Биосфера и Ноосфера. Часть 1ж. Техногенный цикл обращения вещества.
Начало
Биосфера и Ноосфера
Часть 1ж
Техногенный цикл обращения вещества
Прежде чем рассмотреть проблемы организации техногенного цикла обращения вещества, я хочу ещё раз остановиться на основных отличиях и особенностях биогенного и техногенного способа управления материей.
Биогенный способ управления материей зависит от обязательного наличия воды, необходимого количества энергии, материи в тех формах, которые могут быть использованы биологическими системами (живой клеткой). Также требуется достаточно продолжительное время на доставку исходной материи внутрь живой клетки и последующий синтез требуемых веществ и материалов.
Техногенный способ управления материей зависит в основном от наличия самой материи, а также энергии необходимой для трансформации этой материи. За счёт возможности создавать более прочные и стойкие материалы, позволяющие работать с потоками энергии большой и очень большой плотности и мощности, скорость трансформации материи может быть намного выше, чем при биогенном способе. При этом, само собой, также значительно повышаются потребности в энергии.
То есть, биогенные процессы протекают медленнее, иногда очень сильно медленнее, чем техногенные, но при этом они расходуют значительно меньше энергии. В свою очередь, техногенные процессы в основном протекают значительно быстрее, но требуют в разы больше энергии, причём не только на обеспечение протекания самих техногенных процессов трансформации материи, но и на быстрое перемещение большого количества материи, которая будет трансформирована в ходе этих процессов, а также полученных в результате материалов и продуктов. По сути, наличие достаточного количества энергии высокой плотности является основным ограничивающим фактором для техногенного метода управления материей.
Ещё одной важной особенностью биогенного способа управления материей является то, что при утилизации биогенных отходов они являются пищей для тех организмов и микроорганизмов, которые разрушают ставшие ненужными биологические вещества и материалы. То есть, эти отходы служат одновременно и источником вещества, и источником энергии для тех организмов, которые их разрушают.
Другими словами, биосфера выстроена таким образом, что энергия, которая необходима для утилизации биогенных материалов, находится в самих биогенных материалах и запасена там уже в процессе их синтеза. Поэтому биосфере не требуется дополнительная энергия из внешней среды для того, чтобы утилизировать биогенные отходы и привести материю, которая в них содержится, к форме, в которой она может быть повторно использована для формирования новых живых организмов.
В той техносфере, которую мы создали на данный момент, утилизация отходов всегда требует дополнительных затрат энергии. Причём в некоторых случаях, когда речь заходит о сложных композитных синтетических материалах, затраты на их утилизацию и приведение к виду, в котором будет возможно их повторное использование, требуют больших затрат энергии, чем на их исходное производство.
Это один из важнейших моментов, который следует осознать. Биосфера сразу запасает энергию, необходимую для последующей утилизации, ещё в процессе синтеза биогенных материалов. Техносфере на данном этапе её развития требуется расходовать энергию как во время синтеза материалов, так и во время их утилизации.
Теперь давайте более подробно рассмотрим основные классы техногенных веществ и материалов в плане их утилизации и включения в непрерывный цикл обращения вещества внутри техносферы.
В начале я хочу отдельно остановиться на том, что большинство людей, когда речь заходит о техногенных отходах, представляют себе именно твёрдые бытовые отходы, с которыми они в основном сталкиваются в своей жизни. Но если рассматривать всю техносферу как единую систему в целом, то мы должны рассматривать все возможные виды отходов, включая промышленные отходы, а также отходы в жидкой и даже газообразной форме.
Например, мы использовали некое синтетическое моющее средство, которое после использования просто смыли водой и спустили в канализацию. А что дальше происходит с теми веществами, которые оказали растворены в воде? Если эта канализация централизованная, на выходе из которой стоят очистные сооружения, то будут ли эти вещества тем или иным образом задержаны и отделены от воды на данных очистных сооружениях?
Если нет, то значит эти вещества попадают во внешнюю среду и нам необходимо рассмотреть что с ними будет происходить дальше. Эти вещества будут разлагаться на составляющие? Если да, то под действием каких факторов, в течение какого времени и какие составляющие при этом образуются? Если нет, то это означает, что данные вещества начнут накапливаться во внешней среде, засоряя её. При этом возникает отдельный вопрос о влиянии данных веществ на Биосферу, поскольку они могут быть как нейтральны, так и иметь разную степень токсичности по отношению к живым организмам.
Если же данные вещества будут задержаны на очистных сооружениях, то что с ними происходит дальше? Мы можем их как-то использовать в дальнейшем или они будут просто свалены в большую кучу вместе с другими веществами, которые мы также выделили из воды в процессе её очистки? Или данные вещества остаются в жидкой форме, поэтому будут слиты в некий большой резервуар, где они также будут постепенно накапливаться? Но рано или поздно эти резервуары закончатся и что делать тогда? Строить новые и постепенно покрывать всю поверхность планеты такими хранилищами?
Аналогичные вопросы возникают и по газообразным формам техногенных веществ. Например, сейчас псевдоборцы за «экологию» активно борются с выбросами углекислого газа (CO2), избыток которого в атмосфере якобы приводит к изменению климата и вызывает глобальное потепление. Но если говорить о реальной экологии и создании техногенного цикла обращения вещества, то с углекислым газом в принципе нет никаких проблем, поскольку углекислый газ прекрасно утилизируется Биосферой, так как является одной из важных составляющих биогенного цикла обращения вещества. Ведь все животные в процессе жизнедеятельности выдыхают именно углекислый газ, а все растения поглощают этот углекислый газ из атмосферы и возвращают обратно в Биосферу.
В тоже время имеется огромное количество техногенных процессов, в ходе которых образуются самые различные газообразные соединения, которые обладают высокой токсичностью, при этом многие из них могут оставаться в атмосфере столетиями, например некоторые из фторсодержащих газов, которые активно применяются в качестве хладагентов, вспенивателей, изолирующих сред, пожаротущащих веществ.
В последнее время очень активно продвигается тема массового строительства в России мусоросжигательных заводов. К этой теме мы ещё вернёмся чуть позже, но сейчас я хочу обратить внимание на тот факт, что если серьёзно рассматривать процесс сжигания мусора в плане формирования замкнутого цикла обращения вещества в техносфере, то это будет один из самых низко эффективных способов, поскольку при сжигании техногенных материалов их структура разрушается практически до первичных химических элементов. При этом хорошо, если мы хотя бы будем утилизировать часть энергии в виде тепла, которое будет выделяться при сжигании этого мусора, хотя КПД такой утилизации энергии будет очень низким, поскольку далеко не весь мусор хорошо горит.
Также в процессе сжигания образуется большое количество различных газообразных и пылеобразных продуктов горения, которые являются загрязнителями окружающей среды. А некоторые из них, например те же «диоксины», являются ядами длительного действия, вызывающих множество различных заболеваний, включая различные виды онкологии и оказывающие мутагенное воздействие на живые организмы.
В принципе, на тему наносимого вреда окружающей среде при сжигании мусора написано множество работ, которые легко найти в интернете, в то время как в данной работе основным вопросом является вовсе не вопрос экологии и того вреда, который наносится Биосфере созданной нами Техносферой.
Если же рассматривать процесс сжигания техногенных отходов и мусора с точки зрения организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере, то это будет один из наиболее худших методов, который можно применить для этих целей.
Что на самом деле происходит при сжигании техногенных отходов и мусора? Если говорить о различных синтетических материалах, в первую очередь различных пластмассах и полимерах, о в процессе сжигания их исходная структура разрушается практически полностью. Те полимерные углеводородные цепочки, которые составляют их основу, в процессе сжигания превращаются в углекислый газ, воду и чистый углерод в виде сажи. Если в состав пластиков входят какие-то другие химические элементы, например входящие в состав красителей и различных покрытий, то они будут образовывать различные виды оксидов, которые могут быть как газообразные, образующие дым, так и твёрдые, образующие золу.
Как мы уже рассматривали выше, углекислый газ, выбрасываемый при сжигании в атмосферу, может быть утилизирован Биосферой, поскольку является частью её цикла обращения вещества. Но это, так сказать, очень длинный и медленный цикл утилизации углерода, поскольку процессы фотосинтеза и роста растений и фитопланктона, в процессе которого расходуется углекислый газ, происходят сравнительно медленно. Очевидно, что в каждый конкретный момент времени есть некий конечный объём углекислого газа, который может быть поглощён растительной частью Биосферы. Поэтому, если Техносфера начинает выделять больший объём углекислого газа, чем поглощается Биосферой, то содержание углекислого газа в атмосфере Земли начинает возрастать. Можно попытаться создать условия для увеличения растительности и фитопланктона, но тут тоже имеется предел роста, который определяется двумя основными параметрами. Во-первых, площадью суши, которая может быть занята растительностью, а также площадью океанов, в которой может существовать фитопланктон. А во-вторых, даже если мы покроем всю доступную площадь растительностью и фитопланктоном, есть второй ограничивающий фактор, о котором говорил ещё Владимир Иванович Вернадский - это количество «лучистой энергии Солнца», которое поступает от нашей Звезды на поверхность планеты и энергетически обеспечивает процесс утилизации углекислого газа и построения углеводородных цепочек, то есть процесс фотосинтеза.
Ещё один важный недостаток сжигания техногенных отходов и мусора с выделением большого количества углекислого газа состоит в том, что мы, по сути, в этот момент исключаем весь тот объём вещества, который вошёл в состав углекислого газа, из техносферы и отправляем его в Биосферу. При этом необходимо понимать, что в подавляющем большинстве случаев изначально данный углерод попал в техносферу вовсе не из Биосферы, а непосредственно из Литосферы Планеты в составе добытых из недр Земли углеводородов (нефть и газ), либо в процессе сжигания каменного угля. Да, Биосфера может со временем утилизировать выброшенный в атмосферу в составе углекислого газа углерод. Но это будут совсем не те формы углеводородов, которые мы сейчас добываем из недр Земли и используем для синтеза различных синтетических материалов либо в качестве топлива. Для тех технологических процессов, которые сейчас используются в техносфере, нужен именно природный газ или нефть. То есть, мы всё равно не получили для углерода замкнутого цикла обращения вещества. А в тех случаях, когда этот цикл можно замкнуть, например в случае получения биотоплива из растительного сырья, нам всё равно потребуется затратить дополнительную энергию на то, чтобы это растительное сырьё преобразовать в биотопливо и вернуть обратно в техносферу.
Но если для углерода при сжигании техногенных отходов и мусора проблема по созданию замкнутого цикла обращения вещества хотя бы частично может быть решена, то для тех веществ, которые образовали твёрдые оксиды и остались в виде золы, готовых решений по возвращению этих веществ обратно в техносферу у нас на данный момент нет. Особенно с учётом того, что в зависимости от состава сжигаемых материалов состав этой золы может быть очень разнообразным, содержащим в том числе различные вредные вещества, что не позволяет использовать подобную золу также, как мы можем использовать золу от сжигания дров и другого органического топлива, то есть в качестве удобрения для почвы.
В итоге, сжигание техногенных отходов и мусора позволяет вернуть большую часть углерода и водорода, а также ту часть кислорода, которая входит в состав углекислого газа и воды, обратно в окружающую среду. Та часть кислорода, которая вошла в состав твёрдых оксидов, образующих золу, вместе с этой золой из цикла обращения вещества выпадает.
Ещё одна проблема, которую помогает решить сжигание, это существенное уменьшение объёма, который будут занимать в форме золы наши техногенные отходы и мусор. А дальше это зола снова будет складироваться тем или иным образом, поскольку эффективных технологий по восстановлению и включению в техногенный цикл тех веществ, из которых состоит данная зола, у нас сейчас нет. Максимум, для чего мы можем использовать данную золу, это наполнитель для производства строительных материалов, да и то только в том случае, если в этой золе не содержится вредных веществ.
Но, ещё раз повторюсь, для организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере сжигание техногенных отходов и мусора не пригодно из-за слишком сильного структурного разрушения материалов в процессе их полного сжигания. Возвращение различных веществ из формы оксидов к тем формам, в которых мы затем сможем их снова использовать в наших технологических процессах, теоретически возможно, но будет требовать слишком больших затрат энергии.
Из чего следует простой вывод. При организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере, особенно когда речь заходит о синтетических материалах, таких как пластмассы, пластики и прочие полимеры, процессы сжигания необходимо избегать.
Продолжение следует...
Биосфера и Ноосфера
Часть 1ж
Техногенный цикл обращения вещества
Прежде чем рассмотреть проблемы организации техногенного цикла обращения вещества, я хочу ещё раз остановиться на основных отличиях и особенностях биогенного и техногенного способа управления материей.
Биогенный способ управления материей зависит от обязательного наличия воды, необходимого количества энергии, материи в тех формах, которые могут быть использованы биологическими системами (живой клеткой). Также требуется достаточно продолжительное время на доставку исходной материи внутрь живой клетки и последующий синтез требуемых веществ и материалов.
Техногенный способ управления материей зависит в основном от наличия самой материи, а также энергии необходимой для трансформации этой материи. За счёт возможности создавать более прочные и стойкие материалы, позволяющие работать с потоками энергии большой и очень большой плотности и мощности, скорость трансформации материи может быть намного выше, чем при биогенном способе. При этом, само собой, также значительно повышаются потребности в энергии.
То есть, биогенные процессы протекают медленнее, иногда очень сильно медленнее, чем техногенные, но при этом они расходуют значительно меньше энергии. В свою очередь, техногенные процессы в основном протекают значительно быстрее, но требуют в разы больше энергии, причём не только на обеспечение протекания самих техногенных процессов трансформации материи, но и на быстрое перемещение большого количества материи, которая будет трансформирована в ходе этих процессов, а также полученных в результате материалов и продуктов. По сути, наличие достаточного количества энергии высокой плотности является основным ограничивающим фактором для техногенного метода управления материей.
Ещё одной важной особенностью биогенного способа управления материей является то, что при утилизации биогенных отходов они являются пищей для тех организмов и микроорганизмов, которые разрушают ставшие ненужными биологические вещества и материалы. То есть, эти отходы служат одновременно и источником вещества, и источником энергии для тех организмов, которые их разрушают.
Другими словами, биосфера выстроена таким образом, что энергия, которая необходима для утилизации биогенных материалов, находится в самих биогенных материалах и запасена там уже в процессе их синтеза. Поэтому биосфере не требуется дополнительная энергия из внешней среды для того, чтобы утилизировать биогенные отходы и привести материю, которая в них содержится, к форме, в которой она может быть повторно использована для формирования новых живых организмов.
В той техносфере, которую мы создали на данный момент, утилизация отходов всегда требует дополнительных затрат энергии. Причём в некоторых случаях, когда речь заходит о сложных композитных синтетических материалах, затраты на их утилизацию и приведение к виду, в котором будет возможно их повторное использование, требуют больших затрат энергии, чем на их исходное производство.
Это один из важнейших моментов, который следует осознать. Биосфера сразу запасает энергию, необходимую для последующей утилизации, ещё в процессе синтеза биогенных материалов. Техносфере на данном этапе её развития требуется расходовать энергию как во время синтеза материалов, так и во время их утилизации.
Теперь давайте более подробно рассмотрим основные классы техногенных веществ и материалов в плане их утилизации и включения в непрерывный цикл обращения вещества внутри техносферы.
В начале я хочу отдельно остановиться на том, что большинство людей, когда речь заходит о техногенных отходах, представляют себе именно твёрдые бытовые отходы, с которыми они в основном сталкиваются в своей жизни. Но если рассматривать всю техносферу как единую систему в целом, то мы должны рассматривать все возможные виды отходов, включая промышленные отходы, а также отходы в жидкой и даже газообразной форме.
Например, мы использовали некое синтетическое моющее средство, которое после использования просто смыли водой и спустили в канализацию. А что дальше происходит с теми веществами, которые оказали растворены в воде? Если эта канализация централизованная, на выходе из которой стоят очистные сооружения, то будут ли эти вещества тем или иным образом задержаны и отделены от воды на данных очистных сооружениях?
Если нет, то значит эти вещества попадают во внешнюю среду и нам необходимо рассмотреть что с ними будет происходить дальше. Эти вещества будут разлагаться на составляющие? Если да, то под действием каких факторов, в течение какого времени и какие составляющие при этом образуются? Если нет, то это означает, что данные вещества начнут накапливаться во внешней среде, засоряя её. При этом возникает отдельный вопрос о влиянии данных веществ на Биосферу, поскольку они могут быть как нейтральны, так и иметь разную степень токсичности по отношению к живым организмам.
Если же данные вещества будут задержаны на очистных сооружениях, то что с ними происходит дальше? Мы можем их как-то использовать в дальнейшем или они будут просто свалены в большую кучу вместе с другими веществами, которые мы также выделили из воды в процессе её очистки? Или данные вещества остаются в жидкой форме, поэтому будут слиты в некий большой резервуар, где они также будут постепенно накапливаться? Но рано или поздно эти резервуары закончатся и что делать тогда? Строить новые и постепенно покрывать всю поверхность планеты такими хранилищами?
Аналогичные вопросы возникают и по газообразным формам техногенных веществ. Например, сейчас псевдоборцы за «экологию» активно борются с выбросами углекислого газа (CO2), избыток которого в атмосфере якобы приводит к изменению климата и вызывает глобальное потепление. Но если говорить о реальной экологии и создании техногенного цикла обращения вещества, то с углекислым газом в принципе нет никаких проблем, поскольку углекислый газ прекрасно утилизируется Биосферой, так как является одной из важных составляющих биогенного цикла обращения вещества. Ведь все животные в процессе жизнедеятельности выдыхают именно углекислый газ, а все растения поглощают этот углекислый газ из атмосферы и возвращают обратно в Биосферу.
В тоже время имеется огромное количество техногенных процессов, в ходе которых образуются самые различные газообразные соединения, которые обладают высокой токсичностью, при этом многие из них могут оставаться в атмосфере столетиями, например некоторые из фторсодержащих газов, которые активно применяются в качестве хладагентов, вспенивателей, изолирующих сред, пожаротущащих веществ.
В последнее время очень активно продвигается тема массового строительства в России мусоросжигательных заводов. К этой теме мы ещё вернёмся чуть позже, но сейчас я хочу обратить внимание на тот факт, что если серьёзно рассматривать процесс сжигания мусора в плане формирования замкнутого цикла обращения вещества в техносфере, то это будет один из самых низко эффективных способов, поскольку при сжигании техногенных материалов их структура разрушается практически до первичных химических элементов. При этом хорошо, если мы хотя бы будем утилизировать часть энергии в виде тепла, которое будет выделяться при сжигании этого мусора, хотя КПД такой утилизации энергии будет очень низким, поскольку далеко не весь мусор хорошо горит.
Также в процессе сжигания образуется большое количество различных газообразных и пылеобразных продуктов горения, которые являются загрязнителями окружающей среды. А некоторые из них, например те же «диоксины», являются ядами длительного действия, вызывающих множество различных заболеваний, включая различные виды онкологии и оказывающие мутагенное воздействие на живые организмы.
В принципе, на тему наносимого вреда окружающей среде при сжигании мусора написано множество работ, которые легко найти в интернете, в то время как в данной работе основным вопросом является вовсе не вопрос экологии и того вреда, который наносится Биосфере созданной нами Техносферой.
Если же рассматривать процесс сжигания техногенных отходов и мусора с точки зрения организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере, то это будет один из наиболее худших методов, который можно применить для этих целей.
Что на самом деле происходит при сжигании техногенных отходов и мусора? Если говорить о различных синтетических материалах, в первую очередь различных пластмассах и полимерах, о в процессе сжигания их исходная структура разрушается практически полностью. Те полимерные углеводородные цепочки, которые составляют их основу, в процессе сжигания превращаются в углекислый газ, воду и чистый углерод в виде сажи. Если в состав пластиков входят какие-то другие химические элементы, например входящие в состав красителей и различных покрытий, то они будут образовывать различные виды оксидов, которые могут быть как газообразные, образующие дым, так и твёрдые, образующие золу.
Как мы уже рассматривали выше, углекислый газ, выбрасываемый при сжигании в атмосферу, может быть утилизирован Биосферой, поскольку является частью её цикла обращения вещества. Но это, так сказать, очень длинный и медленный цикл утилизации углерода, поскольку процессы фотосинтеза и роста растений и фитопланктона, в процессе которого расходуется углекислый газ, происходят сравнительно медленно. Очевидно, что в каждый конкретный момент времени есть некий конечный объём углекислого газа, который может быть поглощён растительной частью Биосферы. Поэтому, если Техносфера начинает выделять больший объём углекислого газа, чем поглощается Биосферой, то содержание углекислого газа в атмосфере Земли начинает возрастать. Можно попытаться создать условия для увеличения растительности и фитопланктона, но тут тоже имеется предел роста, который определяется двумя основными параметрами. Во-первых, площадью суши, которая может быть занята растительностью, а также площадью океанов, в которой может существовать фитопланктон. А во-вторых, даже если мы покроем всю доступную площадь растительностью и фитопланктоном, есть второй ограничивающий фактор, о котором говорил ещё Владимир Иванович Вернадский - это количество «лучистой энергии Солнца», которое поступает от нашей Звезды на поверхность планеты и энергетически обеспечивает процесс утилизации углекислого газа и построения углеводородных цепочек, то есть процесс фотосинтеза.
Ещё один важный недостаток сжигания техногенных отходов и мусора с выделением большого количества углекислого газа состоит в том, что мы, по сути, в этот момент исключаем весь тот объём вещества, который вошёл в состав углекислого газа, из техносферы и отправляем его в Биосферу. При этом необходимо понимать, что в подавляющем большинстве случаев изначально данный углерод попал в техносферу вовсе не из Биосферы, а непосредственно из Литосферы Планеты в составе добытых из недр Земли углеводородов (нефть и газ), либо в процессе сжигания каменного угля. Да, Биосфера может со временем утилизировать выброшенный в атмосферу в составе углекислого газа углерод. Но это будут совсем не те формы углеводородов, которые мы сейчас добываем из недр Земли и используем для синтеза различных синтетических материалов либо в качестве топлива. Для тех технологических процессов, которые сейчас используются в техносфере, нужен именно природный газ или нефть. То есть, мы всё равно не получили для углерода замкнутого цикла обращения вещества. А в тех случаях, когда этот цикл можно замкнуть, например в случае получения биотоплива из растительного сырья, нам всё равно потребуется затратить дополнительную энергию на то, чтобы это растительное сырьё преобразовать в биотопливо и вернуть обратно в техносферу.
Но если для углерода при сжигании техногенных отходов и мусора проблема по созданию замкнутого цикла обращения вещества хотя бы частично может быть решена, то для тех веществ, которые образовали твёрдые оксиды и остались в виде золы, готовых решений по возвращению этих веществ обратно в техносферу у нас на данный момент нет. Особенно с учётом того, что в зависимости от состава сжигаемых материалов состав этой золы может быть очень разнообразным, содержащим в том числе различные вредные вещества, что не позволяет использовать подобную золу также, как мы можем использовать золу от сжигания дров и другого органического топлива, то есть в качестве удобрения для почвы.
В итоге, сжигание техногенных отходов и мусора позволяет вернуть большую часть углерода и водорода, а также ту часть кислорода, которая входит в состав углекислого газа и воды, обратно в окружающую среду. Та часть кислорода, которая вошла в состав твёрдых оксидов, образующих золу, вместе с этой золой из цикла обращения вещества выпадает.
Ещё одна проблема, которую помогает решить сжигание, это существенное уменьшение объёма, который будут занимать в форме золы наши техногенные отходы и мусор. А дальше это зола снова будет складироваться тем или иным образом, поскольку эффективных технологий по восстановлению и включению в техногенный цикл тех веществ, из которых состоит данная зола, у нас сейчас нет. Максимум, для чего мы можем использовать данную золу, это наполнитель для производства строительных материалов, да и то только в том случае, если в этой золе не содержится вредных веществ.
Но, ещё раз повторюсь, для организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере сжигание техногенных отходов и мусора не пригодно из-за слишком сильного структурного разрушения материалов в процессе их полного сжигания. Возвращение различных веществ из формы оксидов к тем формам, в которых мы затем сможем их снова использовать в наших технологических процессах, теоретически возможно, но будет требовать слишком больших затрат энергии.
Из чего следует простой вывод. При организации непрерывного цикла обращения вещества в техносфере, особенно когда речь заходит о синтетических материалах, таких как пластмассы, пластики и прочие полимеры, процессы сжигания необходимо избегать.
Продолжение следует...