VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вода- валюта будущего
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
К написанию данной работы меня подтолкнуло прочтение книги Ричарда Уотсона «50 идей, о которых нужно знать. Будущее». До этого я читала и слышала, что ресурсы вот-вот закончатся, что их надо беречь, но когда это «вот-вот» случится и насколько все серьезно не задумывалась. Не задумывалась, почему появляется все больше электротранспорта, и почему посудомоечной машиной пользоваться лучше, чем мыть посуду руками. Книгу же изначально я начала читать потому, что хотела понять, какие профессии появятся в будущем, чтобы получить идею своего дальнейшего образования. И вот я прочитала книгу , и пазл сложился. Некоторые факты казались такими удивительными, что я отдельно искала их в интернете. Например, почему в Китае скоро упадет количество трудоспособного населения. Кажется, пришло время учить китайский. Мне пришлось перелопатить информацию с сайта ВОЗ, ООН, чтобы понять: Природные ресурсы – это не отдельно взятые категории. Это часть связанных между собой явлений, которые влияют на мир в целом и мир влияет на них. Учитывая, что даже изменения климата являются довольно непредсказуемыми, считаю данный вопрос до конца не изученным, но чрезвычайно важным. Мне написание работы помогло определиться с выбором дальнейшей профессии.
Мы живем во время, когда вот- вот начнет не хватать самых главных ресурсов: питьевой воды, нефти, других полезных ископаемых и даже продуктов. Население планеты увеличивается с каждым годом. Соответственно, требуется все больше еды и воды. С 1900 по 2000 год население Земли увеличилось в 4 раза- с 1,6 до 6,1 миллиардов человек. В 2011 году оно достигло 7 миллиардов, и, согласно сценарию ООН, к 2025 году составит 8 миллиардов, а к 2043-му- 9 миллиардов. К 2083 году , предполагают в ООН. Конечно, это всего лишь предположение, ведь конечная цифра зависит от показателей фертильности, войн, пандемий, катаклизмов и некоторых других факторов. Причина в таком росте населения – не в увеличении фертильности, а в увеличении продолжительности жизни. Если в 1900-м году средняя продолжительность жизни составляла 30 лет, то в 2000 –65. Однако, в 21м веке, ожидается падение фертильности. Согласно Департаменту ООН по экономическим и социальным вопросам, а также Бюро переписи населения США, среднее число деторождений сократилось с 4,9 в 1960х годах до 2,5 в наше время. Более того, эта цифра еще ниже в тех районах, где проживает 50% населения. Почти во всех развитых странах сейчас среднее число деторождений равно или ниже уровню замещения (2,1). В Китае и Индии ситуация другая, там с 1990 года происходит масштабный прирост населения, однако в ближайшем будущем ситуация изменится. В ближайшее время наибольший прирост населения ожидается в Центральной Африке (порядка 33% от общего).
Если разложить данные по возрастным группам, тут нас ждут неожиданности. Например, в Китае ожидается максимальное сокращение рабочей силы. Это приведет к падению экономических показателей.
Однако, вместе с тем развивается урбанизация и индустриализация. Меняется климат, окружающая среда все больше загрязняется, а бестолковое распоряжение ресурсами приводит к тому, что скоро они закончатся. По данным Международного энергетического агенства, мы ежедневно используем 85 миллионов баррелей нефти, по их прогнозам к 2030 году эта цифра возрастет до 105 миллионов, при этом пик потребления придется на 2020 год.
Глава 1. Вода
Во все времена самым важным ресурсом была питьевая вода. Она важнее еды и энергии. Множество войн за доступ к воде тому доказательство. С каждым годом увеличивается потребность в воде. Это связано с увеличением населения. По данным журнала компании «Кока-кола», увеличение населения в 3 раза приводит к увеличению потребления воды в 17 раз!!! В настоящее время около 1 млрд людей не имеют доступа к чистой питьевой воде, а к 2034 году половина населения Земли будет испытывать дефицит питьевой воды. Большая часть атмосферных осадков попадает в Мировой океан, а 70-80 % воды мы теряем из водопроводных труб – они старые, худые. Также потеря воды происходит из-за устаревших технологий. Огромное количество воды расходуется впустую. Каждый человек использует примерно 3000 литров воды, из которой пьет только 2-3 литра. Мировое население растет , растет потребность в богатой водой еде- мясе и рыбе. В современном Китае проживает 20% всего населения, при этом водных запасов у него только 5%. Также в Китае большая проблема- загрязнение имеющейся воды- на 90 % она отравлена отходами.
В 2003 году в Австралии запретили мойку автомобилей водой.
В 2008 году в 70 % китайских городов не хватает воды.
В 2010 году Индия подозревает Китай в краже воды из-за постройки плотины.
В 2011 году стартовали продажи валлийской воды в Калифорнии.
Давайте заглянем в будущее.
Со временем нам, видимо, придется не только больше платить за питьевую воду; возникнут и другие ограничения — мы будем платить за воду в соответствии с тем, когда именно, на что и какого качества воду мы расходуем. Очистка стоков и система водоснабжения сделает рывок вперед, будут оборудованы по последнему слову техники, особенно — чтобы предотвращать утечки. Некоторые страны начнут покупать чистую воду, даже транспортировать айсберги — в точности так же, как сейчас перевозят нефть, а некоторые бедные на воду страны начнут обменивать сырье вроде той же нефти на питьевую воду. Страны начнут судебные процессы друг против друга- за разгон облаков или, наоборот, получение дождя из туч с помощью распыления сухого льда или иодида серебра в облаках или за геоинженерные проекты. Ожидаются изменения в сельском хозяйстве — сдвиг в сторону посевов, менее требовательных к воде.
В 1970 году в Америке производили бутылированную в большие бутыли воду, пока компания «Перье» не связала воду эксклюзивностью, здоровьем и известными персонами. Сейчас американцы пьют больше бутилированной воды, чем молока, кофе или пива, и во многих случаях литр воды выходит дороже литра бензина.
В 2021 Йеменский Санаа может стать первым крупным городом, в котором кончилась вода
в 2032 Вода может кончиться в Лас-Вегасе
в 2038 Все потребительские товары будут снабжены маркировкой «включенной воды»
в 2050 будут введены мировые цены за баррель (150 литров) воды
Конфликты могут возникнуть и на почве избытка воды. Если климат станет меняться так, как некоторые ожидают, затопление низменных прибрежных районов может вызвать неуправляемые массовые перемещения населения. Конфликты возможны и из-за недостатка воды: из-за рыбы (война за исландскую треску), за нефть, уголь и редкие полезные ископаемые с морского дна, за пресную воду (Дарфурский конфликт в Судане).
Наличие или отсутствие воды всегда влияет на геополитику. Например, из-за вышедшей из строя во время Афганской войны системы орошения и засухи, в Афганистане начали выращивать опийный мак.
На Ближнем Востоке и в Северной Африке расположены 16 наиболее неблагополучных в отношении воды государств мира, потребляющих больше воды, чем ее поступает (в Ливии — в 700 раз). Население прирастает, водоносные горизонты почв высыхают, нефть для опреснительных установок тоже может закончиться — и тогда возникнет тройной кризис: водяной, продовольственный и энергетический. Любой из них может повлечь за собой неприятности. Эти три базовые человеческие потребности всегда будут неразрывно взаимосвязаны. Тони Эллан из лондонского Кингз-Колледжа разработал концепцию «включенной воды» - на этикетку наносится то количество воды, которая была «поглощена» тем или иным продуктом или услугой в процессе создания или доставки. Принцип виртуальной воды применим к чему угодно — от хлопковой футболки и бутылки колы до гамбургера и автомобиля, и сопутствующая такой маркировке политика, похоже, вскоре станет очень заметной.
Глава 2. Боремся за воду.
Очистка вод.
Из главы 1 мы видим, что очистка воды и связанные с ней: разработка очистных сооружений, очистка уже имеющегося мусора и загрязнений – перспективное направление, которое будет связано с многими профессиями. Во главе угла стоят химия, физика и биология. Загрязнения промышленных вод различаются по агрегатному состоянию, по размеру, по химической инертности. Для того, чтобы наиболее правильно подобрать методику очистки промышленных вод, применяют следующую классификацию:
грубодисперсные взвешенные примеси;
эмульгированные примеси;
мелкодисперсные частицы;
эмульсии;
металлы;
органические вещества (органика);
ПАВ и АПАВ.
Физика справляется с мусором и крупными примесями, бактерии с органическими веществами, а вот в случае загрязнений отходами текстильной, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, без химии не обойтись. Наиболее перспективным является:
Замена пресной воды оборотной. Повторное использование вод.
Журнал «Сhemical engineering» в своей статье указывает на этот вариант как самый на сегодняшний день перспективный. «Производства стремятся к нулевому (ZLD) или минимально возможному (MLD) сбросу воды. Таким образом минимизируется потребление пресной воды». Завод может использовать обратный осмос (RO), мембранную технологию, для производства высокочистой воды для генерации пара. Сырая вода поступает в систему обратного осмоса, которая производит чистую технологическую воду. Отходы или рассол из этой системы обычно идут на переработку отходов. Тем не менее, процессоры теперь могут забирать этот рассол и, используя адекватную химию обработки, использовать его для подпитки или частичной подпитки для таких применений, как градирни. «Таким образом, теперь вместо того, чтобы использовать пресную воду для установки обратного осмоса и градирни, они отбирают поток отходов из узла обратного осмоса, и он становится основным источником и заменяет свежую воду для градирни». Также он говорит, что требования к воде для производства значительно мягче, чем для сброса. К тому же, при увеличении концентрации вредных веществ, их легче удалять. Для очистки традиционно используют нано-фильтрацию, ионный обмен и обратный осмос. Из новых направлений- применение электричества для очистки от солей – метод CapDI.
Разработка экологичных средств для удаления примесей из сточных вод.
Использование естественных процессов. Создаются такие микроорганизмы, которые больше любят крахмал, они вырабатывают ферменты, разлагающие крахмал. То же применимо и по отношению к другим видам загрязнений.
Для этих бактерий разрабатываются вещества, позволяющие микроорганизмам эффективнее разлагать органические соединения.
В очистных сооружениях Москвы применяют специальный ил- с микроорганизмами. Микроорганизмы потребляют кислород. . В развитых странах при использовании микроорганизмов существуют ограничения по биохимической потребности кислорода (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК).
Вещества, повышающие эффективность микроорганизмов, позволяют при меньшем потреблении кислорода перерабатывать больше отходов.
Разработка материалов, защищающих трубы. Как уже указывалось выше, 70-80 % воды мы теряем из водопроводных труб – они старые, худые. К тому же трубы изнутри покрывались фосфатсодержащими соединениями, которые со временем вымывались в окружающую среду. Компания SUEZ Water Technologies & Solutions www.suezwatertechnologies.com разработала программу под названием ECO Film или Engineered Carboxylate Oxide. Это технология обеспечения полной защиты от накипи и коррозии в системах с открытой охлаждающей водой без использования фосфора или EPA [Агентство по охране окружающей среды США].
Вещества, разлагающие материалы с длительным сроком разложения.
В недавно опубликованной статье в ACS Cent. Sci. сообщено об эффективности катализатора для превращения ПЭ в жидкие углеводороды с узким молекулярно-массовым распределением. Было обнаружено, что определенные структуры наночастиц (более высокое отношение кромки к фасете) работают лучше. Группа успешно протестировала катализатор на полиэтилене исследовательского качества и на пластиковых пакетах после потребления в лабораторном масштабе. Критическим аспектом катализатора является его способность избирательно разрывать связи С-С в более длинных цепях, в отличие от более коротких цепей, что обеспечивает узкий диапазон продуктов без образования легких углеводородов.
Кстати, 21 ноября 2019 года компания Shell объявила о производстве высококачественных химикатов из отходов полиэтилена. Shell является одним из основателей Альянса по уничтожению пластиковых отходов (AEPW). AEPW выделил 1,5 миллиарда долларов в течение следующих пяти лет, чтобы помочь избавиться от пластиковых отходов в окружающей среде.
Подведем итог.
Человечество на пороге нехватки воды.
Необходимо действовать в нескольких направлениях-
Очищать уже имеющиеся загрязнения;
Снижать текущие загрязнения;
Снижать расход воды в быту;
Снижать потери воды из трубопроводов;
Заменять воду оборотной;
Разрабатывать новые материалы для фильтрации;
Разрабатывать новые экологичные материалы для водоочистки и очистки стоков;
Разрабатывать новые способы производства с экологичным направлением;
Ужесточить требования к сбросам производств.
Спасибо за внимание!
Литература.
Ричард Уотсон «50 идей, о которых нужно знать. Будущее».
Список сайтов https://www.rbc.ru/business/10/12/2018/5bf67ef69a79475447e3f597
https://regnum.ru/news/it/2250716.html
https://www.chemengonline.com/improved-water-treatment-technologies-make-waves/?printmode=1
https://www.chemengonline.com/novel-catalyst-transforming-polyethylene-lubricants-waxes/
http://www.psymbolic.com/5-modern-technologies-used-in-water-treatment/