чистую и легкую жидкость, которая вытекает через сливной патрубок.

Таким гидроциклонам присущ сравнительно низкий КПД из-за «избыточной» интенсивности турбулентности и различного рода изменений направления и величины скорости движения жидкости в циклоне. Поэтому напорные гидроциклоны применяют для выделения механических частиц со скоростью осаждения менее 0,02 м/с.

 

Пример 4.5. На полигоны ежегодно вывозится большое коли-чество бытовых отходов в виде пластмассовых бутылок, упаковочного материала, бумаги и древесины, в состав которых входят полимерные материалы. В течение многих лет под действием кислорода, температуры и других факторов в результате деструкции происходит выделение углекислого газа (СО₂), загрязняющего атмосферу.

Рассчитайте, какое количество СО₂ выделяется в атмосферу, если на полигон вывезено 1500 т отходов, в составе которых содержится 12 % полимерных материалов в виде целлюлозы (расчет вести при нормальных условиях) без учета степени полимеризации (n).

Решение

 

Полимеры состоят из макромолекул, содержащих большое число звеньев. Каждое звено представляет из себя мономер. Число звеньев характеризуется степенью полимеризации (n).

 

1. Рассчитываем массу полимерных материалов в виде целлюлозы, содержащихся в 1500 т отходов.

m = = 180 т.

2. Записываем уравнение реакции окисления целлюлозы без указания степени полимеризации:

С₆Н₁₀О₅ + 8,5 О₂ = 6СО₂ + 5Н₂О.

3. Определяем молярную массу целлюлозы и объем 6 молей СО₂:

М(С₆Н₁₀О₅) = 12×6 + 1×10 + 5×16 = 162 г/моль;

V (CO₂) = 6×22,4 = 134,4 л.

4. Объем СО₂, выделяемый при деструкции 180 т целлюлозы, рассчитываем составляя пропорцию:

Из 162 г целлюлозы выделяется 134,4 л СО₂

Из 180×10⁶ г –«- -«- -«- V л СО₂

V (CO₂) = л.

Задача 4.1. В состав природных геохимических соединений входят различные минералы. Рассчитайте процентное содержание (массовую долю ω, %) элементов, входящих в состав указанного в вашем варианте минерала.

 

Вариант	Название минерала	Состав минерала
	Авогадрит	Cs[BF4]
	Агвиларит	Ag4SeS
	Азурит	Cu3(CO3)2(OH)2
	Алунит	KAl3(SO4)2(OH)6
	Альмандин	Fe3Al2(SiO4)3
	Амблигонит	LiAl(PO4)F
	Барилит	(BaBe2)Si2O7
	Берилл	(Be3Al2)Si6O18
	Висмутит	Bi2CO3(OH)4
	Вадеит	(K2Zr)Si3O9
	Ванадинит	Pb5(VO4)3Cl
	Вольфрамит	MnWO4
	Гадолинит	Be2Y2FeII(SiO4)2O2
	Гарниерит	Ni6(Si4O10)(OH)8
	Герхардтит	Cu2NO3(OH)3
	Гидроцинкит	Zn5(CO3)2(OH)6
	Десклоизит	(ZnPb)VO4(OH)
	Каинит	KMg(SO4)Cl∙3H2O
	Карналлит	CsMgCl3∙6H2O
	Каолинит	Al4(Si4O10)(OH)8
	Малахит	Cu2(OH)2CO3
	Микролит	NaCa(TaO3)2F
	Ортоклаз	KAlSi3O8
	Топаз	Al2(SiO4)(OH)2
	Туранит	Cu5(VO4)2(OH)4

Задача 4.2. Для повышения плодородия почвы на указанной площади требуется внесение удобрения. Рассчитайте массу элемента, полученного почвой при определенной норме внесения данного удобрения.

 

Вариант	Вносимое удобрение	Элемент	Норма внесения, кг/м2	Пло-щадь, га
	Название	Формула
	Цианамид кальция	СаСN2	N	0,022
	Карбамид (мочевина)	CO(NH2)2	N	0,011
	Сульфат аммония	(NH4)2SO4	N	0,025
	Хлорид аммония	NH4Cl	N	0,025
	Натриевая селитра	NaNO3	N	0,037
	Кальциевая селитра	Ca(NO3)2	N	0,035
	Аммиачная селитра	NH4NO3	N	0,015
	Калиевая селитра	KNO3	K	0,040
	Поташ	KCl или K2CO3	K	0,014
	Шенит	K2[Mg(SO4)2]	K	0,010
	Фторапатит	Ca5F(PO4)3	P	0,050
	Хлорапатит	Ca5Cl(PO4)3	Р	0,050
	Гидроксиапатит	Ca5ОН(PO4)3	Р	0,050
	Фосфоритная мука	Са3(РО4)2	Р	0,060
	Суперфосфат	Са(Н2РО4)2	Р	0,030
	Преципитат	СаНРО4	Р	0,030
	Аммофос	NH4H2PO4+ (NH4)2HPO4	P	0,012
	Диаммофос	(NH4)2HPO4	N	0,011
	Доломит	MgCO3∙CaCO3	Mg	0,020
	Сульфат магния	MgSO4	Mg	0,025
	Цианамид кальция	СаСN2	N	0,022
	Карбамид (мочевина)	CO(NH2)2	N	0,011
	Сульфат аммония	(NH4)2SO4	N	0,025
	Хлорид аммония	NH4Cl	N	0,025
	Калиевая селитра	KNO3	K	0,040

Задача 4.3. Используя данные табл. П.1, определите, какое из приведенных веществ, входящих в состав твердых отходов, является наиболее вредным, за счет какого элемента. Приведите класс опасности и ПДК этого вещества. Опишите воздействие его на человека.

 

Вариант	Вещество
	CoO	SiO2	CuSO4
	ZnS	Cd5P2	KCl
	(NH4)3PO4	Na2S	CoCl2
	AgCl	Ca(NO2)2	HgSe
	NiO	SiCl4	ScF
	AgF	NiSO4	ZnS
	KCl	TlI	BaCl2
	PbS	TiS	Ba(NO3)2
	NH4F	HgSe	(NH4)2SO4
	KF	NaNO3	CdSO4
	KI	CsI	NiO
	Ba(NO3)2	(NH4)2SO4	Cd5P2
	CdF2	(NH4)3PO4	AgCl
	TiS	PbTe	Na2S
	SiCl4	SiO2	PbS
	Bi2Te3	TlI	KCl
	Ca(NO2)2	CdF2	KI
	ZrF4	CdSO4	ZnS
	Na2S	NiSO4	TiS
	NaNO3	PbS	CsI
	Mn3O4	NH4F	TiS
	SiCl4	KI	TlI
	CdF2	ScF	CuSO4
	AgF	CoCl2	NaNO3
	NiSO4	(NH4)2SO4	Bi2Te3

Задача 4.4. Опишите суть метода или механизм действия и принципиальную схему аппарата, применяемого для отделения твердой фазы.

 

Вариант	Метод или аппарат	Вариант	Метод или аппарат
	Коагуляция		Зернистые фильтры
	Фильтрация		Волокнистые фильтры
	Центрифугирование		Сетчатые фильтры
	Ультрафильтрация		Напорные гидроциклоны
	Обратный осмос		Фильтрующий элемент аппарата «Фильтр-пресс»
	Диализ		Тонкослойные отстойники
	Электрофлотация		Горизонтальные отстойники
	Электродиализ		Вертикальные (радиальные отстойники)
	Электроосмос		Открытые гироциклоны
	Электрофорез		Многоярусные гидроциклоны
	Седиментация в присут-ствии коагулянтов		Фильтрование под ваку-умом
	Седиментация в присут-ствии флокулянтов		Металлокерамические фильтры
	Флотация

 

Задача 4.5. На полигоны ежегодно выводится большое коли-чество бытовых отходов в виде пластмассовых бутылок, упаковочного материала, бумаги и древесины, в состав которых входят полимерные материалы. В течение многих лет под действием кислорода, температуры и других факторов в результате деструкции происходит выделение углекислого газа (СО₂), загрязняющего атмосферу.

Рассчитайте, какое количество СО₂ выделяется в атмосферу, если на полигон вывезено 1500 т отходов, в составе которых содержится 12 % полимерных материалов (расчет вести при нормальных условиях) без учета степени полимеризации (n).

 

Вари-ант	Название полимера	Формула звена макромолекулы полимера	Уравнение химической реакции
	Полиэтилен	[–CH2–CH2–]	[–CH2–CH2–]+3O2= =2CO2+ + 2H2O
	Полиметакри-лонитрил	[–CH2–C(CH3)–CN] |	2[–CH2–C(CH3)–CN] + | 10,5+ О2 = 8СО2 +5Н2О+ + 0,5N2
	Полиизобути-лен	[–CH2–C(CH3)2–]	[–CH2–C(CH3)2–] + 6O2 = = 4CO2 + 4H2O
	Полистирол	[–C6H5–CH–CH2–] |	[–C6H5–CH–CH2–] +6O2 = | = 8CO2 + 4H2O
	Полифторпро-пен	[–СH2–СF=СH–СH2–]	[–СH2–СF=СH–СH2–] + + 5O2 = 4CO2+ 2H2O+ HF
	Полихлорпро-пен	[–CH2–CCl=CH–CH2–]	[–CH2–CCl=CH–CH2–] + + 5O2 = 4CO2+2H2O+HCl
	Полиакрило-нитрил	[–CH2–CH–CN] |	2[–CH2–CH–CN] +7,5O2 = | = 6CO2 + 3H2O + N2
	Поливинили-денфторид (фторопласт-2)	[–CH2–CF2–]	[–CH2–CF2–] + 2O2 = = 2CO2 + 2HF
	Поливинили-денхлорид	[–CH2–CCl2–]	[–CH2–CCl2–] + 2O2 = = 2CO2 + 2HCl
	Полиэтилен-терефталат (лавсан)	[–O(CH2)2OCO–(C6H4)–CO–]	[–O4C10H8–] + 18O2 = = 9CO2 + 4H2O
	Полиметил- метакрилат	[–CH2–C(CH3)–COOCH3] |	[–CH2–C(CH3)–COOCH3] + | + 12O2 = 5CO2 + 4H2O
	Полиизопрен	[–CH2C(CH3)=CH–CH2] |	[–CH2C(CH3)=CH–CH2] + | + 7O2 = 5CO2 + 4H2O