Основы ресурсосбережения в химической технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Е. В. Иканина 
В. Ф. Марков

ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата
по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 542(075.8)
ББК 35я73-1
 
И 41

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра химии и процессов горения Уральского института 
Государственной противопожарной службы МЧС России
(начальник кафедры кандидат технических наук, доцент И. М. Фоминых);

М. Г. Зуев, доктор химических наук
(Институт химии твердого тела УрО РАН)

Иканина, Е. В.
И 41  
Основы ресурсосбережения в химической технологии : учеб. 
пособие / Е. В. Иканина, В. Ф. Марков ; М-во образования и науки 
Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2017. — 100 с. 

ISBN 978-5-7996-2194-0

В учебном пособии представлен систематизированный теоретический 
и практический материал по инженерной экологии и ресурсосбережению, 
проиллюстрированный на конкретных примерах. Учтены современные 
требования по нормированию качества и защите окружающей среды. 
Приведены примеры решения производственных задач в области экологии.
Для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки «Химическая технология» или смежным 
направлениям. Также будет полезно инженерно-техническим работникам, 
занимающимся вопросами экологии и ресурсосбережения.

УДК 542(075.8)
ББК 35я73-1

© Уральский федеральный университет, 2017
ISBN 978-5-7996-2194-0

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения ..............................................................................................5

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................8

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ ................................................................... 11
1.1. Основные понятия ........................................................................................ 11
1.2. Законы экологии Б. Коммонера ...................................................................13
1.3. Методы исследований в экологии ...............................................................15
1.4. Структура экологии ......................................................................................19
Контрольные вопросы .........................................................................................21

2. НОРМИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ 
КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ .................................................23
2.1. Санитарно-гигиенические нормативы ........................................................24
2.1.1. Нормативы загрязнения атмосферного воздуха ..............................25
2.1.2. Нормативы загрязнения грунтовых и поверхностных вод ............28
2.1.3. Нормативы загрязнения почвы .........................................................29
2.1.4. Допустимые физические воздействия на рабочих местах: 
нормирование и средства защиты ....................................................30
2.2. Производственно-хозяйственные нормативы ............................................36
2.3. Экологический мониторинг .........................................................................38
2.4. Экологическое законодательство и экологическая информация ..............40
Контрольные вопросы .........................................................................................41

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ 
ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕШЕНИЯ..........................................42
3.1. Выбросы химических предприятий и пути их снижения .........................43
3.1.1. Состав атмосферного воздуха ...........................................................43
3.1.2. Озоновый слой ...................................................................................44
3.1.3. Классификация выбросов ..................................................................46
3.1.4. Основные антропогенные загрязнители воздуха ............................47
3.1.5. Последствия загрязнения атмосферы ..............................................49
3.1.6. Пути снижения выбросов и их вредного воздействия ....................52

3.2. Стоки химических предприятий и пути 
сокращения водопотребления .....................................................................53
3.2.1. Вода в химической промышленности ..............................................53
3.2.2. Классификация сточных вод .............................................................55
3.2.3. Основные антропогенные загрязнители гидросферы ....................57
3.2.4. Биогенные и токсические свойства 
тяжелых цветных металлов ...............................................................57
3.2.5. Последствия загрязнения гидросферы.............................................60
3.2.6. Пути уменьшения количества сточных вод .....................................61
3.2.7. Системы водоснабжения промышленных предприятий ................62
3.3. Отходы химических предприятий 
и области их вторичного применения ........................................................64
3.3.1. Классификация отходов .....................................................................64
3.3.2. Области вторичного применения отходов .......................................66
3.4. Экологическая опасность нанотехнологий ................................................67
Контрольные вопросы .........................................................................................67

4. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ 
ВЫБРОСОВ, СБРОСОВ И ОТХОДОВ ..................................................69
4.1. Методы обезвреживания аэрозолей ............................................................69
4.1.1. Сухие механические методы .............................................................69
4.1.2. Мокрый механический метод ...........................................................71
4.1.3. Электрический метод .........................................................................72
4.2. Методы очистки выбросов от газообразных примесей ............................73
4.2.1. Абсорбция ...........................................................................................73
4.2.2. Адсорбция ...........................................................................................74
4.2.3. Термическое дожигание и каталитические методы очистки .........76
4.3. Рекуперация пыли и других продуктов очистки........................................77
4.4. Механические методы очистки стоков .......................................................78
4.5. Физико-химические методы очистки стоков .............................................79
4.5.1. Методы очистки от мелкодисперсных примесей ............................79
4.5.2. Методы очистки от растворимых минеральных 
и органических веществ ....................................................................81
4.6. Химические методы очистки стоков ...........................................................84
4.7. Биохимические методы очистки стоков .....................................................84
4.8. Термические методы очистки стоков ..........................................................85
4.9. Методы переработки отходов, вторичное применение 
которых нецелесообразно ............................................................................86
4.9.1. Огневая переработка ..........................................................................86
4.9.2. Термическая переработка ..................................................................87
4.9.3. Захоронение, хранение и компостирование ....................................88
Контрольные вопросы .........................................................................................89

Примеры решения задач ........................................................................................91

Список рекомендуемой литературы .....................................................................98

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Термины и определения

║
Сведения, приводящиеся в качестве примеров

!
Информация, на которую следует обратить внимание

Формулы или соотношения между величинами, кото-
рые надо запомнить

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сегодня Россия — самая богатая страна в мире по количеству 
природных ресурсов, но любые запасы могут быть исчерпаны. 
Это относится даже к возобновляемым ресурсам, например, к дре-
весине, так как восстановление лесов требует продолжительного 
времени и соответствующих действий со стороны человека.
В каком состоянии будет находиться окружающая среда 
завтра и сохранит ли наша страна лидирующие позиции, зависит 
от каждого из нас, но, в первую очередь, — от специалистов инже-
нерно-технического профиля, поэтому очень важно обеспечить 
высокое качество их подготовки в сфере экологии и ресурсосбере-
жения. Важную роль в образовательном процессе играют учебные 
материалы.
В данном учебном пособии сделан упор на формирование 
инженерных знаний в области экологии и чувства социальной 
ответственности у студентов технических вузов, которые позволят 
им квалифицированно решать в будущем экологические вопросы 
в сфере своей профессиональной деятельности.
Каждая глава начинается с необходимых терминов и опреде-
лений, многие из которых даны в авторской трактовке. Весь тео-
ретический материал снабжен практическими сведениями или 
опытными данными, приводящимися в качестве примеров, а там, 
где это необходимо, дополнен иллюстрациями и таблицами. Разо-
браны примеры решения задач, условия для которых взяты авто-
рами из реальных производственных ситуаций. В списке литера-
туры, помещенном в конце пособия, перечислены монографии 
и руководства, необходимые для более глубокого изучения мате-
риала, а также приведены законодательные акты и другие норма-
тивные документы по вопросам экологии.
В пособии большое внимание уделяется возможным направ-
лениям создания малоотходных и безотходных химических 

производств, изложены основы нормирования веществ, загрязня-
ющих окружающую среду. Отдельный раздел пособия посвящен 
описанию вредных и опасных условий труда на химических пред-
приятиях, а также коллективным и индивидуальным средствам 
защиты персонала.
Учебное пособие разработано в соответствии c требованиями 
ФГОС ВО от 11.08.2016 г. № 1005 по направлению подготовки 
18.03.01 «Химическая технология» (уровень бакалавриата). Посо-
бие рассчитано на студентов химико-технологических и эколо-
гических специальностей, а также может быть полезно научным 
и инженерно-техническим работникам, занимающимся вопро-
сами экологии и ресурсосбережения.
Авторы благодарят сотрудников кафедры ХТТиПЭ, ХТИ 
за помощь в составлении условий задач.

Учебное пособие написано на основании данных научного 
исследования по теме «Разработка энергосберегающего 
метода подготовки воды для тепловых и атомных 
электростанций», направление модернизации «Энергоэффективность 
и энергосбережение, в том числе вопросы 
разработки новых видов топлива». Исследование выполнено 
при финансовой поддержке стипендии Президента 
РФ для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих 
перспективные научные исследования и разработки по 
прио ритетным направлениям модернизации российской 
экономики, СП-622.2015.1.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перед человечеством стоит ряд глобальных 
проблем, от успешного решения которых зависит безопасность 
общества и стабильность экономики. К ним, в первую очередь, 
относится загрязнение окружающей среды, изменение климата, 
озоновые дыры, кислотные дожди и обезлесение территорий. 
Самый короткий и эффективный путь решения обозначенных проблем – 
это применение безотходных и ресурсосберегающих технологий, 
разработкой и исследованием которых занимается инженерная 
экология.
Экология — сравнительно молодая наука, зародившаяся 
в середине XIX в. как биологическая дисциплина, основоположником 
которой является Э. Геккель. По мере своего развития экология 
перестала быть одним из разделов биологии и превратилась 
в самостоятельное научное направление на стыке общественных, 
естественных и технических дисциплин. Современная экология 
является междисциплинарной наукой и объединяет в себе биологические, 
математические, химические, физические, философские, 
медицинские знания, необходимые для охраны окружающей 
среды, рационального использования и сбережения природных 
ресурсов.
История развития экологии как науки в нашей стране имеет 
свои особенности, существенно отличающиеся от мировых тенденций, 
что наложило отпечаток на ее преподавание.
Многочисленные открытия, сделанные нашими учеными 
в прошлом столетии в области естественных и технических наук, 
свидетельствуют о том, что высшее техническое образование 
в СССР отличалось очень высоким качеством и соответствовало 
мировому уровню. При этом экология не изучалась в образова-
тельных учреждениях, так как экологические принципы противо-
речили существующей на тот момент идеологии, призывающей 

потребительски относиться к природе. Наиболее ярко это выра-
жено в словах И. В. Мичурина: «Мы не можем ждать милостей от 
природы, взять их у нее — наша задача».
Образовательный процесс всегда неразрывно связан с наукой. 
Советская наука также строилась на принципах антропоцентризма 
и была нацелена на создание передовых технологий добычи 
и переработки ресурсов. Считалось, что человек стоит выше при-
родных и эволюционных процессов и со временем сможет их пол-
ностью контролировать благодаря силе интеллекта. В связи с этим 
экология долгое время как наука не рассматривалась.
Бесспорно, отдельные русские ученые, например, В. Н. Сука-
чев, В. В. Алехин и Д. Н. Кашкаров, занимались экологическими 
исследованиями, но они были посвящены вопросам общей и био-
экологии. Инженерная экология в тот период времени практиче-
ски не развивалась.
Даже сегодня от антропоцентристских воззрений полностью 
не отказались, хотя время показало, что они тупиковые.
В конце XX в., после изменения политической ситуации 
в стране и значительного ухудшения состояния окружающей 
среды во многих промышленных городах, природоохранным 
проблемам стали уделять внимание. Экологические дисциплины 
были введены в программы подготовки специалистов в высших 
учебных заведениях, в том числе технических. Хотя, как показы-
вает практика, экологическая подготовка выпускающихся сегодня 
инженеров нуждается в совершенствовании.
Во-первых, исторически сложилось так, что в рамках экологи-
ческих дисциплин до студентов технических вузов доносят биоло-
гические знания, не являющиеся для них основными. Техногенная 
опасность производств, устройство и принцип работы оборудова-
ния по обезвреживанию отходов, очистке сточных вод и газовых 
выбросов детально не рассматриваются. Наряду с этим, очистное 
оборудование, используемое сейчас на предприятиях, большей 
частью импортное. Оно поставляется, как правило, в комплекте 
с инструкцией, содержащей минимум информации, касающейся 
только техники безопасности и правил эксплуатации приборов. 

Данные об их принципе действия являются коммерческой тайной 
стран-производителей, и наши инженеры зачастую работают на 
установках, поверхностно представляя, как они устроены.
Во-вторых, многие методики преподавания экологических 
дисциплин заимствованы у западных стран, следовательно, в них 
не уделяется внимание русскому менталитету, что препятствует 
усвоению материала на психологическом уровне. Также недостаточно 
полно рассматриваются особенности географического 
положения и климата нашей страны, которые нередко играют 
решающую роль в ходе принятия инженерных решений в области 
экологии.
В-третьих, в учебной литературе экологические проблемы 
часто рассматриваются в общих чертах, не хватает деталей 
и ярких практических примеров, которые бы помогли студенту 
разобраться в материале.
Авторы уже не один год занимаются экологическими исследованиями 
и педагогической деятельностью, что позволило им обнаружить 
названные выше проблемы преподавания экологических 
дисциплин в технических вузах. Так появилась идея — разработать 
методологию формирования экологического мышления у студентов 
инженерно-технических специальностей, позволяющую 
устранить выявленные недостатки, и исследовать эффективность 
ее применения.
Успешная реализация этой идеи помогла бы повысить каче-
ство и конкурентоспособность высшего технического образова-
ния в России. Одним из этапов реализации являлось написание 
данного учебного пособия. Цель пособия — донести до студен-
тов химических специальностей подробную и доступную инфор-
мацию, необходимую для решения производственных задач по 
повышению эффективности переработки сырья и снижению тех-
ногенной нагрузки предприятий на окружающую среду.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ

1.1. Основные понятия

Термин «экология» ввел Э. Геккель (1834–1919) в 1866 г. 
в книге «Общая морфология организмов» (ориг. название «Gene-
relle Morphologie der Organismen»). Он писал: «Под экологией 
мы понимаем… изучение всей совокупности взаимоотношений 
животного с окружающей его средой… с теми животными и расте-
ниями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт».

Эрнст Генрих Филипп Август Гéккель (1834–1919) — не-
мецкий биолог и философ, профессор Йенского универ-
ситета. Основоположник экологии, пропагандист учения 
Ч. Дарвина, автор теории происхождения многоклеточных 
и основного биогенетического закона, согласно которому 
каждое живое существо в своем индивидуальном (эмбрио-
нальном) развитии повторяет историческое развитие сво-
его вида. Он построил первое генеалогическое древо жи-
вотного царства и предположил существование в прошлом 
промежуточной формы жизни между обезьяной и челове-
ком, что позже было подтверждено находкой на острове 
Ява останков питекантропа (обезьяночеловека).

Со временем ученые стали рассматривать экологию как био-
логическую дисциплину, изучающую условия существования не 
только животных, но и всех живых организмов. В современном 
понимании термин «экология» имеет еще более широкое значе-
ние, включающее в себя, кроме всего перечисленного, вопросы 
охраны окружающей среды.
Под о к р у ж а ю щ е й  с р е д о й  понимают совокупность 
природных и созданных человеком объектов: искусственные сады 

и парки, осушенные болота, города с особым микроклиматом 
и промышленными предприятиями и др.
В связи с такой многозначностью термина определение «эко-
логия» дано в авторской трактовке, наиболее точно отражающей 
проблематику развития промышленности.

Э ко л о г и я  (от греч. оikos — жилище, убежище, 1оgos — 
наука) — это наука, изучающая взаимодействия живых организ-
мов, включая человека, между собой и окружающей средой с уче-
том изменений, вносимых в среду человеческой деятельностью.
Экология— междисциплинарная наука, сформировавшаяся 
на стыке общественных, естественных и технических дисциплин, 
в связи с этим фундаментальные законы этих дисциплин приме-
няются и в экологии. Большой вклад в выявление экологических 
закономерностей внесли В. И. Вернадский (1863–1945), Ю. Либих 
(1803–1873), В. Е. Шелфорд (1877–1968), Ю. Одум (1913–2002), 
Ж. Кювье (1769–1832).

Владимир Иванович Вернáдский (1863–1945) — русский 
естествоиспытатель и общественный деятель, его идеи 
сыграли большую роль в становлении современной на-
учной картины мира. Основоположник комплекса наук 
о Земле: геохимии, биогеохимии, гидрогеологии, генети-
ческой минералогии и др. Автор учений о биосфере и ноо-
сфере. Он считал, что ноосфера (сфера разума) — выс-
шая стадия эволюции, на которой разумная человеческая 
деятельность станет определяющим фактором развития 
всего живого. Основатель Биогеохимической лаборатории 
(сейчас Институт геохимии и аналитической химии РАН 
им. Вернадского) и многих научных школ.

Согласно литературным данным, на сегодняшний день 
известно более 60 законов экологии, но исторически сложилось 
так, что большинство из них имеют биоэкологический характер. 
С инженерно-технической точки зрения наиболее значимы 
четыре закона Б. Коммонера (1917–2012), сформулированные им 
в научно-популярном стиле в книге «Замыкающийся круг» (ориг. 
название «The Closing Circle»), опубликованной в 1971 г.