Воробьев А.Е., доктор технических наук, зав. кафедрой Соколов И.В., ассистент (Российский университет дружбы народов)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ РЕСУРСОВОСПРОИЗВОДЯЩИХ
ГОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Мы живем в постиндустриальном мире. Считается, что основной ценностью в таком обществе является информация, в то время как другие производные общественной деятельности, науки и техники лишь носители соответствующих паттернов информации.
С другой стороны, информация - нематериальный объект - должна перерабатываться и способствовать совершенствованию производства материальных объектов.
Ноогенная техносфера - открытая система, активно взаимодействующая с окружающей биогеосредой. Естественно, что самоподдерживающейся такая система быть не может. Следовательно, создатель системы должен прилагать максимум усилий для ее поддержания в пригодном для жизни состоянии.
И эта задача постепенно становиться центральной во множестве наук.
Численность населения на планете неуклонно растет, соответственно этому растут потребности общества в энергии, питании, средствах транспорта и т.п. [0]. Естественно, что все больше необходимо металлов - черных, цветных, редкоземельных.
К настоящему времени накоплен огромный объем горных отходов, которые было нерентабельно перерабатывать на целевой продукт. Но в конце XX века проф. А.Е. Воробьевым были предложены схемы рудовоспроизводящих технологий [0], которые позволяют переводить убогие отходы в рудный техногенный материал.
Основой развития ТМ служит миграция ионов металлов вследствие увеличения их подвижности при превращении оксидов в растворимые соли.
Вопрос сейчас заключается не в том, нужно ли использовать ресурсовоспроизводящие технологии, а в том, как оценивать их влияние. При этом следует отличать ТМ от техногенного минерального объекта (ТМО).
Существенное отличие их заключается в том, что ТМО представляет собой, по существу, отвал, насыпь и т.п. структуру, сформированную случайным образом при отработке месторождений или складировании отходов металлургии, тогда как ТМ - это целенаправленно созданная на основе фундаментальных научных изысканий технологическая структура, в которой происходит целеполагаемое перемещение или создание ценных компонентов из некондиционных минеральных отходов.
Рассмотрим подробнее возможные экологические выгоды и риски ТМ и ТМО (рис. 1).
Видно, что выгод от перевода ТМО в ТМ для экологии (местной или общей) больше, чем недостатков.
Интенсивность ведущихся в этой области исследований и умножающееся число конференций по ресурсовоспроизводящим, малоотходным и природоохранным технологиям освоения недр, многие из которых организованы проф. А.Е. Воробьевым, позволяют надеяться на положительное решение многих вопросов в области экологической, сырьевой и экономической безопасности России.
Экологические аспекты формирования ТМ и 1МО
2. шт
1.1.
Еззобновление ресурсов
ландшафта
1.3. Рационаиьнэе ■.
использование неЕ о стр е б се азяюг
о техногенного 1фта
2.2. Увеличенное
гашение
1.5. Концентрация потенциально вредного производства на малом ареггае
Чи У
4. Занятие большой площади(особенно в сравнении с ТМ)
Рис. 2. Факторы, определяющие экологическое влияние ТМ и ТМО
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев А.Е., Гладуш А.Д., Чекушина Т.В. Основные факторы промышленного синтеза техногенной нефти в литосферных реакторах. // Технологии ТЭК. 2007. № 5. - С. 80.
2. Воробьев А.Е. Ресурсовоспроизводящие технологии горных отраслей. - М.: МГГУ. 2001. - 150 с.
Мишланова М.Ю., кандидат технических наук, доцент Московского государственного строительного университета
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ «МАССИВ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
В аэробной зоне массива твёрдых бытовых отходов протекают экзотермические реакции разложения органических веществ, за счёт процессов саморазогрева аэробная зона массива становится источником тепловой энергии. Возникновение техногенного энергоисточника приводит к изменению естественного теплового баланса исследуемой системы и возникновению аномального температурного поля.
Исследованию подвергается физическая область, ограниченная зоной влияния полигона ТБО на окружающую среду (рисунок 1). Система включает аэробную зону техногенного массива, анаэробную зону техногенного массива, прилегающий грунт и окружающую среду. Прилегающий грунт выделен в самостоятельную подсистему, так как подвержен энергетическому воздействию в большей степени, чем другие природные компоненты.
Рис. 1. Энергетическая структура системы
В реальных условиях изменение состояния исследуемой системы «техногенный массив ТБО - окружающая среда» происходят неравновесно и необратимо. Однако опыт и теоретический анализ показывают, что многие реальные неравновесные и необратимые процессы энергетического взаимодействия могут быть с достаточной точностью описаны равновесными моделями для обратимых процессов.
Все процессы, протекающие в данной зоне, включая предмет термодинамического исследования - формирование температурного поля, - развиваются со значительным масштабом координат времени и малым относительным изменением параметров состояния. При малой скорости развития процессов и незначительных изменениях параметров процессы в большой степени удовлетворяют представлению о равновесности и обратимости.
В теле массива ТБО и грунта существует локальное равновесие, например в микропорах. Моделирование тепловых явлений предполагает разложение данных подсистем на элемен-
тарные объёмы, где высока вероятность локального равновесия, и, соответсвенно, процессы в которых можно считать равновесными и обратимыми. Тогда применительно к этим элементарным объёмам будет действовать метод анализа классической термодинамики и модель равновесного процесса. Однако в количественных соотношениях теоретически обоснованной модели учтём условия неравновесности и необратимости. Уравнение первого начала термодинамики в дифференциальной форме имеет вид
ёд = ёи + ёЬ ,
где ёд - количество приведённой теплоты, учитывающее неравновесность и необратимость в элементарном процессе;
ёи - изменение внутренней энергии элементарного объёма;
ёЬ - внешняя работа, выполненная в ходе необратимых процессов.
Ограничивая систему зоной влияния массива ТБО на окружающую среду, рассмотрим трактовку первого начала термодинамики для подсистем и внутрисистемных связей. Целью данного исследования является определение теплового потока, осуществляющего основную энергетическую связь между подсистемами, в отношении передачи какой-либо работы принимаем допущение об изолированности
ёЬ = 0.
Учёт работы, преобразующейся за счёт необратимости и неравновесности в теплоту внутреннего теплообмена, произведём следующим образом
ёд = ёд * +ёд **
ёд * - обратимая подведённая или отведённая теплота;
ёд ** - необратимая энергия внутреннего теплообмена.
Тогда в условиях нашей задачи первое начало термодинамики трактуется следующим образом: все внутрисистемые тепловые потоки трансформируются в изменения внутренней энергии, которые формируют тепловое поле системы
ёд = ёд * +ёд ** = ёи
Решая не только частную задачу температурного поля системы, но и более общую -адаптации техногенного массива в окружающей среде, рассмотрим второе начало термодинамики относительно исследуемой системы и подсистем
*
Т
где £ - полная энтропия.
Известно, что знак равенства в рассматриваемом выражении характеризует состояние равновесия системы. В случае необратимого неравновесного процесса приращение энтропии возникает за счёт обратимого количества теплоты и необратимой диссипативной трансформации энергии. Таким образом, энтропия исследуемой системы и подсистем характеризует смещение состояния от равновесного и обратимого
ё£
необр
ёЯ * + ёд **
ё£необр >
Т ё£* Т
Т
Аэробная зона как неравновесная открытая подсистема с температурой Т1 и протекающими в ней необратимыми процессами является теплоотдатчиком (-dQ1)
^аэр > ~ Т1
Необратимость и неравновесность предполагают возможность уменьшения энтропии в установившемся режиме функционирования аэробной зоны как открытой подсистемы. При большом количестве отдаваемой теплоты вероятность уменьшения энтропии аэробной зоны и интенсивность этого явления увеличиваются
¿01
< аЭр < 0
Т1
Приращение энтропии может стать величиной положительной в случае превышения необратимой составляющей над количеством обратимой отдаваемой теплоты, что в реальных процессах функционирования массива ТБО не наблюдается. Данное явление может иметь значимость в период, когда техногенный энергопоток уменьшается, и в рассматриваемой зоне положительная теплота саморазогрева за счёт диссипации энергии превысит уменьшающееся отрицательное значение отдаваемой тепловой энергии.
Анаэробная зона массива, характеризуемая температурой Т2, является по отношению к вышележащим слоям теплоприёмником и теплоотдатчиком по отношению к прилегающему грунту. Внутри зоны часть теплоты (dQ2) тратится на повышение температуры самой зоны, то есть её энтропия увеличивается
¿02
ан > '
Т2
Прилегающий грунт получает некоторое количество теплоты (dQ1- dQ2), повышающее его температуру Т3. Поверхность, на которой естественное температурное поле не подвергается воздействию техногенного массива, является границей исследуемой системы.
„ > ^ - «02
гр т
Т3
Изменение полной энтропии исследуемой системы исходя из принципа аддидивности может быть определено как алгебраическая сумма
¿5сист = аэр + ан + гр > >-0 + 0 + ¿01 -¿02 >
Т Т2 Тз
Г 1 1 ^
> ¿01 — -^Т + ¿02
Г 1 1 ^
V Т3 Т1У
т.к.Т1 > Т2 > Т3
V Т2 Т3 У
> 0,
Приращение энтропии рассмотрено без учёта тепловых потоков из вне, то есть принято допущение об изолированности системы. Полная энтропия неравновесной изолированной системы «техногенный массив - окружающая среда» увеличивается, так как увеличение энтропии анаэробной зоны и прилегающего грунта больше, чем уменьшение энтропии аэробной зоны.
Изменение энтропии, знак и величина которого характеризуют направление и интенсивность смещения равновесия, служит количественным критерием, определяющим степень равновесия природно-техногенной системы. У
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.