ارائه شاخص هایی برای ارزیابی تخریب محیط زیست و کمیابی مواد و انرژی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار ـ دانشگاه امام حسین (ع) ـ دانشکده علوم و مهندسی ـ گروه مهندسی شیمی

2 دانشگاه امام حسین (ع) ـ دانشکده علوم و مهندسی ـ گروه مهندسی شیمی

چکیده

تأثیر و ارتباط متقابل هر فرآیند صنعتی با محیط زیست اطرافش از دیدگاه بالادستی تحت تأثیر منابع طبیعی مورد استفاده و از دیدگاه پایین دستی تحت تأثیر محصولات جانبی و تخریب ناشی از آن است که علاوه بر تخریب محیط زیست، کمبود مواد اولیه و انرژی‌های تجدید‌ناپذیر را در بر خواهد داشت. در این مقاله تخریب محیط زیست که در اثر تخلیه جریانات جرمی واحدی صنعتی ایجاد می‌گردد بررسی گردیده و از شاخصهای نرخ اشباع، درجه، فاکتور و توزیع اکولوژیک برای نشان دادن میزان تخریب استفاده شده است. داده‌ها نشان می‌دهند برای واحدهای صنعتی موجود، نرخ اشباع ایدئولوژیک بیش از یک است که بیانگر آلایندگی محیط زیست توسط آنهاست. بعنوان مطالعه موردی تخریب محیط زیست ناشی از فرآیندهای تولید فولاد ارائه گردیده است. همچنین شاخصی برای کمیابی مواد و انرژی ارائه شده و با توجه به ذخائر مواد اولیه و انرژیهای تجدیدناپذیر فعلی، شاخص کمیابی مواد و انرژی‌ حاصل از ذخایر فسیلی نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل اطلاعات نشان می‌دهد در صورت افزایش قیمت، می‌توان میزان برداشت از منابع فسیلی انرژی‌ را افزایش داد که این امر کاملاً به اقتصاد جهانی و فناوری‌های جدید وابسته است و می‌تواند یک راه برای جلوگیری از کمبود انرژی‌ محسوب گردد.
 

کلیدواژه‌ها


ارائه شاخص هایی برای ارزیابی تخریب محیط زیست و کمیابی مواد و انرژی

 

مجتبی سمنانی‌رهبر*[1]، شهام انوشه[2]

 

چکیده

تأثیر و ارتباط متقابل هر فرآیند صنعتی با محیط زیست اطرافش از دیدگاه بالادستی تحت تأثیر منابع طبیعی مورد استفاده و از دیدگاه پایین دستی تحت تأثیر محصولات جانبی و تخریب ناشی از آن است که علاوه بر تخریب محیط زیست، کمبود مواد اولیه و انرژی‌های تجدید‌ناپذیر را در بر خواهد داشت. در این مقاله تخریب محیط زیست که در اثر تخلیه جریانات جرمی واحدی صنعتی ایجاد می‌گردد بررسی گردیده و از شاخصهای نرخ اشباع، درجه، فاکتور و توزیع اکولوژیک برای نشان دادن میزان تخریب استفاده شده است. داده‌ها نشان می‌دهند برای واحدهای صنعتی موجود، نرخ اشباع ایدئولوژیک بیش از یک است که بیانگر آلایندگی محیط زیست توسط آنهاست. بعنوان مطالعه موردی تخریب محیط زیست ناشی از فرآیندهای تولید فولاد ارائه گردیده است. همچنین شاخصی برای کمیابی مواد و انرژی ارائه شده و با توجه به ذخائر مواد اولیه و انرژیهای تجدیدناپذیر فعلی، شاخص کمیابی مواد و انرژی‌ حاصل از ذخایر فسیلی نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل اطلاعات نشان می‌دهد در صورت افزایش قیمت، می‌توان میزان برداشت از منابع فسیلی انرژی‌ را افزایش داد که این امر کاملاً به اقتصاد جهانی و فناوری‌های جدید وابسته است و می‌تواند یک راه برای جلوگیری از کمبود انرژی‌ محسوب گردد.

 

واژه‌های کلیدی: مواد، تخریب، کمیابی، انرژی، نرخ اشباع اکولوژیک

 

مقدمه

تولید صنعتی همگام با افزایش و تنوع مصرف درجهان امروز سبب گردیده که از یک طرف به دلیل تخلیه ضایعات صنعتی یا به عبارت دیگر تخلیه محصولات جانبی نامطلوب به محیط زیست سبب تخریب آن شده و از طرف دیگر با صرف مواد اولیه و انرژی موجب کمیابی آنها گردد و بدین لحاظ یکی از محدودیت‌های اکولوژیک، تخریب محیط زیست با ریختن محصولات جانبی و غیرمطلوب فرآیندهای صنعتی به آن است. تخریبی که در اثر این عمل ایجاد می‌شود را می‌توان به سه دسته تقسیم بندی نمود.

1-     تخریب مستقیم که در اثر ریختن مواد مضر برای سلامتی انسان در آب آشامیدنی، زمین کشاورزی و هوای شهرهای مسکونی ایجاد می‌گردد.

2-   تخریب غیر مستقیم که در اثر ریختن مواد مضر که تعادل طبیعی محیط زیست انسان را از بین می‌برند و می‌توانند تأثیر منفی بر آن بگذارند حاصل می‌گردد مانند انتشار گازهای آلاینده که اثر گلخانه ای را افزایش می‌دهند، موادی که لایه ازون را تخریب می‌کنند و موادی که گیاهان و مراتع را تخریب می‌کنند و فضای سبز را از بین می‌برند.

3-   تخریب کیفی طبیعت مانند تخریب شنیداری حاصل از ایجاد سروصدای غیرقابل تحمل، تخریب بویایی در نتیجه ایجاد بوهای نامناسب و غیر قابل تحمل (مشمئزکننده)، تخریب دیداری در اثر وجود کشمکش در مناظر و چشم اندازهای پیرامونی.

می‏توان با بسط معادلات موازنه جرم و انرژی، معادلاتی برای موازنه تخریب حاصل از تخلیه مواد توسط یک فرآیند صنعتی ارائه کرد و در نهایت برای هر یک از انواع تخریب‌ها "ضریب تخریب" را تعریف نمود که می‌تواند معیاری برای ارزیابی میزان تخریب باشد. در موازنه جرم و انرژی محدودة مرزهای سیستمی که موازنه می‌خواهد در ان اعمال شود نقش تعیین‌کننده‌ای دارد بعنوان مثال بررسی یک نیروگاه حرارتی که از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کند و در دره‏ای که در آن وزش باد وجود ندارد قرار گرفته کاملاًَ وابسته به آن است که مرز سیستم در کارخانه، دره، یا کل منطقه در نظر گرفته شود. محدودیت‌های ایجاد شده توسط منابع بالادستی منجر به کمیابی مواد، منابع و انرژی نیز می‌گردد بنابراین باید موازنه جدیدی نوشته شود که در واقع موازنه منابع طبیعی کمیاب است. مفهوم کمیاب را می‌توان چنین بیان کرد:

1-   کل کمیت منبع قابل دسترسی در مقایسه با مقدار منابعی که توسط بشر قبلاًَ کشف شده یا در آینده نزدیک کشف می‌شوند به حد کافی زیاد نیست. فلز پلاتین نمونه‌ای از این دست است.

2-     منابع تجدید ناپذیر که سرعت مصرف آنها توسط انسان بسیار شدید است. نمونه‌ای از این دست سوختهای فسیلی هستند.

در موازنه این منابع کمیاب می‌توان شاخصی بعنوان "شاخص کمیابی" تعریف نمود. در مورد منابعی که سریعاًَ مصرف و نابود می‌شوند و میزان از دست رفتن این منابع بالاست، شاخص کمیابی نیز بالا خواهد بود. در سالهای اخیر چگونگی ارزیابی کمّی تخریب محیط زیست موضوع تحقیقات بسیاری بوده است. این تحقیقات گاهی مبتنی بر ارزیابی چگونگی تخریب محیط زیست و ارائه پارامترهایی برای بیان این تخریب و گاهی بر اساس ارزیابی تخریب زندگی انسانی بوده است [1و2].

. در این تحقیق، روشی برای محاسبه تخریب کلی توسط یک محصول صنعتی ارائه می‌شود که در واقع مجموع تخریب ایجاد شده توسط تخلیه محصولات صنعتی به محیط زیست است و بعنوان نمونه، آلودگی‌هایی که در محیط زیست در طی تولید یک کیلوگرم فولاد ایجاد می‌شود، تعیین گشته اند. همچنین شاخص کمیابی برای برخی از ذخایر و منابع مواد و انرژی ارائه شده است.

 

معیارهای ارزیابی تخریب محیط زیست

نرخ اشباع اکولوژیک

اگر شدت جریان جرمی خروجی از یک فرآیند و حاوی عامل (جزء) آلاینده محیط زیست بوده به طوریکه غلظت  آلایندگی این جزء  باشد، فلاکس آلاینده تخلیه شده به محیط زیست برابر است با

(1)                                                                                                                      

 

از سوی دیگر اگر مقدار غلظت جزء آلاینده که می‌تواند به صورت طبیعی و تعادلی در محیط زیست وجود داشته و نقش آلاینده ندارد، فرض گردد می‌توان معادله (1) را به شکل زیر نوشت:

(2)                                                                                               

که ترم بیانگر مقدار آلاینده و بیانگر مقدار غیرآلاینده از جریان جرمی تخلیه شده به محیط زیست است.در معادله (2) می‌توان  را بصورت زیر جایگزین کرد:

(3)                                                                                

 در واقع غلظت آلایندگی جزء آلاینده تخلیه شده به محیط زیست یا بخش آلاینده جریان تخلیه شده است به عنوان مثال می‌تواند جریان جرمی گازهای حاصل از احتراق زغال‌سنگ دارای گوگرد در محفظة احتراق بوده و غلظت دی اکسید گوگرد درون این گاز (درون این جریان جرمی) و غلظت تعادلی دی اکسید گوگرد در آب دریا باشد. فلاکس غیرآلاینده که توسط جریان جرمی وارد محیط می‌شود (یا) را به صورت زیر بیان کرد:

 

نسبت درواقع نشان‌دهنده نسبت فلاکس آلاینده تخلیه شده به فلاکس آلاینده قابل پذیرش از نظر محیط است که می‌تواند معیاری برای شدت تخریب محیط زیست باشد. هر قدر این نسبت بزرگتر باشد مقدار تخریب توسط تخلیه بیشتر است. این نسبت را می‌توان نرخ اشباع اکولوژیک در اثر تخلیه جریان جرمی خروجی از واحدهای صنعتی نامید.

میران یا حداکثر غلظت قابل قبول جزء آلاینده در محیط زیست برای آلاینده‌های مختلف متفاوت و کاملاًَ وابسته به جزء آلاینده و محدوده مورد نظر است که حتی با قوانین و شرایط کشورهای مختلف نیز تغییر می‌کند. در صورت لزوم می‌توان از کنوانسیون‌های بین المللی یا تجربیات قبلی در موارد مشابه نیز استفاده نمود [3و4].

برای ارزیابی واقعی و دقیق‌تر در کنار نرخ اشباع اکولوژیک باید معیار‌های حرارتی (انرژتیک) را نیز در نظر گرفت. در صورتی که تخریب محیط زیست در اثر تخلیه انرژی حرارتی مانند تخلیه مقدار از جریان آب گرم به محیط زیست باشد، در اینصورت مقدار انرژی حرارتی آن است که به محیط تخلیه می شود و در واقع است  و بیانگر غلظت آلایندگی انرژتیک قابل پذیرش توسط محیط زیست است( دمای متوسط محیط است). در این صورت اگر شدت جریان حرارت تخلیه شده به محیط در اثر تخلیه آب گرم باشد، می‌توان نوشت:

(4)                                                                                                    

در این حالت، ترم همان اکسرژی حرارتی جریان  است که فلاکس آلودگی حرارتی در اثر تخلیه جریان آب گرم را نشان می‌دهد. تشابه ریاضی موجود در معادلات (3 و 4) نشان می‌دهد که می‌توان معادلات مربوط به آلودگی محیط زیست را به معادلات اکسرژی مرتبط نمود [8-5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 1- برآورد ایجاد تخریب بر حسب فاکتور و نقاط اکولویک

نقاط اکولوژیک

فاکتور اکولوژیک

(6-10 ´)

 

 

 

 

مواد

هوا

 

8.08

400

284 %

191000 (ton/yr-1)

67200 (ton/yr-1)

(مانند NO2) NOX

1.56

2300

125 %

68000 (ton/yr-1)

54400 (ton/yr-1)

(مانند SO2) SOX

1.56

3600

125 %

43400000 (ton/yr-1)

34700000(ton/yr-1)

(مانند CO2)   COX

4.40

1430

210 %

308000 (ton/yr-1)

146000 (ton/yr-1)

(بجز CH4)   Hydrocarbon

0.24

4230

 

5770 (ton/yr-1)

 

HCl

33.40

450000

484 %

5200 (ton/yr-1)

35075 (ton/yr-1)

(کل) CFC

آب

 

3.02

14-5

101 %

89000

88000

(بر حسب Cº) DOC

1.02

3.83

101 %

267000

264000

COD (3× DOC)

3.02

75600

174 %

4000 (ton/yr-1)

2300 (ton/yr-1)

یون فسفر

0.01

2.62

12 %

514000 (ton/yr-1)

4420000 (ton/yr-1)

کلرور (Cl)

0.05

0.905

21 %

57000 (ton/yr-1)

57000 (ton/yr-1)

نیترات (N)

0.11

0.077

34 %

1500000 (ton/yr-1)

4420000 (ton/yr-1)

سولفات (SO4)

0.05

40.3

23 %

5000 (ton/yr-1)

22000 (ton/yr-1)

آمونیوم (برحسب N)

انرژی

 

1.00

1.00 MJ

100 %

1004000 J

4500000 J

انرژی خالص

نخاله‌ها

 

1.00

0.222

100 %

4500000 (ton/yr-1)

4500000 (ton/yr-1)

نخاله‌های شهری

2.64

20.3

163 %

13000 (ton/yr-1)

8000 (ton/yr-1)

نخاله‌های خاص

قابل احتراق

 

درجه، فاکتور و توزیع اکولوژیک

بدلیل پراکندگی و تنوع آلاینده‌ها، باید پارامتری تعیین شود که بتواند نقش آلاینده‌های مختلف در تخریب محیط زیست را معادل‌سازی نماید. به عنوان مثال برای ارزیابی تخریب دو گاز مخلوط که یکی حتی در غلظت‌های کم (مانند NO) بسیار آلاینده است و دیگری که بطور غیر مستقیم و آنهم در غلظت‌های بالا آلودگی ایجاد می‌کند (مانند CO2) بدین منظور می‌توان از نسبت میزان تخریب هر تن از ماده آلاینده به حداکثر مقدار قابل قبول آن توسط محیط زیست استفاده کرد که این پارامتر درجه اکولوژیک آن ماده نامیده می‌شود. در صورتیکه این نسبت در مقدار تن جریان مواد باشد فاکتور اکولوژیک نامیده می‌شود. درجه اکولوژیک برای هر ماده آلاینده در هر سال بیان می‌شود. در این صورت معادله (1) که برای ارائه فلاکس تخریب بکار می‌رود را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

 

(فاکتور اکولوژیک) (شدت جریان مواد بر حسب تن در سال) = فلاکس تخریب

 

در جدول (1)  میزان تخریب محیط زیست  در اثر آلاینده‌های مختلف را بر حسب نرخ اشباع، فاکتور و نقاط اکولوژیک ارائه شده است که فاکتور اکولوژیک بر حسب گرم (نه تن) و بر حسب تن در سال ارائه شده است . توزیع اکولوژیک در واقع مجموع درجه‌های اکولوژیک یک ماده در میزان تخریب محیط‌های مختلف زیستی است. می‌توان دید که برای بیش از نصف مواد (عوامل) آلاینده این نسبت بسیار بزرگتر از یک است و این امر نشان می‌دهد که اکثر آلاینده‌هایی که توسط تخلیه جریان جرمی به محیط زیست تخلیه می‌شوند باعث تخریب آن می‌گردند.

 

مطالعه موردی: تخریب محیط زیست در فرآیند تولید یک کیلوگرم فولاد

در زنجیره تولید فولاد از منابع طبیعی ( سنگ و صخره ) تا قطعات فولادی چهار مرحله زیر طی می‌گردد.

1- استخراج از مواد معدنی                      2- تغلیظ    

3- حمل و نقل بسمت کارخانه                 4- تبدیل به فلز

در هر یک از این مراحل می‌توان میزان مصرف مستقیم و غیر مستقیم انرژی و مواد اولیه را معین نمود. تقریباًَ
85-80 درصد از تجهیزات مورد استفاده در صنایع مختلف از فولاد ساخته شده اند. و 80% مصرف انرژی در تهیه فولاد در مرحله آخر (تبدیل به فلز) صورت می‌پذیرد [9]. جدول (2)، توزیع اکولوژیک در تولید یک کیلوگرم فولاد با در نظر گرفتن آلایندگی ایجاد شده در هوا، آب، میزان ایجاد نخاله و مقدار مصرف انرژی توسط مراحل تهیه آن نشان داده شده است . در جدول (3) نیز موازنه اکولوژیک یک کیلوگرم فولاد ارائه گردیده است.

 

جدول 2- توزیع اکولوژیک در تولید یک کیلوگرم فولاد

نقاط  اکولوژیک

 

30.68

مصرف انرژی: 30.69 mj

535.87

آلودگی هوا

0.124

آلودگی آب

27681.50

نخاله‌های جامد

28248.14

کل

 

جدول 3 - موازنه اکولوژیک در فرآیند تولید یک کیلوگرم فولاد

نقاط اکولوژیک

جرم بر حسب گرم

 

اجزای آلاینده در هوا

 

--

27.163

ذرات جامد

0.042

1.172

CO

257.572

18.012

Hydrocarbon

85.699

2.026

NOx

15.778

0.373

N2O

176.755

7.686

SO2

ــــ

0.007

Aldehyde

ــــ

0.00

F

ــــ

0.005

HF

ــــ

0.073

NH3

ــــ

0.0130

ترکیبات آلی

335.85

ــــ

کل

اجزای آلاینده در آب

 

ــــ

0.8170

رسوبات

ــــ

0.3180

ذرات معلق

ــــ

0.052

BOD

0.05

0.0013

COD

0.067

0.0065

آمونیاک

0

0.00

کلریدها

0

0.0001

سیانید

ــــ

0.1000

یونهای آهن

ــــ

0.0334

فلورید

ــــ

0.0002

سولفورها

0.052

2.00

HCl

ــــ

0.0002

یونهای سدیم

0.0003

0.0003

نیترات

ــــ

0.5142

فنل

ــــ

0.0003

سولفات‌ها

0.00

0.0002

قیر

0.124

ــــ

کل

آلایندگی حاصل از نخاله‌های جامد

 

 

70

احتراق

 

2.3

عوامل انرژتیک

 

285.7

احتراق اولیه

 

5.62

تولید الکتریسته

 

363.62

کل تولید

آلایندگی حاصل از انهدام

 

ــــ

200

تخلیه

27.681

1363.62

کل تولید + نابود سازی

 

شاخص کمیابی مواد و انرژی

کمیابی منابع انرژی یک معیار کاملاًَ نسبی است که بستگی به هزینه اکتشاف آنها دارد. قیمت یا ارزش اکولوژیک انرژی (که حدود 2 تا 3 برابر قیمت رایج است) کاملاً وابسته به اکتشاف بدون محدودیت منابع انرژی تجدیدپذیر است. منابع معدنی و طبیعی حدود ده عنصر شیمیایی در پنجاه سال اخیر کاملاًَ مصرف شده و فقیر شده اند و به همین دلیل استفاده از بازیافت نخاله‌ها و پسماندها یکی از روش‌های اساسی در تأمین مواد اولیه صنایع است.

تحقیق در صنایع آهن و فولاد نشان می‌دهد که هم اکنون 75٪ از فولاد و دیگر آهن‌آلات از اتومبیل‌های قراضه تأمین می‌شود و هم اکنون 95٪ اجزای اتومبیل قابل بازیافت هستند. این مورد می‌تواند برای تمامی مواد اولیه معدنی مورد کاربرد در صنایع عمومیت یابد [9]. در جدول (3)، می‌توان آهنگ تولید از معادن روباز در 1974 را مشاهده کرد که بر اساس آن، طول عمر ذخایر بازده فلز، مس، سرب ، روی ، تنگستن ، آنتیموان، نقره، طلا، جیوه، بیسموت، اورانیم و قلع کمتر از 50 سال است. در این صورت معادن طلا و نقره باید پس از 23 سال از بین بروند و ذخایر 9 فلز دیگر نیز20 سال بعد از آن به اتمام خواهند رسید. به همین دلیل در آینده اغلب صنایع مواد اولیه خود را از بازیابی نخاله‌ها به دست می‌آورند و دیگر استفاده از معادن طبیعی، امکانپذیر نبوده و نخاله ای که دوباره مورد استفاده قرار نگیرد وجود نخواهد داشت. این تحول توسط پارامترهای سودآوری تکنولوژیک ـ اقتصادی ارزیابی می‌شود و باید معیارهای اکولوژیک نیز در نظر گرفته شود. گسترش فرآیندهای غیرآلاینده در کوتاه مدت هزینه بر است ولی باید دقت داشت که چهار مشکل بزرگ (احتراق مناسب، بازیابی تمامی زباله‌ها و نخاله‌های جامد، و تخلیه جامدات و گازهای غیرآلوده) احتیاج به تکنولوژی جدید نداشته و تنها باید تکنولوژی موجود را گسترش داد. شاخص کمیابی IR به صورت عمومی به فرم زیر بیان می‌شود.

 
   

 

 

                                      

                                                               

به این ترتیب IR، تعداد سالیان باقیمانده تا اتمام منابع خواهد بود با این فرض که میزان مصرف سالانه ثابت باشد. مقادیر مختلفی از عمر ذخایر موجود در جدول (4) ارائه شده است [4].

جدول 4-  عمر ذخایر و منابع شناخته شده

شاخص کمیابی منابع شناخته شده

(برحسب سال)

منابع شناخته شده (بر حسب تن)

شاخص کمیابی ذخایر

(برحسب سال)

ذخایر

(بر حسب تن)

مواد معدنی

300

1011  ´5/2

240

1011  ´2

آهن

300

106 ´4

230

104 ´ 3

آلومینیوم

47

104´ 350

42

104 ´ 320

مس

43

104 ´ 150

37

104 ´ 130

سرب

44

106 ´ 250

40

104 ´ 230

روی

91

106 ´ 20

45

104 ´ 10

قلع

230

106 ´ 5/1

200

104 ´ 3/1

کرم (حاوی پنتا اکسید کرومات  (30-50 %

150

103

119

106 ´ 80

نیکل

200

106 ´ 5

116

106 ´ 4

کبالت

250

106 ´ 5

200

106 ´ 4

منگنز (حاوی(30-50 %

100

104 ´ 6

83

106 ´ 5

مولیبدن

38

106 ´ 5/1

35

106 ´ 4/1

تنگستن

900

107

727

104 ´ 8

وانادیم (V2O5)

55

104 ´ 4

41

104 ´ 3

آنتیموان

50

106 ´ 200

37

106 ´ 150

بیسموت

250

106

166

106 ´ 2

لیتیم

2500

106 ´ 15

1666

104 ´ 10

نیوبیم

250

104 ´ 500

200

104 ´ 400

تیتان

75

104 ´ 30

62

106 ´ 25

زیرکونیوم

280

106 ´ 7

200

106 ´ 5

قلیائی خاکی کمیاب

18

103 ´ 170

15

103 ´ 150

نقره

21

103 ´ 31

21

103 ´ 31

طلا

57

103 ´ 500

34

103 ´ 300

جیوه

73

104 ´ 5/1

45

106 ´ 9/0

اورانیوم

در باره شاخص کمیابی می‌توان گفت که مقدار آن برای سوختهای فسیلی و عناصر رادیواکتیو بی‌نهایت بزرگ است بجز در مورد اورانیوم که ذخایر اورانیوم حداکثر تا یک قرن دیگر به اتمام خواهند رسید. در مورد کمیابی انرژی ابتدا باید دانست که مقدار انرژی مصرفی انسان به طور متوسط 1000± 3000 کیلوکالری در هر بیست و چهار ساعت یا معادل توان متوسط W150 است. از طرف دیگر آمار نشان می‌دهد که مصرف انرژی صنایع مرتبط با نیازهای انسان حدود 2 کیلو وات بازای هر نفر است که این مقدار با در نظرگرفتن جمعیت شش میلیاردی بشر بر روی زمین به دست آمده است. (این مقدار برای ساکنان کشور فرانسه 4/4 کیلو وات و در آمریکا kw 11 بازای هر انسان معمولی است) [10]. با در نظر گرفتن سطح قابل استفاده زمین برابربا km2 108×5  می‌توان تراکم متوسط جمعیت در سطح زمین را برابر 12 نفر در هر کیلومتر مربع دانست که بدین ترتیب مصرف انرژی در واحد کیلومتر مربع
kw/km2 8/25= 12 × (15/0 + 2) خواهد بود که در واقع فلاکس مصرف انرژی است.90٪ انرژی مصرفی انسان و صنایع مرتبط با مصرف او، توسط انرژی فسیلی مانند نفت، گاز، زغال سنگ که از تجزیه گیاهان و جانداران توسط انرژی خورشیدی در طی میلیونها سال ایجاد شده اند، حاصل می‌گردد. انرژی خورشیدی جذب شده توسط اقیانوسها و در واقع جذب شده توسط میکروارگانیسم زنده که درته دریا رسوب می‌کنند و پس از میلیونها سال تشکیل نفت می‌دهند، منابع اصلی انرژی هستند. شکل (1) فرآیند فتوسنتز و احتراق را بصورت چرخه ارائه می‌کند. اگر چه تولید این سوخت‌ها میلیونها سال بطول انجامیده است و در واقع بدون در نظر گرفتن این سالها، میزان تولید نفت، گاز و زغال‌سنگ در یک رژیم ثابت، بیشتر از مصرف آن است ولی این بدان معنی نیست که ذخایر نفت، گاز و زغال‌سنگ که استخراج آنها از نظر اقتصادی به صرفه است نامحدود هستند. درصد مهمی از این ذخایر را زغال سنگ با کیفیت نازل، بیتومن‌ها و لیگنیت‌ها تشکیل می‌دهند که استخراج و تخلیص آنها هزینه ای بیش از قیمت نفت و گاز خواهد داشت [11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1- چرخه فتوسنتز و احتراق

 

انرژی خورشیدی دریافتی توسط زمین حدود w/m2 300 یا kw/km2 300000 است که 17400 برابر متوسط انرژی مصرفی توسط انسان است. جدول (5) اطلاعات فوق را بصورت خلاصه ارائه کرده است.

 

 

جدول 5- اطلاعات مربوط به مصرف انرژی توسط انسان

مقدار انرژی متوسط مصرفی توسط انسان (kw)

مصرف انرژی در منابع مرتبط با انسان به ازای هر نفر (kw)

سطح خشکی مورد استفاده توسط انسان در زمین (km)

تراکم متوسط انسانی (نفر)

مصرف انرژی توسط انسان در واحد سطح (kw/km2)

15/0

2

108´ 5

12

8/25

 

اگر a بخشی از سطح زمین باشد که توسط سبزیجات پوشیده است که عامل فتوسنتز هستند یعنی واکنشی که گلوسید و اکسیژن از CO2و H2O با راندمان 1٪ تولید می‌کند.

+ (انرژی خورشیدی)

مقدار فلاکس انرژی تولید شده توسط مواد آلی موجود در گیاهان برابر با  kw/km a × 01/0 × 300000 است. بدین شکل می‌توان فلاکس تولید انرژی توسط خورشید و مصرف انرژی توسط انسان را بصورت زیر ارائه کرد:

                                                                                     a116 =  =     

بنابراین در صورتی که a حداقل 116/1 باشد تولید انرژی همیشه از مصرف آن در زمین بیشتر خواهد بود. به عبارت دیگر اگر کسر سطح پوشیده زمین از گیاهان بیشتر از 116/1 باشد انرژی تولیدی توسط انرژی خورشیدی بیشتر از انرژی مصرفی توسط بشر خواهد بود. می‌توان دید که فلاکس تولید سوخت‌های فسیلی در کل و در حال حاضر بسیار بیشتر از شدت مصرف انرژی است.

شکل (2) ارتباط قیمت نفت با استخراج آن از کف دریا را ارائه می‌کند [12]. بر طبق این شکل در صورت افزایش قیمت نفت، میزان استخراج از ذخایر عمیق‌تر در دریا وجود خواهد داشت و در این صورت می‌توان گفت در صورت افزایش قیمت نفت حتی بدون در نظر گرفتن انرژی هسته‏ای هیچگاه بحران انرژی وجود نخواهد داشت و تکنولوژی‌های غیر مستقیم استفاده از انرژی خورشیدی نیز کافی خواهند بود زیرا ذخایر نفتی موجود نه تنها کاهش نمی‌یابد بلکه قابل افزایش نیز خواهد بود. این استدلال می‌تواند در مورد همه سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ با کیفیت پائین که در تمام نقاط جهان وجود دارند و همینطور در مورد گاز طبیعی که در این شرایط می‌توان آنرا از ذخایر دور از دسترس نیز برداشت نمود، صادق باشد.

 

شکل 2- تغییرات قیمت نفت با عمق استخراج از کف دریا

 

 برای آنکه ذخایر جدید استخراج شوند کافی است که قیمت انرژی 2 تا 3 برابر قیمت فعلی باشد. از آنجائیکه این افزایش تدریجی خواهد بود قیمت اکولوژیک ذخایر نیز تا یکی، دو قرن بعد تغییر نکرده یا به این میزان تغییر نخواهد کرد.

نتیجه گیری

با استفاده از موازنه تخریب، فلاکس تخریب و نرخ اشباع اکولوژیک می‌توان تأثیر تخلیه جریانات به محیط زیست را ارزیابی نمود. داده‌ها نشان می‌دهند که نرخ اشباع اکولوژیک برای عمده جریانات تخلیه شونده به محیط زیست بیش از واحد است که بیانگر تخریب محیط زیست توسط این جریانات است. شاخص کمیابی نیز نشان می‌دهد که ذخایر مواد اولیه رو به کاهش است این موضوع در مورد منابع انرژی قابل دسترس نیز صادق است ولی در صورتیکه بتوان از ذخایر غیر قابل دسترس یا ذخایر کم‌کیفیت استفاده نمود می‌توان میزان ذخایر انرژی را به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش داد.

مراجع

[1] Schlauer J., Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 6th ed., vol. 1, John Wiley and Sons, New York, 2003.

[2] Crocker B. B., Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology; Air pollution control, vol. 1, 5th ed., John Wiley, New York, 2004.

 [3] Gaivao A., Jaumotte A. L., Evalution èconomique de la pollution de l`environment par une activité industrielle. Application aux centrals èlectriques, Entropie, No. 121, pp. 5-11, 1985.

[4] Malkin D., Sarbib J. L., Les matierès premières minerals: perspectives mondiales et politiques d`approvisionnement, Etude de politique industrielle, Documentation Français, Paris, 1975.

‍‍[5] سمنانی‌رهبر م. " تحلیل فرآیندها با استفاده از مفهوم اگزرژی "، مجله مهندسی شیمی ایران، شماره 8، 1382.

[6] Akpinar K. E., Hepbasli A., "A comparative study on exergetic assessment of  two ground-source (geothermal) heat Pump systems for residential applications", Building and Environment, Vol. 42, pp. 2004-2013, 2007.

[7] Gong G., Zeng W., Chang S., He J., Li K., "Scheme-selection optimization of cooling and heating sources based on exergy analysis", Applied Thermal Engineering , Vol. 27 , PP. 942-950, 2007.

[8] Legoff P., Hornut M. J., Exergy analysis and exergo-economic optimization of industrial processes, Revue de l`institute français de petrole, vol. 53, no. 1, 1998.

[9] McKetta J., Encyclopedia of chemical processing and design, Marcel dekker, Vol. 31, pp. 183-188, 1990.

[10] Frangopoulos C. A., Von Spakovsky M. R., Global environmic approach for energy systems analysis and optimization. Part 1 and 2, Energy system and ecology, Poland, July 5-9, 1993.

[11] Lyons C. W., Plisga J. G., Standard handbook of Petroleum & natural gas engineering, 2nd ed., Gulf professional publishing, Massachusset, 2005.

[12] Bradley B. M., Petroleum engineering handbook, 3rd ed., Society of Petroleum engineers, Texas, 2001.


Application of  ecological index for evaluating of  environment nuisance and  rarity of energy and raw materials

 

M. S. Rahbar, S. Anoosheh

Chem. Eng. department, Engineering faculty, ImamHusseinUniversity

 

Abstract

The interactions of any industrial process with its environment, are located either upstream due to the rarity of natural resources, or downstream due to the rejection of noxious byproducts. In this paper, the indexes were presented for illustration of environment nuisance as rate of ecological saturation, ecological points and factors. The anaysis results for different discharges of many industrial plants into environment show that rate or ecological saturation is more than one which demonstrates environment pollution by them. As an example, the inventory of the air, water and rejected solids pollutions during the production of one kilogramme of steel was presented

Also, the rarity of raw materials and fossil energy reserves were shown by the relative indexes (criterion). Analysis of data shows that if the price of oil (or natural gas) increases, its exploitation can inerese and consequently, prevents the rarity of energy which depends on world economic condition and technology progress.

 

Key words: nuisance, rarity, raw materials, energy, rate of ecological saturation

 



1- دانشیار ـ دانشگاه امام حسین (ع) ـ دانشکده علوم و مهندسی ـ گروه مهندسی شیمی

2- دانشگاه امام حسین (ع) ـ دانشکده علوم و مهندسی ـ گروه مهندسی شیمی

[1] Schlauer J., Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 6th ed., vol. 1, John Wiley and Sons, New York, 2003.

[2] Crocker B. B., Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology; Air pollution control, vol. 1, 5th ed., John Wiley, New York, 2004.

 [3] Gaivao A., Jaumotte A. L., Evalution èconomique de la pollution de l`environment par une activité industrielle. Application aux centrals èlectriques, Entropie, No. 121, pp. 5-11, 1985.

[4] Malkin D., Sarbib J. L., Les matierès premières minerals: perspectives mondiales et politiques d`approvisionnement, Etude de politique industrielle, Documentation Français, Paris, 1975.

‍‍[5] سمنانی‌رهبر م. " تحلیل فرآیندها با استفاده از مفهوم اگزرژی "، مجله مهندسی شیمی ایران، شماره 8، 1382.

[6] Akpinar K. E., Hepbasli A., "A comparative study on exergetic assessment of  two ground-source (geothermal) heat Pump systems for residential applications", Building and Environment, Vol. 42, pp. 2004-2013, 2007.

[7] Gong G., Zeng W., Chang S., He J., Li K., "Scheme-selection optimization of cooling and heating sources based on exergy analysis", Applied Thermal Engineering , Vol. 27 , PP. 942-950, 2007.

[8] Legoff P., Hornut M. J., Exergy analysis and exergo-economic optimization of industrial processes, Revue de l`institute français de petrole, vol. 53, no. 1, 1998.

[9] McKetta J., Encyclopedia of chemical processing and design, Marcel dekker, Vol. 31, pp. 183-188, 1990.

[10] Frangopoulos C. A., Von Spakovsky M. R., Global environmic approach for energy systems analysis and optimization. Part 1 and 2, Energy system and ecology, Poland, July 5-9, 1993.

[11] Lyons C. W., Plisga J. G., Standard handbook of Petroleum & natural gas engineering, 2nd ed., Gulf professional publishing, Massachusset, 2005.

[12] Bradley B. M., Petroleum engineering handbook, 3rd ed., Society of Petroleum engineers, Texas, 2001.