Ультразвуковой аэролифт-дегазатор черного моря

     Министерство  науки и образования Украины

     Министерство  науки и образования  Автономной Республики Крым

     МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ШКОЛЬНИКОВ КРЫМА «ИСКАТЕЛЬ»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АЭРОЛИФТ-ДЕГАЗАТОР ЧЕРНОГО МОРЯ 
 
 
 
 

Работу  выполнил:

Глузман Марк действительный член МАН

(г.Евпатория,  ЕУВК«Интеграл», 11 кл.) 

Научный руководитель:

Кузьмицкий А. П., учитель-методист, учитель физики ЕУВК«Интеграл» 
 
 
 
 

     г. Евпатория – 2011

     СОДЕРЖАНИЕ

     ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………….……….…….3

     РАЗДЕЛ 1. ПРОБЛЕМА СЕРОВОДОРОДА В ЧЕРНОМ МОРЕ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

     1.1 Проблема происхождения сероводородной зоны: анализ теорий............5

     1.2. Современное состояние проблемы.............................................................6

     РАЗДЕЛ  2. ПУТИ РЕШЕНИЯ КРИЗИСНОЙ СИТУАЦИИ В ЭКОСИСТЕМЕ ЧЕРНОГО МОРЯ

     2.1. Общие подходы использование сероводорода...............…….......…...….7

     2.2. Ультразвуковой  метод  добычи сероводорода из вод Черного моря.....8

     ВЫВОДЫ  ……....................................................................................................12

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...…………………...........13

     ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................15

 

ВВЕДЕНИЕ

     Актуальность  исследования. XXI век ставит перед человечеством новые задачи: бережное и заботливое отношение ко всему живому, сохранение биосферы, отношение к Земле как к уникальной экосистеме. Планетарный характер влияния человека на окружающую среду требует международного сотрудничества, осуществления общенациональных и межгосударственных природоохранных мероприятий.

     Современные масштабы экологических изменений  окружающей среды создают реальную угрозу для жизни людей. Загрязнения  атмосферного воздуха, вод, почв, во многих городах Украины достигли критического уровня. Никогда еще проблема охраны природы не стояла так остро, как сегодня. Осознание человечеством ужасных последствий своей жизнедеятельности в эпоху научно-технической революции постепенно приводит к развитию экологической экономики, которая рационально использует природные ресурсы на основе новых безотходных технологий, учитывает расходы не только на освоение богатств природы, но и на охрану и восстановление биосферы, подчеркивает важность не только критериев производительности и прибыльности, но и экологической рациональности технологических процессов, экологического контроля, за планированием производства и природоиспользованием.

     Среди множества проблем этой области  особое место занимают проблемы, связанные  с очисткой Черного моря от сероводорода. Сегодня внимание к проблеме происхождения черноморского сероводорода напрямую связано с предположениями о возможном повышении уровня сероводородной зоны в центральной части моря, а также с установленным фактом обширного заражения сероводородом придонных вод северо-западного шельфа в летний период.

     К началу XX века верхний обитаемый слой воды в Черном море составлял 200 метров. Бездумная техногенная  деятельность привела к резкому сокращению этого слоя. В настоящее время его толщина не превышает 10-15 метров. Во время сильного шторма сероводород поднимается  на поверхность, и отдыхающие могут ощущать характерный запах.

     В результате уменьшения поверхностного обитаемого слоя воды в Черном море произошло резкое сокращение биологических организмов Если бы Крымское землетрясение произошло в наши дни, то всё закончилось бы глобальной катастрофой: миллиарды тонн сероводорода прикрывает тончайшая водная плёнка. Каков же сценарий вероятного катаклизма? В чем причина повышения уровня сероводородных вод? Какие меры возможно принять для экологически чистой добычи сероводорода из вод черного моря с целью предотвращения гибели экосистемы ?

     Ответы  на эти вопросы и обусловило выбор  темы нашего исследования: «УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АЭРОЛИФТ-ДЕГАЗАТОР ЧЕРНОГО МОРЯ»

     Объект  исследования - проблема происхождения черноморского сероводорода и поиск путей очистки от него вод Черного моря.

     Предмет исследования – ультразвуковая дегазация вод Черного моря, насыщенного сероводородом.

     Цель  исследования заключается в обосновании метода очистки черноморских вод от сероводорода с помощью ультразвукового аэролифта- дегазатора.

     Цель  исследования позволила определить следующие основные задачи исследования:

     1. Исследовать состояние проблемы  в научной литературе;

     2. Выявить причины образования  сероводорода в Черном море, определить степень загрязнения им черноморских вод и последствия заражения;

     3. Обосновать ультразвуковой метод  добычи сероводорода из придонных вод Черного моря;

     4. Провести пробный эксперимент  в лабораторных условиях с  использованием ультразвуковых волн.

 

     РАЗДЕЛ 1

     ПРОБЛЕМА  СЕРОВОДОРОДА В ЧЕРНОМ МОРЕ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ  АСПЕКТ 

1.1 Проблема происхождения сероводородной зоны: анализ теорий

     Происхождение сероводорода в водах Черного моря и связанные с ним исследования не являются для современной науки новым направлением.

     После открытия сероводородной зоны в Черном море Н.И. Андрусовым [7] в 1890 г. проблема происхождения этой зоны стала предметом научных дискуссий. Очень скоро мнения ученых свелись к двум главным гипотезам. Сторонники гипотезы миграционного происхождения сероводорода полагают, что основная его часть поступает в море в готовом виде из пород дна по тектоническим разломам. Аргументом в пользу «геологической» гипотезы могут служить содержащие сероводород подземные воды, найденные на восточном побережье Черного моря (район курорта Мацесты) в известняках юрского возраста. Естественно, что «геологическая» гипотеза не рассматривает влияние антропогенного фактора на образование сероводорода в море.

     Другая  гипотеза, которая сегодня находит  все больше сторонников, может быть названа «биогенной». В конце прошлого века Н.Д. Зелинский [8] предположил, что черноморский сероводород образуется в результате деятельности специфических бактерий, окисляющих органическое вещество кислородом из сульфатов, которые восстанавливаются при этом до сероводорода. Органическое вещество, образующееся при фотосинтезе в поверхностных водах, постоянно осаждается, а сульфаты пополняются главным образом за счет придонного притока соленых вод через пролив Босфор из Мраморного моря. Ухудшение экологической обстановки в черноморском регионе «биогенная» гипотеза связывает с дополнительным поступлением в составе бытовых и речных стоков органического вещества и минеральных солей антропогенной природы. Это активизирует все биогеохимические процессы, и в том числе процесс бактериальной сульфатредукции с образованием сероводорода в воде и осадках.

     Результаты  многих экспедиций неоспоримо свидетельствовали  в пользу его биогенного происхождения. Было доказано, что черноморский сероводород  образуется главным образом за счет деятельности анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, обитающих как в водной толще, так и в донных осадках. При этом большая часть сероводорода образуется непосредственно в водной толще, а не мигрирует из осадков. 

     1.2. Современное состояние проблемы

     При дальнейшем загрязнении Черного  моря микробное образование сероводорода будет усиливаться. Это может  привести к крупной экологической  катастрофе. Ситуация такова, что нельзя недоучитывать возможность сокращения аэробной зоны моря и даже прорыва сероводорода в атмосферу.

     Существуют различные гипотезы относительно причин сдерживания сероводорода на глубине. По мнению некоторых ученых, сероводород в растворенном состоянии сдерживает только значительное давление вышележащих слоев воды (10-20 атмосфер). Если снять эту «пробку», то вода «закипит», и из нее произойдет быстрое выделение сероводорода в виде газа (по аналогии с бутылкой с газированной водой).

     Вспоминается  и рассказ очевидцев крымского  землетрясения 1927 года. Тогда разразилась гроза, и удивленному взору жителей Ялты предстали языки пламени в море - море загорелось.

     Таким образом, присутствие сероводорода в Черном море представляет собой очень серьезную опасность для населения стран его бассейна. Эта опасность особенно велика для береговых участков с низкими отметками рельефа, например, Колхиды.

     Существует  единственный способ уменьшения опасности «взрыва» Черного моря путем интенсивного хозяйственного использования сероводорода в качестве горючего.

 

      РАЗДЕЛ 2

     ПУТИ  РЕШЕНИЯ КРИЗИСНОЙ СИТУАЦИИ В ЭКОСИСТЕМЕ ЧЕРНОГО МОРЯ 

     2.1. Общие подходы использования сероводорода

     Экономисты  и энергетики приходят к выводу, что в ближайшее время атомную энергетику заменить нечем. Хотя после Чернобыля все признают ее опасность, особенно для стран с нестабильной обстановкой.

     Особенно важно, что, в отличие от других горючих ископаемых, запасы сероводорода в Черном море возобновляемы. Концентрация сероводорода регулируется его окислением в поверхностных слоях воды. Кислород воздуха, растворяясь в воде, взаимодействует с сероводородом, превращая его в серную кислоту. Кислота вступает в реакцию с растворенными в воде минеральными солями, образует сульфаты. Эти процессы идут одновременно, благодаря чему в Черном море устанавливается динамическое равновесие. Таким образом, из Черного моря, без ущерба для его экологии, а также понижая шансы “взрыва”, можно ежегодно выделять около 250 миллионов тонн сероводорода энергоемкостью порядка 1012 кВт (один килограмм сероводорода дает примерно 4000 кДж).

     При сжигании 1 кг сероводорода можно получить до двух килограммов двуокиси серы и 4103 кДж утилизируемого тепла. При окислении двуокиси серы до серной кислоты также выделяется энергия. Каждая тонна сероводорода, сгорая, дает 2,9 т серной кислоты. Дополнительная энергия, возникающая при ее синтезе, составит до 5105 кДж на каждую тонну полученной кислоты.

     Сжигание 25108 т сероводорода позволит получить 73108 т серной кислоты, при синтезе которой получится дополнительно 361014 кДж тепла или 411011 кВт/ч дополнительной энергии. Эта энергия обеспечит все работы технологического цикла – работу ультразвуковых прожекторов, сжатие и сжижение полученного газа.

     Единственным “отходом” работы таких электростанций будет серная кислота – ценное сырье для многих других отраслей промышленности. 

     2.2. Ультразвуковой  метод  добычи сероводорода из вод Черного моря

     На  схеме 2.1 приведена схема добычи сероводорода.

     В основе нашего метода лежит действие ультразвуковых волн (1): число колебаний в таких «сверхзвуках» («ультразвуках») достигает 10¹⁰ в секунду. Они дегазируют жидкость. На морском дне мы устанавливаем ультразвуковые прожектора (2), которые являются источниками ультразвуковых волн. Волны идут из фокуса (3) и преломляются параболическим зеркалом(4). В местах разряжения волны будет образовываться слой пузырей сероводорода. По мере скопления сероводородные пузыри всплывают на поверхность под действием силы Архимеда. Жидкость обтекает пузырь турбулентно из-за того, что от лобовой поверхности подгоняемые им жидкость перемещается быстро в направлении движущегося пузыря. За счет этого будет еще один перепад давлений и выделение сероводорода. Поднимаясь, пузырь, «задевает» собой еще некоторую часть сероводорода. На поверхности моря, устанавливается собирательное плавсредство (5) с параболическим зеркалом. Благодаря этому зеркалу волны, идущие от ультразвукового прожектора, будут еще раз преломляться об зеркало на плавсредстве и двигаться назад к фокусу. Плавсредство должно быть закреплено на якорях (6). Если же его отнесет, ультразвуковой прожектор будет подвешен на внешнеармированных кабелях (7). В случае, если плавсредство начнет уносить волна дегазированный сероводород будет попадать в заборник (8), который представляет из себя большой плавательный круг покрытый пленкой. При попадании сероводорода на поверхность данного круга пленка будет подниматься естественным способом без дополнительных приспособлений и затрат. По мере накопления газа его можно откачивать и собирать для промышленного использования. Отметим, что аналогичным способом возможна транспортировка сероводорода при производственных авариях. Таким образом, при действии ультразвукового аэролифта-дегазатора начинается процесс аэролифта - пузыри сероводорода, поднимаясь наверх, вытесняют равное им по объему количество воды.