Хімія та енергетика. Значення хімії у вирішенні енергетичної проблеми.
Реферат
Роль хімії у вирішенні енергетичних проблем
Вступ
Вся історія розвитку цивілізації – пошук джерел енергії. Це дуже актуально й сьогодні. Адже енергія – це можливість подальшого розвитку індустрії, отримання стійких урожаїв, благоустрій міст та надання допомоги природі у заліковуванні ран, завданих їй цивілізацією. Тому вирішення енергетичної проблеми потребує глобальних зусиль. .
1. Зародження сучасної хімії та її проблеми у 21 столітті
хімія суспільство енергетичний
Кінець середньовіччя відзначений поступовим відходом від окультизму, спадом інтересу до алхімії та поширенням механістичного погляду на будову природи.
Ятрохімія.
Цілком інших поглядів на цілі алхімії дотримувався Парацельс. Під таким вибраним ним самим ім'ям увійшов до історії швейцарський лікар Філіп фон Гогенгейм. Парацельс, як і Авіценна, вважав, що основне завдання алхімії - не пошук способів отримання золота, а виготовлення лікарських засобів. Він запозичив з алхімічної традиції вчення про те, що існують три основні частини матерії - ртуть, сірка, сіль, яким відповідають властивості летючості, горючості та твердості. Ці три елементи складають основу макрокосму і пов'язані з мікрокосмом, освіченим духом, душею та тілом. Переходячи до визначення причин хвороб, Парацельс стверджував, що лихоманка та чума походять від надлишку в організмі сірки, при надлишку ртуті настає параліч тощо. Принцип, якого дотримувалися всі ятрохіміки, полягав у тому, що медицина є справа хімії, і все залежить від здатності лікаря виділяти чисті початки з нечистих субстанцій. У рамках цієї схеми всі функції організму зводилися до хімічних процесів, і завдання алхіміка полягала у знаходженні та приготуванні хімічних речовиндля медичних потреб
Основними представниками ятрохімічного спрямування були Ян Гельмонт, за фахом лікар; Франциск Сільвій, який користувався як медик великою славою і усунув із ятрохімічного вчення «духовні» початки; Андреас Лібавій, лікар із Ротенбурга.
Їхні дослідження багато в чому сприяли формуванню хімії як самостійної науки.
Механістична філософія.
Зі зменшенням впливу ятрохімії натурфілософи знову звернулися до вчень древніх про природу. На перший план у 17 ст. вийшли атомістичні погляди. Одним із найвизначніших учених – авторів корпускулярної теорії – був філософ і математик Рене Декарт. Свої погляди він виклав у 1637 р. у творі Міркування про метод. Декарт вважав, що це тіла «складаються з численних дрібних частинок різної форми і розмірів, які настільки точно прилягають одне до одного, щоб навколо них залишалося проміжків; ці проміжки не порожні, а наповнені розрідженою матерією». Свої «маленькі частинки» Декарт вважав атомами, тобто. неподільні; він стояв на точці зору нескінченної подільності матерії та заперечував існування порожнечі.
Одним із найвизначніших противників Декарта був французький фізик та філософ П'єр Гассенді.
Атомістика Гассенді була по суті переказом вчення Епікура, проте, на відміну від останнього, Гассенді визнавав створення атомів Богом; він вважав, що Бог створив певну кількість неподільних і непроникних атомів, з яких складаються всі тіла; між атомами має бути абсолютна порожнеча.
У розвитку хімії 17 в. Особлива роль належить ірландському вченому Роберту Бойлю. Бойль не приймав твердження стародавніх філософів, які вважали, що елементи світобудови можна встановити умоглядно; це знайшло свій відбиток у назві його книжки Химик-скептик. Будучи прихильником експериментального підходу до визначення хімічних елементів, він не знав про існування реальних елементів, хоча один з них – фосфор – ледь не відкрив сам. Зазвичай Бойлю приписують заслугу запровадження хімію терміна «аналіз». У своїх дослідах щодо якісного аналізу він застосовував різні індикатори, запровадив поняття хімічної спорідненості. Грунтуючись на працях Галілео ГалілеяЕванджеліста Торрічеллі, а також Отто Геріке, який демонстрував у 1654 «магдебурзькі півкулі», Бойль описав сконструйований ним повітряний насос та досліди щодо визначення пружності повітря за допомогою U-подібної трубки. В результаті цих дослідів було сформульовано відомий закон про зворотну пропорційність обсягу та тиску повітря. У 1668 Бойль став діяльним членом щойно організованого Лондонського королівського товариства, а 1680 був обраний його президентом.
Біохімія. Ця наукова дисципліна, що займається вивченням хімічних властивостейБіологічні речовини спочатку були одним з розділів органічної хімії. У самостійну область вона виділилася останнє десятиліття 19 в. в результаті досліджень хімічних властивостей речовин рослинного та тваринного походження. Одним із перших біохіміків був німецький вчений Еміль Фішер. Він синтезував такі речовини, як кофеїн, фенобарбітал, глюкоза, багато вуглеводнів, зробив великий внесок у науку про ферменти - білкові каталізатори, вперше виділені в 1878. Формуванню біохімії як науки сприяло створення нових аналітичних методів.
У 1923 році шведський хімік Теодор Сведберг сконструював ультрацентрифугу і розробив седиментаційний метод визначення молекулярної маси макромолекул, головним чином білків. Помічник Сведберга Арне Тизелиус у тому року створив спосіб електрофорезу - найдосконаліший спосіб поділу гігантських молекул, заснований на відмінності у швидкості міграції заряджених молекул в електричному полі. На початку 20 ст. Російський хімік Михайло Семенович Колір описав метод поділу рослинних пігментів при проходженні їх суміші через трубку, заповнену адсорбентом. Метод було названо хроматографією.
У 1944 англійські хіміки Арчер Мартіні Річард Сінг запропонували новий варіантметоду: вони замінили трубку з адсорбентом на фільтрувальний папір. Так з'явилася паперова хроматографія - один із найпоширеніших у хімії, біології та медицині аналітичних методів, за допомогою якого наприкінці 1940-х - на початку 1950-х років вдалося проаналізувати суміші амінокислот, що виходять при розщепленні різних білків, і визначити склад білків. В результаті ретельних досліджень було встановлено порядок розташування амінокислот в молекулі інсуліну, а до 1964 року цей білок вдалося синтезувати. Зараз методами біохімічного синтезу отримують багато гормонів, лікарські засоби, вітаміни.
Квантова хімія. Для того, щоб пояснити стійкість атома, Нільс Бор поєднав у своїй моделі класичні та квантові уявлення про рух електрона. Проте штучність такого з'єднання була очевидна від початку. Розвиток квантової теорії призвело до зміни класичних уявлень про структуру матерії, рух, причинність, простір, час і т.д., що сприяло докорінному перетворенню картини світу.
Наприкінці 20-х - початку 30-х років XX століття на основі квантової теорії формуються принципово нові уявлення про будову атома та природу хімічного зв'язку.
Після створення Альбертом Ейнштейном фотонної теорії світла (1905) та виведення ним статистичних законів електронних переходів в атомі (1917) у фізиці загострюється проблема хвиля-частка.
Якщо у XVIII-XIX століттях були розбіжності між різними вченими, які пояснення тих самих явищ в оптиці залучали або хвильову, або корпускулярну теорію, тепер протиріччя набуло принципового характеру: одні явища інтерпретувалися з хвильових позицій, інші - з корпускулярних. Вирішення цього протиріччя запропонував у 1924 р. французький фізик Луї Віктор П'єр Раймон де Бройль, який приписав хвильові властивості частинці.
Виходячи з ідеї де Бройля про хвилі матерії, німецький фізик Ервін Шредінгер в 1926 вивів основне рівняння т.зв. хвильової механіки, що містить хвильову функцію і що дозволяє визначити можливі стани квантової системи та їх зміну у часі. Шредінгер дав загальне правило перетворення класичних рівнянь на хвильові. У рамках хвильової механіки атом можна було у вигляді ядра, оточеного стаціонарною хвилею матерії. Хвильова функція визначала щільність ймовірності знаходження електрона у цій точці.
У тому ж 1926 р. інший німецький фізик Вернер Гейзенберг розробляє свій варіант квантової теорії атома як матричної механіки, відштовхуючись у своїй від сформульованого Бором принципу відповідності.
Відповідно до принципу відповідності, закони квантової фізики повинні переходити в класичні закони, коли квантова дискретність прагне нулю зі збільшенням квантового числа. У більш загальному виглядіпринцип відповідності можна сформулювати так: нова теорія, яка претендує більш широку область застосування порівняно зі старою, повинна включати в себе останню як окремий випадок. Квантова механіка Гейзенберга дозволяла пояснити існування стаціонарних квантованих енергетичних станів та розрахувати енергетичні рівні різних систем.
Фрідріх Хунд, Роберт Сандерсон Маллікен та Джон Едвард Леннард-Джонс у 1929 р. створюють основи методу молекулярних орбіталей. В основу ММО закладено уявлення про повну втрату особливості атомів, що з'єдналися в молекулу. Молекула, таким чином, складається не з атомів, а є нову систему, утворену кількома атомними ядрамиі електронами, що рухаються в їх полі. Хунд створюється також сучасна класифікація хімічних зв'язків; 1931 р. він дійшов висновку про існування двох основних типів хімічних зв'язків - простий, або ?-зв'язку, та ?-зв'язку. Еріх Хюккель поширює метод МО на органічні сполуки, сформулювавши 1931 р. правило ароматичної стабільності (4n+2), що встановлює належність речовини до ароматичного ряду.
Таким чином, у квантовій хімії відразу виділяються два різні підходи до розуміння хімічного зв'язку: метод молекулярних орбіталей та метод валентних зв'язків.
Завдяки квантовій механіці до 30-х років XX століття в основному було з'ясовано спосіб утворення зв'язку між атомами. Крім того, у рамках квантово-механічного підходу отримало коректну фізичну інтерпретацію Менделіївське вчення про періодичність.
Мабуть, найважливішим етапом у розвитку сучасної хімії було створення різноманітних дослідницьких центрів, котрі займалися, крім фундаментальних, і навіть прикладними дослідженнями.
На початку 20 ст. низку промислових корпорацій створили перші промислові дослідницькі лабораторії. У США було засновано хімічну лабораторію «Дюпон», лабораторію фірми «Белл». Після відкриття та синтезу у 1940-х роках пеніциліну, а потім та інших антибіотиків з'явилися великі фармацевтичні фірми, в яких працювали професійні хіміки. Велике прикладне значення мали роботи у галузі хімії високомолекулярних сполук.
Одним із її основоположників був німецький хімік Герман Штаудінгер, який розробив теорію будови полімерів. Інтенсивні пошуки способів отримання лінійних полімерів привели в 1953 синтезу поліетилену, а потім інших полімерів із заданими властивостями. Сьогодні виробництво полімерів – найбільша галузь хімічної промисловості.
Не всі здобутки хімії виявилися благом для людини. При виробництві фарб, мила, текстилю використовували соляну кислоту та сірку, що становили велику небезпеку для довкілля. У 21 ст. виробництво багатьох органічних та неорганічних матеріалів збільшиться за рахунок вторинної переробки використаних речовин, а також за рахунок переробки хімічних відходів, що становлять небезпеку для здоров'я людини та навколишнього середовища.
2. Роль хімії у вирішенні енергетичних проблем
Вся історія розвитку цивілізації – пошук джерел енергії. Це дуже актуально й сьогодні. Адже енергія – це можливість подальшого розвитку індустрії, отримання стійких урожаїв, благоустрій міст та надання допомоги природі у заліковуванні ран, завданих їй цивілізацією. Тому вирішення енергетичної проблеми потребує глобальних зусиль. Свій чималий внесок робить хімія як сполучна ланка між сучасним природознавствомі сучасною технікою.
Забезпеченість енергією є найважливішою умовою соціально-економічного розвитку будь-якої країни, її промисловості, транспорту, сільського господарства, сфер культури та побуту
Але найближчими десятиліттями енергетики ще не скинуть з рахунків ні дерево, ні вугілля, ні нафту, ні газ. І водночас вони мають посилено розробляти нові засоби виробництва енергії.
Хімічна промисловість характеризується тісними зв'язками з усіма галузями народного господарства завдяки широкому асортименту виробленої нею продукції. Ця сфера виробництва відрізняється високою матеріаломісткістю. Матеріальні та енергетичні витрати у виробництві продукції можуть становити від 2/3 до 4/5 собівартості кінцевого продукту.
Розвиток хімічної технології йде шляхом комплексного використання сировини та енергії, застосування безперервних і безвідходних процесів з урахуванням екологічної безпеки навколишнього середовища, застосування високих тисків і температур, досягнень автоматизації та кібернетизації.
Особливо багато енергії споживає хімічна промисловість. Енергія витрачається на здійснення ендотермічних процесів, на транспортування матеріалів, фарбування та подрібнення твердих речовин, фільтрування, стиснення газів тощо. Значних витрат енергії потребують виробництва карбіду кальцію, фосфору, аміаку, поліетилену, ізопрену, стиролу тощо. Хімічні виробництва разом із нафтохімічними є енергоємними областями промисловості. Випускаючи майже 7% промислової продукції, вони споживають у межах 13-20% енергії, що використовується усією промисловістю.
Джерелами енергії найчастіше є традиційні невосстановимые природні ресурси- Вугілля, нафта, природний газ, торф, сланці. Останнім часом вони дуже швидко виснажуються. Особливо прискореними темпами зменшуються запаси нафти та природного газу, а вони обмежені та непоправні. Не дивно, що це породжує енергетичну проблему.
Протягом 80 років одні основні джерела енергії змінювалися іншими: дерево замінили на вугілля, вугілля – на нафту, нафту – на газ, вуглеводневе паливо – на ядерне. На початку 80-х у світі близько 70% потреби у енергії задовольнялося рахунок нафти і газу, 25% - кам'яного і бурого вугілля і лише близько 5% - інших джерел енергії.
У різних країнахенергетичну проблему вирішують по-різному, проте, всюди її вирішення значний внесок робить хімія. Так, хіміки вважають, що й у майбутньому (приблизно ще 25-30 років) нафта збереже свою позицію лідера. Але її внесок у енергоресурси помітно скоротиться і компенсуватиметься використанням вугілля, газу, водневої енергетики ядерного пального, енергії Сонця, енергії земних глибин та інших видів відновлювальної енергії, включаючи біоенергетику.
Вже сьогодні хіміки переймаються максимальним і комплексним енерготехнологічним використанням паливних ресурсів - зменшенням втрат теплоти у навколишнє середовище, вторинним використанням теплоти, максимальним застосуванням місцевих паливних ресурсів тощо.
Оскільки серед видів пального найдефіцитнішим є рідке, у багатьох країнах виділено великі кошти для створення рентабельної технології переробки вугілля в рідке (а також газоподібне) паливо. У цій галузі співпрацюють вчені Росії та Німеччини. Суть сучасного процесу переробки вугілля у синтез-газ полягає в наступному. У плазмовий генератор подається суміш водяної пари та кисню, яка розігрівається до 3000оС. А потім у розпечений газовий факел надходить вугільний пил, і в результаті хімічної реакції утворюється суміш оксиду вуглецю (ІІ) та водню, тобто. синтез-газ. З нього одержують метанол: CO+2H2?СH3OH. Метанол може замінити бензин у двигунах внутрішнього згоряння. У плані рішення екологічної проблемивін вигідно відрізняється від нафти, газу, вугілля, але, на жаль, теплота його скоріння вдвічі нижча, ніж у бензину, і, крім того, він агресивний по відношенню до деяких металів, пластичних мас.
Розроблено хімічні методи вилучення в'яжучої нафти (містить високомолекулярні вуглеводні), значна частина якої залишається у підземних коморах. Для збільшення виходу нафти у воду, яку закачують у пласти, додають поверхнево-активні речовини, їх молекули розміщуються на межі нафти-води, яка збільшує рухливість нафти.
Майбутнє поповнення паливних ресурсів поєднують із раціональною переробкою вугілля. Наприклад, подрібнене вугілля змішується з нафтою, на видобуту пасту діють воднем під тиском. При цьому утворюється суміш вуглеводнів. На добування 1 т штучного бензину витрачається близько 1 т вугілля та 1500 м водню. Поки що штучний бензин дорожчий за видобутий з нафти, тим не менш, важлива принципова можливість його добування.
Дуже перспективною є воднева енергетика, яка ґрунтується на спалюванні водню, під час якого шкідливі викиди не виникають. Тим не менш, для її розвитку потрібно вирішити низку завдань, пов'язаних із зниженням собівартості водню, створенням надійних засобів його зберігання та транспортування тощо. Якщо ці завдання будуть вирішені, водень широко використовуватиметься в авіації, водному та наземному транспорті, промисловому та сільськогосподарському виробництвах.
Невичерпні можливості містить ядерна енергетика, її розвиток для виробництва електроенергії та теплоти дає змогу вивільнити значну кількість органічного палива. Тут перед хіміками стоїть завдання створити комплексні технологічні системи покриття енергетичних витрат, що відбуваються під час здійснення ендотермічних реакцій за допомогою ядерної енергії. Наразі ядерна енергетика розвивається шляхом широкого впровадження реакторів на швидких нейтронах. У таких реакторах використовується уран, збагачений ізотопом 235U (не менше ніж на 20%), а сповільнювача нейтронів не потрібно.
Нині ядерна енергетика і реакторобудування - це сильна промисловість із великим обсягом капіталовкладень. Для багатьох країн вона є важливою статтею експорту. Для реакторів і допоміжного устаткування потрібні спеціальні матеріали, зокрема високої частоти. Завдання хіміків, металургів та інших спеціалістів – створення таких матеріалів. Над збагаченням урану теж працюють хіміки та представники інших суміжних професій.
Зараз перед атомною енергетикою стоїть завдання витіснити органічне паливо не тільки зі сфери виробництва електроенергії, але також із теплопостачання та певною мірою з металургійної та хімічної промисловості шляхом створення реакторів енерготехнологічного значення.
АЕС у перспективі знайдуть ще одне застосування – для виробництва водню. Частина отриманого водню споживатиметься хімічною промисловістю, інша частина послужить для живлення газотурбінних установок, що включаються при пікових навантаженнях.
Великі надії покладаються використання сонячної радіації (геліоенергетика). У Криму діють сонячні батареї, фотогальванічні елементи яких перетворюють сонячне світло на електрику. Для опріснення води та опалення житла широко використовуються сонячні термоустановки, які перетворюють сонячну енергію на теплоту. Сонячні батареї вже давно застосовуються в навігаційних спорудах та на космічних кораблях. У
На відміну від ядерної, вартість енергії, яку видобувають за допомогою сонячних батарей, постійно знижується. Для виготовлення сонячних батарей головним напівпровідниковим матеріалом є силіції та з'єднання силіцію. Нині хіміки працюють над розробкою нових матеріалів-перетворювачів енергії. Це можуть бути різні системи солей, як накопичувачі енергії. Подальші успіхи геліоенергетики залежать від матеріалів, які запропонують хіміки для перетворення енергії.
У новому тисячолітті приріст виробництва електроенергії відбуватиметься з допомогою розвитку сонячної енергетики, і навіть метанового бродіння побутових відходів та інших нетрадиційних джерел добування енергії.
Поряд із гігантськими електростанціями існують і автономні хімічні джерела струму, що перетворюють енергію хімічних реакцій безпосередньо на електричну. У вирішенні цього питання хімії належить Головна роль. У 1780 р. італійський лікар Л. Гальвані, спостерігаючи скорочення відрізаної лапки жаби після дотику до неї дротиками з різних металів, вирішив, що в м'язах є електрика, і назвав його «тваринною електрикою». А. Вольта, продовжуючи досвід свого співвітчизника, припустив, що джерелом електрики є не тіло тварини: електричний струм виникає від дотику різних металевих зволікань. «Предки» сучасних гальванічних елементів можна вважати «електричний стовп», створений А. Вольтою в 1800 р. Цей винахід схожий на листковий пиріг з кількох пар металевих пластин: одна пластина з цинку, друга - з міді, покладені одна на одну, а між ними вміщена повстяна прокладка, просочена розведеною сірчаною кислотою. До винаходу в Німеччині В. Сіменсом в 1867 динамо-машини гальванічні елементи були єдиним джерелом електричного струму. У наші дні, коли автономні джерела енергії знадобилися авіації, підводному флоту, ракетної техніки, електроніки, увага вчених знову звернена до них.
Висновок
Використання атомної енергії дозволяє відмовитися від природного вугілля та нафти. Внаслідок цього знижуються викиди продуктів їх горіння, які можуть призвести до «парниковому ефекту» Землі. Здавалося б, то мізерно мала (порівняно з вугіллям та нафтою) кількість палива для АЕС має бути безпечною, але справа далеко не так, яскравим прикладомможе бути аварія на ЧАЕС. По-моєму, будь-який спосіб вилучення енергії (у будь-якому вигляді) з надр Землі є сукупністю позитивних і негативних рис, і як на мене, переважають далеко не позитивні.
Я розповіла далеко не про всі напрямки вирішення енергетичної проблеми вченими світу, а лише про основні. У кожній країні вона має свої особливості: соціально-економічні та географічні умови, забезпеченість природними багатствами, рівень розвитку науки та техніки
із зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.
VI міжнародний конкурс науково-освітніх проектів
«Енергія майбутнього»
Конкурсна робота
Роль хімії в енергетиці: підготовка хімічно знесоленої води
методом іонного обміну для АЕС
МОУ гімназія №3 ім.
, 10 «а» клас
Керівники:
Лаборант хімцеху КАЕС
– учитель фізики МОУ гімназії №3
Контактні телефони:
Анотація
Калінінська АЕС є найбільшим водоспоживачем Удомельського району.
У цій роботі представлена інформація про вимоги до якості питної та контурної води. Наведено порівняльні таблиці та гістограми хімічних показників питної, озерної та води II контуру. Дається короткий описпро підсумки відвідин водозабірної станції та хімічного цеху Калінінської АЕС. Також дається короткий опис теорії іонного обміну та опис принципових схем хімводоочищення та блокової знесолюючої установки; також дається стислий теоретичний опис принципу очищення води від радіоактивних забруднень – спецводоочищення.
Ця робота допомагає підвищити мотивацію до вивчення хімії, фізики, знайомить із хімічними технологіями, застосовуваними в енергетиці з прикладу Калінінської АЕС.
1.Вступ 3
2.Огляд літератури з питань підготовки води методом 4
іонного обміну
2.1.Принцип роботи АЕС з реакторами типу ВВЕР-1000 4
2.2.Вимоги, що пред'являються до води, що використовується для
технологічних потреб на АЕС 5
2.3.Хімічні показники якості природних та контурних вод. 5
2.4.Теорія іонного обміну 6
2.5.Робочий цикл іонообмінної смоли 9
2.6.Особливості застосування іонообмінних матеріалів 10
3. Практичне дослідження 11
3.1.Відвідування водозабірної станції 11
3.2.Відвідування Калінінської АЕС 13
3.3.Опис принципової схеми хімводоочищення 15
3.4.Опис принципової схеми
блокової знесоленої установки 18
3.5.Теоретичний опис принципу роботи
спеціального водоочищення 20
4.Висновок 20
5. Список літератури 22
1. Введення
1.1. Мета роботи:
ознайомлення з технологією підготовки води для АЕС методом іонного обміну та порівняння якості води: для технологічних потреб АЕС, питної та озерної.
1.2. Завдання роботи:
1. вивчити вимоги до води, що використовується для технологічних потреб на сучасній АЕС на прикладі Калінінської АЕС.
2. ознайомитися з теорією методу іонного обміну,
3. відвідати водозабірну станцію м. Удомля та ознайомитися з хімічним складомпитної води та озерної води.
4. порівняти показники хімічного аналізу питної води та води II контуру АЕС.
5. відвідати хімічний цех Калінінської АЕС та ознайомитись:
¾ з процесом підготовки води на хімічному водоочищенні;
¾ з процесом очищення води на блоковій знесолювальній установці;
¾ відвідати експрес-лабораторію II контуру;
¾ ознайомитися теоретично з роботою спеціального водоочищення.
6. зробити висновки про значення іонного обміну під час підготовки води.
1.3. Актуальність
Енергетична стратегія Росії передбачає майже подвоєне виробництво електроенергії з 2000 до 2020 р. З переважним зростанням атомної енергетики: відносна частка виробітку електроенергії на АЕС за цей період має збільшитися з 16% до 22%.
До обладнання АЕС як до жодного іншого, пред'являються вимоги безпеки, надійності та економічності роботи.
Одним із найважливіших факторів, що впливають на надійну та безпечну роботу АЕС, є дотримання водно-хімічного режиму та підтримання показників якості води на рівні встановлених норм.
Водно-хімічний режим АЕС повинен бути організований таким чином, щоб забезпечувалася цілісність бар'єрів (оболонок твелів, межі контуру теплоносія, герметичних огорож, локалізуючих систем безпеки) на шляху можливого поширення радіоактивних речовин у навколишнє середовище. Корозійний вплив теплоносія та інших робочих середовищ на обладнання та трубопроводи систем АЕС не повинен призводити до порушення меж та умов її безпечної експлуатації. Водно-хімічний режим повинен забезпечувати мінімальну кількість відкладень на теплопередаючих поверхнях обладнання та трубопроводів, оскільки це призводить до погіршення теплопередавальних властивостей обладнання та, як наслідок, скорочення термінів експлуатації обладнання.
2. Огляд літератури з питань підготовки води методом іонного обміну
2.1. Принцип роботи АЕС із реакторами типу ВВЕР-1000
Принцип роботи більшості існуючих АЕС ґрунтується на використанні тепла, що виділяється при розщепленні ядра 235U під дією нейтронів. В активній зоні реактора під дією нейтронів ядро 235U розщеплюється, виділяючи енергію та нагріваючи теплоносій – воду.
Ядерне паливо віддає теплову енергію теплоносія першого контуру, яким є вода під високим тиском (16 МПа), на виході з реактора, температура води 3200. Далі здійснюється передача теплової енергії воді другого контуру. Прямого контакту між теплоносієм та водою другого контуру немає. Теплоносій циркулює замкнутим контуром: реактор – парогенератор – головний циркуляційний насос – реактор. Таких контурів чотири. У парогенераторі теплоносій першого контуру нагріває воду другого контуру до пароутворення. Пара надходить на турбіну, яка обертається за рахунок цієї пари. Така пара називається робочим тілом. Турбіна безпосередньо пов'язана з електричним генератором, що виробляє електричну енергію. Далі відпрацьована пара з низьким тиском надходить у конденсатор, де відбувається його конденсація, за рахунок охолодження озерною водою. Потім додаткове очищення та повернення в парогенератор. І так цикл повторюється: випаровування, конденсація, випаровування.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image002_125.gif" width="408" height="336">
Рис. 1. Технологічна схема двоконтурної АЕС:
1 – реактор; 2 – турбогенератор; 3 – конденсатор; 4 – поживний насос; 5 – парогенератор; 6 – головний циркуляційний насос.
2.2. Вимоги до води, що використовується для технологічних потреб на АЕС
Зі зростанням параметрів пари та води посилився вплив водно-хімічних режимів. Це спричинило зростання питомих теплових навантажень поверхонь нагрівання. У цих умовах навіть незначні відкладення на внутрішніх поверхнях труб викликають перегрів та руйнування металу. Високі параметри пари (тиск і температура) збільшують його розчинну здатність щодо домішок, що містяться в поживній воді. В результаті цього зростає інтенсивність занесення проточної частини турбін, що може призвести до зниження економічності блоків і в деяких випадках обмеження їх потужності, зниження терміну експлуатації обладнання.
Усунення недоліків водно-хімічних режимів необхідне не тільки при порушеннях, що створюють аварійну ситуацію, але і при незначних відхиленнях від норм, що здаються. Так, наприклад, з досвіду експлуатації випливає, що:
§ відкладення солей та продуктів корозії на лопатках циліндра високого тиску турбін блоків 300 МВт у кількості 1 кг викликають збільшення тиску в регулюючій сходинці турбіни на 0,5 – 1 МПа (5 – 10 кгс/см2) та призводять до зниження потужності турбіни на 5 – 10 МВт;
§ відкладення продуктів корозії на внутрішній та зовнішній поверхнях труб підігрівача високого тиску в кількості 300 – 500 г/м2 знижують температуру підігріву поживної води на 2 – 30 С та погіршують економічність блоку;
§ відкладення в пароводяному тракті блоків збільшують його гідравлічний опір та втрати енергії на прокачування води та пари. Зростання опору тракту блоку 300 МВт на 1 МВт (10 кгс/см2) призводить до перевитрати 3 млн. кВт · год електроенергії на рік.
Для забезпечення вимог, які пред'являються забезпечення водно-хімічного режиму на АЕС, служать такі системы:
§ хімічне водоочищення;
§ система конденсації та дегазації;
§ блокова знесолююча установка;
§ встановлення корекційної обробки робочого середовища першого та другого контуру;
§ деаератори;
§ система продування парогенератора;
§ встановлення очищення продувної води парогенератора (спеціальне водоочищення);
§ система продування-підживлення першого контуру.
2.3. Хімічні показники якості природних та контурних вод
Водний теплоносій для заповнення енергетичних контурів та їх підживлення готується з природних вод на водопідготовчих установках різних типів і містить зазвичай ті ж домішки, якими характеризується природна вода, але у значно менших (на кілька порядків) концентраціях.
До основних показників якості води відносять такі.
Вміст грубодисперсних (зважених) речовин , присутніх у контурних водах – у вигляді шламу, що складається з важкорозчинних сполук типу СаСО3 , СаSO4, Mg(OH)2, частинок продуктів корозії конструкційних матеріалів (Fe3O4, Fe2O3 та ін.), вміст яких визначається фільтруванням через паперовий фільтр з підсушуванням при З або непрямим методом прозорості води.
Солевміст – сумарна концентрація у воді катіонів та аніонів, підрахована за загальним іонним складом та виражена в міліграмах на кілограм. Для характеристики та контролю вод та конденсатів з малим солевмістом за відсутності розчинених газів СО2 та NH3 часто використовується показник питома електрична провідність . Конденсат із вмістом солі близько 0,5 мг/кг має питому електричну провідність 1мкСм/см.
Жорсткість води загальна ЖО - Сумарна концентрація кальцію ( кальцієва жорсткість) та магнію ( магнієва жорсткість), виражена в еквівалентних одиницях міліграм-еквівалент на кілограм або мікрограм-еквівалент на кілограм:
ЖО = ЖСа + ЖMg
Окислюваність води виражається витратою сильного окислювача (зазвичай KMnO4), необхідного для окислення в стандартних умовах органічних домішок води, та вимірюється в міліграмах на кілограм KMnO4 або O2, еквівалентної витрати перманганату калію.
Показник концентрації водневих іонів (pH) води характеризує реакцію води (кисла, лужна, нейтральна) і враховується за всіх видів обробки та використання води.
Питома електрична провідність (χ) визначається рухливістю іонів у розчині, вміщеному в електричне поле; для чистої води її величина дорівнює 0,04 мкСм/см, для знесолених турбінних конденсатів = 0,1мкСм/см (мікросименс на сантиметр).
2.4. Теорія іонного обміну
Підготовка води для заповнення контурів АЕС та поповнення втрат у них здійснюється за рахунок знесоленої води, що готується методом хімічного знесолення у два або три ступені вихідної маломінералізованої води (Азот) N і багатьох інших елементів: Кам'яне вугілля у воді практично нерозчинне, але при контакті з киснем, розчиненому у воді, відбувається повільне окислення, що призводить до утворення різних окислених груп. умовно позначити цю основу, що не змінилася, буквою R, то структуру такого матеріалу можна описати формулою ROH або RCOOH в залежності від того, яка окислена група гідроксилу ВІН або карбоксилу СООН утворилася на його поверхні при окисленні.Ці групи здатні до дисоціації, тобто у водній середовищі відбуваються процеси:
RCOOH = RCOO – + H+.
Якщо у воді присутні катіони, наприклад, кальцію, то стають можливими процеси катіонного обміну:
2RCOOH+Ca2+ = (RCOO)2Ca +2 H+.
При цьому іони кальцію фіксуються на вугіллі, а розчин надходить еквівалентна кількість іонів водню. Обмін може відбуватися і інші іони, наприклад іони натрію, заліза, міді тощо.
2.4.2. Катіоніти та аніоніти.
Усі матеріали, здатні до обміну катіонів, називаються катіонітами. Матеріали, здатні обмінюватися аніонів, називаються аніонітами. Вони мають інші іонообмінні групи, зазвичай, NH2 або NH, які з водою утворюють NH2OH.
Катіоніти здатні обмінюватися з розчином позитивно зарядженими іонами (катіонами). Процес обміну катіонами між катіонітом, зануреним у воду, що очищається, і цією водою називається катіонуванням. Аніоніти здатні обмінюватися з електролітом негативно зарядженими іонами. Процес обміну аніонами між аніонітом та оброблюваною водою називається аніонуванням.
На рис. 2 схематично зображено структуру зерен іонітів. Майже нерозчинне у воді зерно оточене дисоційованими – позитивно зарядженими для катіоніту (рис. 2, а) та негативно зарядженими для аніоніту (рис. 2, б). У самому зерні іоніту внаслідок відділення іонів негативний заряд виникає для катіоніту та позитивний для аніоніту.
Рис. 2. Схема структури зерен іоніту.
a) - катіоніт; б) – аніоніт; 1 твердий багатоатомний каркас іоніту; 2 – пов'язані з каркасом нерухомі іони активних груп (потенціалоутворюючі іони); 3 – обмежено рухливі іони активних груп, здатні до обміну (протиіони).
Більшість іонообмінних матеріалів, що застосовуються в даний час, відноситься до розряду синтетичних смол. Молекули їх складаються із тисяч, котрий іноді десятків тисяч пов'язаних між собою атомів. Іонообмінні матеріали є своєрідними жорсткими електролітами. Залежно від характеру активних груп іоніту, його рухливі, здатні до обміну іони можуть мати позитивний або негативний заряд. Коли позитивним рухомим катіоном є іон водню H+, то такий катіоніт є по суті багатовалентною кислотою, так само як аніоніт з обмінним гідроксильним іоном ВІН - є багатовалентною основою.
Рухливість здатних до обміну іонів обмежується відстанями, при яких не втрачається взаємність їх із нерухомими іонами протилежного заряду на поверхні іоніту. Цей обмежений навколо молекулами іоніту простір, в якому знаходяться рухливі та здатні до обміну іони, називають іонною атмосферою іоніту.
Обмінна ємність іонітів залежить від кількості активних груп на поверхні зерен іоніту. Поверхнею іоніту є також поверхня заглиблень, пор, каналів та ін. Тому краще мати іоніти з пористою структурою. Зернистість вітчизняних та зарубіжних іонітів характеризується фракціями в межах від 0,3 до 1,5 мм при середньому діаметрі зерен 0,5-0,7 мм та коефіцієнті неоднорідності близько 2,0-2,5.
Існують іоніти, в яких піддаються дисоціації практично всі функціональні групи, що містяться в їх складі, або тільки незначний відсоток їх, у їх відповідності з чим розрізняють катіоніти сильнокислотні - здатні до поглинання катіонів (натрій Na+, магній Mg2+ та ін.); та слабокислотні – здатні до поглинання катіонів жорсткості (магній Mg2+, кальцій Ca2+). Аналогічно розподіл на дві групи аніонітів: сильноосновні – здатні до поглинання як сильних, і слабких кислот (наприклад, вугільної , кремнієвої та інших.). та слабоосновні – здатні до поглинання переважно аніонітів сильних кислот (, та ін).
2.5. Робочий цикл іонообмінної смоли
Шар іоніту (іонообмінна смола) по ходу рухів води, що обробляється, в процесі іонного обміну можна розділити на три зони.
Перша зона - це зона виснаженого іоніту, так як всі протиіони, що знаходяться в ній, використані для обміну на іони оброблюваної води. У цій зоні триває селективний обмін між іонами самої оброблюваної води, тобто найбільш рухливі іони, що містяться у воді, витісняють менш рухливі з іоніту (рис. 3).
Другу зону називають зоною корисного обміну. Тут починається і закінчується корисний обмін протиіонів іоніту на іони води, що обробляється. У цій зоні частота обміну іонів оброблюваної води на іони протиіони переважає над частотою зворотного обміну іонів оброблюваної води і поглинених іонітом іонів.
Третя зона - це зона непрацюючого, або свіжого, іоніту. Вода, що проходить через цей шар іоніту, містить тільки протиіони іоніту і тому не змінює ні свого складу, ні складу іоніту.
У міру роботи фільтра перша зона - зона виснаженого іоніту - зростає, змушуючи діючу зону 2 опускатися за рахунок зменшення зони свіжого іоніту 3, і, нарешті, виходить за нижню межу завантаження фільтра. Тут висота третьої зони дорівнює нулю. У фільтраті з'являється і починає зростати концентрація іонів, що найменш сорбуються, і корисна робота іонітного фільтра закінчується.
Технологія процесу регенерації.
Процес регенерації іонообмінних фільтрів складається з трьох основних операцій:
Розпушування шару іоніту (розпушує відмивання);
Пропускання через нього робочого розчину реагенту із заданою швидкістю;
Відмивання іоніту від продуктів регенерації.
Розпушує відмивання.
При експлуатації фільтрів завжди відбувається утворення продуктів поступового руйнування та подрібнення іонітів, які необхідно періодично видаляти. Це досягається за допомогою пухких відмивок, дана операція обов'язкова перед кожною регенерацією.
Дуже важливо дотримуватись умов проведення відмивок, які повинні забезпечити повніше видалення з фільтра дрібних пилоподібних частин іонообмінних матеріалів. Крім того, розпушує відмивання усуває ущільнення матеріалу, що утрудняє контакт регенераційного розчину з зернами іоніту.
Розпушування проводиться потоком води знизу нагору зі швидкістю, що забезпечує приведення всієї маси іонообмінного матеріалу у зважений стан. Коли вода на виході із фільтра стає прозорою, розпушування припиняють.
Перепустка регенераційного розчину.
Регенерація та відмивання іоніту від продуктів регенерації зазвичай проводяться з тією самою швидкістю. Пропуск реагентів при цьому можливий як по ходу води, що обробляється - прямострумом, так і в протилежному русі оброблюваної води напрямку - протитечією, в залежності від прийнятої технології.
При пропуску регенераційних розчинів відбувається зворотна заміна іонів, поглинених іонітом, іони регенераційного розчину (що містять Н+ або ВІН - іон). Іоніти при цьому перетворюються на свою початкову іонну форму.
Регенерація буває двох типів: внутрішньої та виносної. Виносна регенерація використовується у фільтрах змішаної дії на блоковій знесолюючій установці, щоб уникнути попадання регенераційних вод у другий контур.
Відмивання залишків продуктів регенерації.
Остання операція регенераційного циклу – відмивання – має на меті видалити з нього залишки продуктів регенерації.
Відмивання фільтруючого шару припиняють при досягненні певних показників якості води, що відмиває. Фільтр готовий до експлуатації.
Ці процеси дозволяють використовувати іоніт багаторазово.
2.6. Особливості застосування іонообмінних матеріалів на АЕС
Видалення з води радіонуклідів способом іонного обміну засноване на тому, що багато радіонуклідів знаходяться у воді у вигляді іонів або колоїдів, які при зіткненні з іонітом також поглинаються матеріалом, що фільтрує, але поглинання носить фізичний характер. Об'ємна ємність смол по відношенню до колоїдів набагато нижча, ніж до іонів.
На повноту поглинання радіонуклідів іонітами впливає вміст у воді великої кількості неактивних елементів, що є хімічними аналогами радіонуклідів.
В умовах іонізуючих випромінювань використовуються тільки особливо чисті іоніти у водневій та гідроксильній формі (сильноосновні аніоніти та сильнокислотні катіоніти). Це зумовлено недостатньою стійкістю іонообмінних матеріалів до дії іонізуючих випромінювань та жорсткішими вимогами до водного режиму першого контуру АЕС.
3. Практичне дослідження
3.1. Відвідування водозабірної станції
У 1980 році було введено в експлуатацію першу чергу водозабірної станції міста Удомля. Основним завданням, яким є видобуток та підготовка води для споживчих потреб. Вода з артезіанських свердловин насосами подається на очищення, яке включає: аерацію і фільтрування. Потім воду хлорують та подають споживачам.
14 грудня 2007 року відбулася екскурсія на водозабірну станцію з метою ознайомлення з процесами підготовки води, визначення основних показників якості питної та озерної води.
Визначення рН розчинів на рН-метрі на водозабірній станції.
Підготовка проб визначення заліза на фотоколориметрі КФК-3.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image018_6.jpg" width="275" height="214 src=">
Визначення хлоридів шляхом зворотного титрування.
Визначення солей твердості.
Отримані під час спільних досліджень із співробітниками водозабору дані наведено у таблицях.
Таблиця 1. Порівняння показників якості озерної (на прикладі озера Кубича) та питної води.
Показник | Одиниця виміру | Озерна вода | Питна вода | |
оз. Кубича |
||||
Кольоровість | ||||
Мутність | ||||
Жорсткість | ||||
Мінералізація | ||||
ГДК* - гранично допустима концентрація - регламентується ГОСТом якості води.
Гістограма 1. Показник рН озера Кубича, питної води та гранично допустима концентрація.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image024_26.gif" width="336" height="167 src=">
Гістограма 3. Зміст солей жорсткості в озері Кубича, питній воді та гранично допустима концентрація.
25 грудня 2007 року відбулася екскурсія на Калінінську атомну станцію з метою ознайомлення з роботою підрозділів хімічного цеху. В ході екскурсії відвідали хімводоочищення та ознайомилися з технологією виробництва Знесоленої води При відвіданні машинного залу познайомилися з технологією очищення основного конденсату другого контуру, з роботою експрес-лабораторії другого контуру та отримали дані про якість води другого контуру.
Цікаво порівняти деякі хімічні показники якості води другого контуру Калінінської АЕС та питної води, що одержується на водозаборі.
Таблиця 2. Порівняльні властивості питної води та води II контуру АЕС.
* - дані не вказуються, оскільки концентрація жорсткості менша за чутливість методу визначення даного показника.
Висновок: 1. Як випливає з Таблиці 2 гранично-допустима концентрація питної води та контрольні значення води другого контуру мають суттєві відмінності. Це викликано більш високими вимогами до води, що використовується для технологічних потреб, необхідними для безпечної та надійної експлуатації обладнання.
2. Питна вода, що отримується на водозаборі, має високу якість, хімічні показники значно нижчі від гранично-допустимої концентрації домішок, що містяться у питній воді.
3. Вода другого контуру відповідає контрольним значенням. Це досягається очищенням води методом іонного обміну при її підготовці та доочищення конденсату на блокових знесолюючих установках.
Гістограма 4. Вміст хлоридів у питній воді та воді другого контуру Калінінської АЕС.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image027_24.gif" width="362" height="205 src=">
Високі вимоги до вмісту солей жорсткості у воді другого контуру викликані тим, що на стінках теплообмінних апаратів з'являються відкладення солей, що накипують. Це призводить до погіршення теплообміну, зменшення гідравлічного опору, зниження термінів експлуатації обладнання.
Гістограма 6. Вміст заліза у питній воді та воді другого контуру.
Системи охолодження системи охолодження обмоток статора генератора, ємностей електролізної, спецпральні. Продуктивність хімічного водоочищення по знесоленій воді = 150м3.
Опис основної технологічної схеми знесолюючої частини хімічного водоочищення.
Освітлена вода після механічного фільтра передочистки надходить на ланцюжок Н-катіонітних фільтрів. У Н-катіонітному фільтрі 1-го ступеня, завантаженим слабокислотним катіонітом, відбувається очищення води від іонів жорстокості (Сa2+ та Mg2+). У Н-катіонітному фільтрі 2-го ступеня, завантаженим сильнокислотним катіонітом, відбувається доочищення води від іонів жорсткості, що залишилися після 1-го ступеня, і іонів Na+.
Н-катіонітна вода після 2-го ступеня збирається в баки частково знесоленої води катіонітного фільтра.
З бака частково знесоленої води насосами вода прямує на ланцюжок ОН-аніонітових фільтрів. В ВІН-аніонітовому фільтрі 1-го ступеня, завантаженим низькоосновним аніонітом, відбувається очищення води від аніонів сильних кислот. 24 src=">). В ОН-аніонітовому фільтрі 2-го ступеня, завантаженим високоосновним аніонітом, відбувається доочищення води від аніонів сильних кислот, що залишилися після 1-го ступеня, і аніонів слабких кислот (; ).
ВІН-аніонована вода після аніонітного фільтра 2-го ступеня збирається в баку власних потреб.
Знесолена вода з бака власних потреб насосом прямує на 3-й ступінь знесолення - фільтр змішаної дії. Фільтр змішаної дії завантажений сумішшю сильнокислотного катіоніту та сильноосновного аніоніту у співвідношенні 1:1. На 3-му ступені знесолення відбувається доочищення знесоленої води від катіонів та аніонів до концентрацій, необхідних стандартом підприємства СТП-ЕО. На загальному трубопроводі хімічно знесолена вода після фільтру змішаної дії встановлено 2 паралельно включені пастки фільтруючих матеріалів (1 – у роботі; 1 – у резерві на випадок ремонту першої) хімічно знесоленої води з бака власних потреб та після фільтру змішаної дії видається споживачам: на підживлення 2 -го контуру в машзал; на підживлення 1-го контуру в спецкорпус; у схему передочищення хімводоочищення, складу хімреагентів, на спецпральну, на електролізну, на пуско-резервну котельню, в баки запасу хімічно знесоленої води (V=3000 м3).
Для підвищення надійності роботи хімводоочищення та створення запасу хімобезсоленої води до схеми знесолюючої частини хімводоочищення включені баки запасу хімобезсоленої води (об'ємом 3000 м3 кожен).
Для запобігання корозії металевих трубопроводів у концентрованих та розведених розчинах кислоти обв'язка вузла концентрованої кислоти та траса подачі регенераційного розчину кислоти від змішувача до Н-катіонітних фільтрів виконаний із трубопроводів, футерованих фторопластом.
Введення в дію введено в дію в серпні 2007 року, термін експлуатації близько 20 років, радіус поширення стоків близько 3 км.
Таким чином, можна зробити висновок про те, що введення в експлуатацію полігону глибинного поховання унеможливлює скидання промислових нерадіоактивних стоків у навколишнє середовище.
3.4. Опис принципової схеми блокової знесолюючої установки (конденсатоочищення)
Очищення конденсату на блоковій знесолюючій установці здійснюється в два щаблі:
Перший ступінь – очищення від нерозчинених продуктів корозії конструкційних матеріалів на електромагнітних фільтрах, завантажених м'якомагнітними сталевими кульками;
Другий ступінь – очищення від розчинених іонних домішок та колоїдно-дисперсних речовин на іонітних фільтрах змішаної дії.
Конденсат турбіни подається конденсатними насосами першого ступеня електромагнітний фільтр, де очищається від механічних домішок, головним чином, нерозчинених продуктів корозії конструкційних матеріалів.
Після електромагнітного фільтра конденсат надходить у всмоктуючий колектор конденсатних насосів другого ступеня (при відключеної іонітної частини блокової знесолюючої установки), або направляється на фільтр змішаної дії для очищення від розчинених і колоїдно-дисперсних домішок.
Видалення затриманих на кульковому завантаженні феромагнітних та немагнітних оксидів заліза здійснюється шляхом промивання електромагнітного фільтра знесоленою водою знизу – вгору при знятій напрузі на котушках та розмагніченому стані кульок.
При незадовільній якості конденсату за працюючим фільтром змішаної дії фільтр виводиться на регенерацію, роботу включається резервний фільтр змішаної дії.
Виведена на регенерацію змішана смола перевантажується у фільтр – регенератор, де гідравлічно ділиться на катіоніт та аніоніт. Для переведення катіоніту та аніоніту в робочу форму проводиться їх регенерація.
Рис.5. Схема блокової знесолюючої установки.
ЕМФ – електромагнітний фільтр; ФСД – фільтр змішаної дії; ЛФМ - пастка фільтруючих матеріалів.
Усі регенеративні води подаються на баки радіаційного контролю та після радіаційного контролю при неперевищенні встановлених рівнів відкачуються в баки-нейтралізатори хімводоочищення.
Після кожного фільтра змішаної дії встановлені фільтри – пастки іонітів.
Під час відвідування Калінінської АЕС були отримані такі дані про роботу блокової знесолюючої установки:
Через електромагнітні фільтри пропускають 100% конденсату, через фільтр змішаної дії можна пропускати як 100% води, так і частину її. Так при одному працюючому фільтрі змішаної дії (очищення 20% конденсату) питома електрична провідність зменшилася: χ=0,23 мкСм/см – до блокової знесолювальної установки та χ=0,21 мкСм/см – після блокової знесолюючої установки.
3.5. Теоретичний опис принципу роботи спеціального водоочищення
Іонообмінні фільтри першого контуру, як правило, працюють безперервно, причому на них відгалужується приблизно 0,2 - 0,5% основної витрати води в контурі.
Очищення води першого контуру здійснюється на установці спецводоочищення, що складається з фільтру змішаної дії. Вона служить як видалення продуктів корозії з реакторної води, так регулювання фізико-хімічного складу води (підтримуються нормовані показники). Установка спецводоочищення покращує радіаційну обстановку, знижуючи радіоактивність теплоносія на один-два порядки.
Циркуляційна вода першого контуру подається на встановлення спецводоочищення з головного циркуляційного насоса та повертається після очищення в контур.
У змішаному шарі для обробки радіоактивних вод іоніти використовуються при співвідношенні катіоніту та аніоніту, що дорівнює 1:1 або 1:2.
Однорідна суміш іонітів (шихта) дозволяє видаляти з контурної води забруднення, що випадково надходять при неякісному відмиванні від реагентів фільтрів установок, пов'язаних з підживленням контуру, а також від продуктів розкладання іонообмінних матеріалів під дією іонізуючого випромінюваннята високої температури.
При виснаженні іоніти установок спецводоочищення регенеруються: катіоніт - азотною кислотою(при цьому він переводиться в Н-форму), аніоніт - їдким натром або їдким калі (переводиться знову в ОН-форму).
Висновок
Вивчивши матеріали з технології виробництва енергії на АЕС з реакторами типу ВВЕР – 1000, дійшли висновку, що з найважливіших чинників надійної роботи АЕС є якісно підготовлена вода. Це досягається шляхом застосування різних фізико-хімічних методів очищення води, а саме за рахунок використання попереднього очищення - освітлення та глибокого знесолення методом іонного обміну.
Особливе враження справило відвідування водозабірної станції, а саме виконання хімічних аналізів за допомогою приладів та обладнання, які не використовуються у школі. Це підвищило довіру до якості питної води, що подається водозабірною станцією на потреби міста. Але більше враження справили параметри якості води, що використовується на Калінінській АЕС. Велике зацікавлення викликали технологічні процеси підготовки води у хімічному цеху, з якими ознайомилися під час відвідин Калінінської АЕС.
Підготовка води методом іонного обміну дозволяє досягати необхідних значень, необхідних безпечної, надійної та економічної роботи устаткування. Однак це досить дорогий процес: собівартість 1м3 хімічно знесоленої води становить 204 руб., А собівартість 1м3 питної води - 619 руб. (Дані 2007 р.).
У зв'язку з цим виникає необхідність економічнішого використання хімічно знесоленої води, для чого застосовують замкнуті цикли циркулювання води. Для підтримки необхідних параметрів води (видалення домішок, що надходять), служить конденсатоочищення (на другому контурі) і спецводоочищення (на першому контурі). Наявність замкнутих циклів запобігає скиданню води першого і другого контуру в навколишнє середовище, а для промислових стоків існує система нейтралізації та утилізації, що знижує техногенне навантаження.
Незважаючи на те, що матеріал, викладений у проекті, виходить за межі шкільної програми, знайомство з ним мотивує старшокласників глибше вивчати хімію, а також зробити усвідомлений вибір майбутньої професії, пов'язаної з атомною енергетикою.
Список літератури.
1. , Сеніна -технологічні режими АЕС з ВВЕР: Навчальний посібникдля вузів. - М.: Видавничий дім МЕІ, 2006. - 390 с.: Іл.
2., Мартинова режим атомних електростанцій. - М.: Атоміздат, 1976. - 400 с.
3. , Мазо води іонітами. - М.: Хімія, 1980. - 256 с.: Іл.
4. , Кострикін водопідготовки. - М.: Видавництво, 1981. - 304 с.: іл.
5. , Жгулів енергетичних блоків. - М.: Вища школа, 1987. - 256 с.: іл.
6. , Чурбанова якості води: Підручник для технікумів. - М.: Будвидав, 1977. - 135 с.: Іл.
Енергетика хімічної промисловостізаймає одне з основних місць у сучасній індустрії. Без її участі було б неможливим провести технологічні процеси. Енергетика великою мірою служить задля забезпечення життєдіяльності людини.
Існують різні типи енергії:
- електрична;
- теплова;
- ядерна та термоядерна;
- світлова;
- магнітна;
- хімічна;
- механічна.
Абсолютно всі хімічні виробництва споживають енергію. Процеси галузі пов'язані або з використанням, або із взаємним обігом енергії. Електрична енергія використовується для електрохімічних, електротермічних та електромагнітних процесів. Це електроліз, плавлення, нагрівання, синтез. Для процесів подрібнення, змішування, роботи компресорів та вентиляторів використовується перетворення електричної енергії на механічну.
Для перебігу фізичних процесів, що не супроводжуються нагріванням, плавленням, дистиляцією, сушінням, тобто хімічними реакціями, використовується теплова енергія. Хімічна енергія використовується в гальванічних приладах, де перетворюється на електричну. Світлова енергія застосовується реалізації фотохімічних реакцій.
Паливна база енергетики для хімпромисловості
У енергетики хімічної промисловостігорючі копалини та їх похідні є основним джерелом споживаної енергії. Енергоємність виробництва визначається витратою енергію на одиницю продукції, що виготовляється.
Енергетика включає видобуток енергоресурсів (нафти, газу, вугілля, сланцю) та їх переробку, а також спеціальні види транспорту. До них відносяться нафтопроводи, газопроводи, лінії електропередачі та продуктопроводи.
Паливна область енергетики є і сировинною базою для нафтохімічної та хімічної промисловості. Вся її продукція піддається термічній обробці для виділення окремих компонентів (наприклад, кокс з вугілля, етан, етилен, бутан, пропан з нафти та газів). Тільки природний газ використовується у чистому вигляді для виробництва хімічних продуктів, таких як аміак, метиловий спирт.
Енергетика розвивається динамічно та швидко, провокуючи розвиток науково-технічного прогресу. На використання енергетичних ресурсів попит зростає дедалі більше, у зв'язку з цим пошук родовищ та створення нових виробництв – пріоритетні складові промисловості. Однак ця сфера призводить до численних проблем в економіці, політиці, географії, екології, які мають глобальний характер.
Найбільші сегменти енергетики – нафтова і нафтопереробна, а також газова галузі. Видобуток природних копалин займає вагоме місце у світі, які родовища іноді породжують конфлікти між державами. Нафта є важливим енергоносієм, після її переробки отримують масу необхідних діяльності людини товарів. У їх списку гас, бензин, різні видипалива та нафтових масел, мазут, гудрон та інші. Потреба у нафтопереробній галузі виникла з розвитком транспорту та авіації для його забезпечення паливом. Газова промисловість є найпрогресивнішою і найперспективнішою областю. Природний газ – основна сировина для хімічних виробництв та її використання дуже по-різному.
Виставка «Хімія» восени у великому обсязі та масштабі представить новітні технологіїта розробки в області енергетики хімічної промисловості. На даній виставці виробники та споживачі можуть не тільки ознайомитися з товаром та асортиментом, а також укласти нові угоди, налагодити зв'язки як з вітчизняними, так і зарубіжними партнерами. Як зазначають фахівці, «Хімія» має величезний вплив на розвиток та просування нових технологій. Крім того, на ній висвітлюються не лише нові методи та досягнення у науці та техніці, а й засоби індивідуального та колективного захисту на виробництві.
Виставка, організована ЦВК «Експоцентр», проходить у Москві з 1965 року. А фахівці «Експоцентру» дозволяють провести подібні заходи насправді високому рівні. Тому його і обирають неодноразово як такі заходи як вітчизняні, так і закордонні організатори.
Хімічні реакції супроводжуються виділенням чи поглинанням енергії. Якщо енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти, такі реакції записуються за допомогою рівнянь хімічної реакцій із зазначенням теплових ефектів, при цьому необхідно вказувати фазовий склад реагуючих речовин.
Хімічні реакції, що протікають з виділенням тепла, називаються екзотермічними, а з поглинанням тепла – ендотермічними.
Вивченням теплових ефектів реакцій займається термохімія. У термохімії тепловий ефект реакції позначається Q і виявляється у кДж.
Термохімія становить один із розділів хімічної термодинаміки, що вивчає переходи енергії з однієї форми в інші та від однієї сукупності тіл до інших, а також можливість, напрямок та глибину здійснення хімічних та фазових процесів у даних умовах. Кожна окрема речовина або їх сукупність є термодинамічної системи. Якщо термодинамічна система не обмінюється з довкіллямні речовиною, ні енергією, її називають ізольованою. Така ідеалізована система використовується як фізична абстракція під час розгляду процесів, що виключають вплив довкілля. Система, що обмінюється з навколишнім середовищем лише енергією, називається закритою. Якщо можливий енергетичний і матеріальний обмін – система відкрита.
Стан системи визначається термодинамічних параметрів стану – температурою, тиском, концентрацією, об'ємом і т. д. Система характеризується, крім того, такими властивостями як внутрішня енергія U,ентальпія H, ентропія S, енергія Гіббса G. Зі змін у ході хімічних реакцій характеризують її енергетику системи.
Внутрішня енергія системи Uскладається з енергії руху та взаємодії молекул, енергії зв'язку в молекулах, енергії руху та взаємодії електронів та ядер тощо.
Абсолютна величина внутрішньої енергії не може бути визначена, але її зміна при переході системи з початкового стану в кінцевий результаті здійснення хімічного процесу піддається розрахунку. Якщо система отримує деяку кількість тепла при постійному тиску Qp, останнє витрачається на зміну внутрішньої енергії системи ΔU та здійснення роботи A = PΔV проти зовнішніх сил:
Це рівняння висловлює закон збереження енергії чи перший початок термодинаміки.
Адіабатичний процес- Це процес квазістатичного розширення або стиснення газу в посудині з теплонепроникними стінками. Перший закон термодинаміки для адіабатичного процесу набуває вигляду:
Ізотермічний процес– це процес квазістатичного розширення чи стиснення речовини, що у контакті з тепловим резервуаром, (T = const).
Оскільки внутрішня енергія ідеального газу залежить від температури (закон Джоуля), то перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу записується як: Q = A.
При ізохоричному процесі (V = const) поглинання або виділення тепла (тепловий ефект) пов'язане лише зі зміною внутрішньої енергії:
У хімії найчастіше розглядають ізобаричні процеси (P = const), і тепловий ефект у цьому випадку називають зміною ентальпії системи або ентальпією процесу:
ΔH = ΔU + PΔV
Ентальпія має розмірність енергії (кДж). Її величина пропорційна кількості речовини; ентальпія одиниці кількості речовини (моль) вимірюється в кДж∙моль –1 .
У термодинамічній системі теплоту хімічного процесу, що виділяється, умовилися вважати негативною (екзотермічний процес, ΔH< 0), а поглощение системой теплоты соответствует эндотермическому процессу, ΔH > 0.
Рівняння хімічних реакцій із зазначенням ентальпії процесу називають термохімічними. Чисельні значення ентальпії H вказують через кому в кДж і відносять до всієї реакції з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів всіх реагуючих речовин.
Оскільки реагуючі речовини можуть бути в різних агрегатних станах, воно вказується нижнім правим індексом в дужках: (т) – тверде, (к) – кристалічне, (ж) – рідке, (г) – газоподібне, (р) – розчинене.
Наприклад, при взаємодії газоподібних H 2 і Cl 2 утворюються два молячи газоподібного HCl. Термохімічне рівняння записується так:
При взаємодії газоподібних H 2 і O 2 утворюється H 2 O може перебувати в трьох агрегатних станах, що позначиться на зміні ентальпії:
Наведені ентальпії освіти (реакцій) віднесені до стандартних умов температури та тиску (T = 298 K, P = 101,325 кПа). Стандартний стан термодинамічної функції, наприклад, ентальпії, позначається нижнім та верхнім індексами: ΔΗ 0 298 нижній індекс зазвичай опускають: ΔΗ 0 .
Стандартна ентальпія освіти ΔΗ 0 обр – тепловий ефект реакції утворення одного моля речовини з простих речовин, його складових, що у стійких стандартних станах. Ентальпія утворення простих речовин прийнята рівною нулю.
Користуючись табличними значеннями ΔΗ 0 обр, ΔΗ 0 згор, можна розрахувати ентальпії різних хімічних процесів та фазових перетворень.
Підставою для таких розрахунків є закон Гесса, сформульований петербурзьким професором Г. І. Гесс (1841 р.):
«Тепловий ефект (ентальпія) процесу залежить тільки від початкового та кінцевого стану і не залежить від шляху переходу його з одного стану до іншого».
Із закону Гесса випливають такі наслідки:
1. Ентальпія реакції дорівнює різниці сум ентальпій утворення кінцевих та початкових учасників реакцій з урахуванням їх стехіометричних коефіцієнтів.
ΔH = ΣΔH обр.кінцевий - ΣΔH обр.поч
2. Ентальпія реакції дорівнює різниці сум ентальпій згоряння початкових та кінцевих реагентів з урахуванням їх стехіометричних коефіцієнтів.
ΔH = ΣΔH згор.поч - ΣΔH згор.кінець
3. Ентальпія реакції дорівнює різниці сум енергій зв'язків Eсв вихідних та кінцевих реагентів з урахуванням їх стехіометричних коефіцієнтів.
У ході хімічної реакції енергія витрачається на руйнування зв'язків у вихідних речовинах (?E вых) і виділяється при утворенні продуктів реакції (?? E прод).
ΔH° = ΣE вих – ΣE прод
Отже, екзотермічний ефект реакціїсвідчить про те, що утворюються з'єднання з міцнішими зв'язками, ніж вихідні. В разі ендотермічної реакції, Навпаки, міцніше вихідні речовини.
4. Ентальпія реакції утворення речовини дорівнює ентальпії реакції розкладання його до вихідних речовин із зворотним знаком.
ΔH обр = -ΔH разл
5. Ентальпія гідратації дорівнює різниці ентальпій розчинення безводної солі H розтв б/с і кристалогідрату H розчин крист.
Закон Гесса дозволяє поводитися з термохімічними рівняннями як з алгебраїчними, тобто складати та віднімати їх, якщо термодинамічні функції відносяться до однакових умов.
- Переміщенням наз-ся вектор, що з'єднує початкову і кінцеву точки траєкторії Вектор, що з'єднує початок і кінець шляху називається
- Траєкторія, довжина шляху, вектор переміщення Вектор, що з'єднує початкове положення
- Обчислення площі багатокутника за координатами його вершин Площа трикутника за координатами вершин формула
- Область допустимих значень (ОДЗ), теорія, приклади, рішення