Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 27Следующая ⇒

Невозможно в рамках настоящего пособия не только охарактеризовать, но и даже перечислить все химические примеси, загрязняющие атмосферу. Из 105 известных элементов таблицы Менделеева 90 в настоящее время используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 тыс. новых химических соединений, почти 10% из которых вредные или особо вредные (данные ВОЗ). В городах, как правило, насчитывается несколько сотен различных загрязнителей воздуха.

Наиболее распространёнными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

-Оксид углерода (СО)

-Диоксид углерода (СО₂)

-Диоксид серы (SO₂)

-Окислы азота (NO_X), в т. ч. оксид (NO) и диоксид азота (NO₂₎

К химическим примесям, представляющим интерес в рамках настоящего курса, отнесём также:

-Озон (О₃)

-Углеводороды (C_X H_Y )

-Фреоны (хладоны) или ХФУ (хлор-фторсодержащие углеводороды)

-Сероводород (H₂S)

-Аммиак (NH₃)

-Углерод (С) - промышленная сажа

-Свинец (Рb), ртуть (Hg), кадмий (Cd) (аэрозоли тяжелых и редких металлов)

-Диоксины

Краткие сведения о некоторых из перечисленных выше веществ (классов веществ) приведены в таблице П.1 Приложения 1.

Основные источники загрязнения атмосферы

Транспорт является одним из крупнейших источников загрязнения воздуха атмосферы. На долю транспорта приходятся ~ 65% выбросов оксида углерода (СО) (для сравнения: 21% – выбросы мелких потребителей и бытового сектора, а 14% – промышленность) и ~ 55% выбросов оксидов азота (NOx).

Основным источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец. В РФ производство этилированного бензина в настоящее время запрещено.

Использование бензина, производимого из нефтей с высоким содержанием серы (при недостаточной очистке), неизбежно приводит к выбросам с выхлопными газами диоксида серы (SO2) или сернистого ангидрида.

Крупные тепловые электростанции (ТЭС), металлургические и горнообогатительные заводы, предприятия по производству цемента и других строительных материалов, промышленные отвалы. Крупные тепловые электростанции (ТЭС), металлургические и горнообогатительные заводы являются крупными источниками выбросов диоксида серы (SO2) или сернистого ангидрида, который образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Общемировой выброс его оценивается в 190 млн. т в год. Концентрация диоксида серы особенно велика в районах, где расположены эти предприятия.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха помимо ТЭС, потребляющих уголь высокой зольности, являются обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим химическим разнообразием. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн. т/г. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.

Промышленные отвалы – искусственные насыпи образующихся при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, так же, как и производство цемента и других строительных материалов относятся к постоянным источникам аэрозольного загрязнения.

Предприятия азотной промышленности является крупными источниками выбросов в атмосферу оксидов азота (NO_x). Они производят азотные удобрения, аммиак, метанол, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. т в год. Необходимо понимать, что, помимо выбросов предприятий азотной промышленности, оксиды азота (NO_x) неизбежно содержатся в выбросах, образующихся при простом факельном сжигании топлив в воздушной среде с учётом высоких температур процесса и наличия азота в природном составе воздуха.

Нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия. Большое разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот, образующихся при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Нефтегазодобывающая промышленность. Значительный вклад в загрязнение ОС, помимо проливов и выбросов ископаемых углеводородов на промыслах, вносят многочисленные факелы в местах добычи нефти и газа. Иначе, как «варварской» трудно назвать продолжающуюся отечественную практику сжигать на факелах попутный нефтяной газ. Проблема утилизации попутного газа является, как минимум, двойной экологической проблемой для России, обладающей крупнейшими запасами углеводородного сырья и претендующей на роль страны, развитой в технологическом плане: это ускоренное истощение одного из природных ресурсов (путём бездарного сжигания попутного газа, являющегося ценнейшим сырьём) плюс загрязнение атмосферы – как тепловое, так и ингредиентное.

Основные последствия загрязнения атмосферы

Наиболее значительными негативными последствиями загрязнения воздуха атмосферы являются:

-кислотные дожди

-нехватка кислорода (нарушение кислородного баланса)

-парниковый эффект

-разрушение озонового слоя

Кислотные дожди

Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной кислот с последующим выпадением осадков называется кислотными дождями.

Кислотность среды определяется содержанием катионов водорода (водородный показатель рН). Для чистой воды водородный показатель рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 считаются кислыми, выше – щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности охватывается значениями рН от 0 до 14.

Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями топливно-энергетического комплекса, автотранспортом, а также химическими и металлургическими заводами. Примерно две трети кислотных дождей вызываются диоксидом серы. Оставшаяся треть обусловлена в основном оксидами азота.

Механизм образования кислотных дождей:

В атмосфере SO₂окисляется до SO₃:

SO₂ + O₂ → 2SO₃

Образовавшаяся трёхокись реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая далее присутствует в воздухе виде тумана:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Часть серной кислоты, реагируя с др. веществами, содержащимися в промышленных выбросах образует множество соединений (например, сульфаты кальция и железа).

Оксиды азота окисляются в воздухе до диоксидов, которые, реагируя с водяными парами в тропосфере, образуют азотную кислоту:

2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃

Эти две кислоты (серная и азотная), а также их соли и обуславливают выпадение кислотных дождей.

Оксиды серы и азота, попадая в атмосферу, могут разноситься ветром на тысячи километров от источника, т. о. от кислотных дождей могут страдать территории, находящиеся за тысячи километров от «виновника» выбросов.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, медные и железные руды, при этом одни из них используются как топливо, а другие перерабатываются в химической и металлургической промышленности. При переработке сера превращается в различные химические соединения, среди которых преобладают диоксид серы и сульфаты. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными устройствами, оставшаяся их часть выбрасывается в атмосферу. Сульфаты образуются при сжигании жидких топлив и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, а также серной кислоты. При сжигании жидких топлив образуется около 16% общего количества сульфатов.

Последствиями кислотных дождей является гибель флоры и фауны водоёмов и лесов. Подкисление верхних горизонтов почв и всего почвенного профиля влияет на урожайность и качество сельскохозяйственных культур. Все живое чувствительно к изменению рН. Повышение кислотности водоемов вызывает гибель фитопланктона, наносит непоправимый вред рыбным запасам. Из-за гибели фитопланктона солнечный свет проникает на большую глубину, чем обычно, поэтому все умершие от кислотных дождей озера поразительно прозрачные и необычайно голубые. Огромный урон кислотные дожди наносят лесам, садам, паркам. Опадают листья, молодые побеги делаются хрупкими, как стекло, и гибнут. Деревья становятся более подверженными воздействию болезней и вредителей, отмирает до 50% их корневой системы, главным образом мелкие корни, питающие дерево.

Нехватка кислорода (нарушение кислородного баланса)

Нехватка кислорода обусловлена, с одной стороны, сокращением его поступления из природных источников, а с другой – неуклонным увеличением его потребления. Основными причинами сокращения поступления кислорода в атмосферу является интенсивное загрязнение поверхностных вод Мирового океана и уменьшение общей площади лесных массивов. Установлено, что водная поверхность океана регенерирует около 50% атмосферного кислорода.

Увеличение потребления кислорода связано:

– с ростом населения земного шара, так как за сутки при дыхании человек через свои легкие пропускает до 120…150 м³ воздуха;

– с широким внедрением технологических процессов, в которых окислительные реакции осуществляются за счет атмосферного кислорода.

За последние 25…30 лет транспорт и промышленность взяли из атмосферы больше кислорода, чем использовано человечеством за весь исторический период существования цивилизации. Так, авиалайнер при трансатлантическом перелете сжигает около 100 т кислорода, а в США автомобили потребляют кислорода в 2 раза больше, чем его регенерирует природа на всей их территории. На всю техногенную деятельность человечество тратит 30…40 млрд. т кислорода в год.

Нарушение кислородного баланса будет иметь глобальные последствия. Подсчитано, что при 5%-ном ежегодном приросте потребления свободного кислорода на технологические нужды через 100 лет его содержание в атмосфере может снизиться до критического для человека предела – до 17% (по массе). И тогда человечеству необходимо будет искать эффективные способы получения свободного кислорода из минералов земной коры.

Парниковый эффект

Суть парникового эффекта заключается в том, что парниковые газы хорошо пропускают солнечное излучение, доходящее до поверхности Земли и нагревающее ее, и заметно поглощают отраженное тепловое (длинноволновое) излучение нагретой поверхности и нижних слоев атмосферы. Часть этого поглощенного теплового излучения возвращается атмосферой к поверхности Земли. Не будь этого эффекта, средняя температура земной поверхности была бы на 3, 2...5, 0°С ниже нынешних 14, 5°С.

Среднегодовые глобально усредненные температуры воздуха у поверхности Земли в последние 20 лет были наивысшими за период 130-летних наблюдений. Отмечены сильные региональные аномалии в виде засух или, наоборот, необычайно обильных осадков, наводнений и т.д. Среднегодовая температура за последнее столетие выросла примерно на полградуса. Не исключено, что это наибольшая скорость глобальных изменений за прошедший миллион лет. За 100 лет уровень Мирового океана увеличился на 10...15 мм. Частично это объясняется его тепловым расширением, частично – таянием ледников. Большинство ученых считает, что указанные аномалии вызваны изменением химического состава атмосферного воздуха с ростом концентрации углекислого газа.

В 1956 г. на основе многочисленных измерений, проведенных вдали от городов и промышленных центров, было установлено, что концентрация углекислого газа по объему равна 0, 028%. Измерения 1985 г. показали, что содержание углекислого газа возросло до 0, 034%.

В настоящее время в атмосферу выбрасывается более 25 млрд. т СО₂, при этом 45% дало сжигание угля, 40% – нефти и 15% – газа. Согласно расчетам, при таких темпах вероятное повышение средней глобальной температуры составит к 2025 г. – 2, 5°С, а к 2050 г. – 3…4°С. При этом рост температуры будет несколько выше для Северного полушария Земли. Расчеты показывают, что увеличение средней глобальной температуры даже на 1°С приведет к значительному изменению атмосферной циркуляции и условий увлажнения почвы.

Главным последствием потепления будет подъем уровня Мирового океана, что приведет к затоплению громадных прибрежных территорий, увеличению частоты и силы глобальных возмущений атмосферы.

Разрушение озонового слоя

В атмосфере озон (изотоп кислорода – О₃, обладающий сильными окислительными свойствами) встречается у земной поверхности и на высотах до 80 км, однако максимальная его концентрация наблюдается в озоносфере, которая располагается в средних широтах на высоте 20...24 км, в тропиках – на высоте 24...27 км, а в высоких широтах опускается до высот 13...15 км.

Если весь атмосферный озон привести к нормальным условиям земной поверхности (давление 760 мм рт. ст. и температура 0°С), то средняя толщина озонового слоя не превысит 3 мм.

Озоновый слой, поглощает коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, сохраняя жизнь на Земле, а также определяет тепловой режим и динамику атмосферы.

В общем случае ультрафиолетовое (УФ) излучение – это электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне 1-400 нм. УФ-излучение подразделяют на три области:

- УФ-А – с длиной волны 315...400 нм (длинноволновое);

- УФ-В – 280...315 нм (cредневолновое);

- УФ-С – 1...280 нм (коротковолновое).

Длинноволновое излучение (УФ-А) слабо воздействует на организм человека. Средневолновое (УФ-В) сильно воздействует на кожный покров и обладает противорахитным действием, (максимально эффективно излучение с длиной волны 297 нм.) Коротковолновое (УФ-С) отрицательно воздействует на тканевые белки и липоиды, сетчатку глаза, разрушает кровяные тельца, а также вызывает мутацию молекул ДНК.

Защитные свойства озонового слоя определяются не только его толщиной, но и углом, под которым солнечная радиация падает на Землю. Из этого следует, что интенсивность коротковолнового УФ-излучения в тропиках больше, чем в других местах земной поверхности.

На протяжении многих лет в озоновом слое наблюдаются локальные уменьшения содержания озона – озоновые дыры. Под озоновой дырой понимают пространство в озоносфере с пониженной концентрацией озона (до 50%), возникающее под воздействием естественных и антропогенных факторов. Время от времени эти громадные по площади дыры возникают над разными территориями и висят над ними от нескольких дней до недели, частота их появления увеличивается. Наибольшие понижения концентрации озона в озоносфере зафиксированы над Антарктикой.

Можно выделить три важных условия формирования озоновой дыры:

- высокие концентрации хлорных соединений,

- низкие температуры в стратосфере,

- наличие аэрозольных облаков.

Основной причиной разрушения озонового слоя является попадание в него хлора и оксидов азота, которые содержатся в основном в промышленных выбросах и выбросах автомобилей.

Следствием разрушения озонового слоя является повышение вероятности заболевания человека раком кожи. Если темпы разрушения озонового слоя будут сохранятся, то к середине XXI в. число заболеваний раком кожи достигнет десятков миллионов случаев в год.

Сохранение озонового слоя – одна из глобальных задач мирового сообщества. В 1987 г. 34 страны подписали Монреальский протокол об ограничениях производства хлорированных и фторированных углеводородов (в настоящее время идёт широкая дискуссия об обоснованности и эффективности этих мер). Другим направлением явилось бы создание систем генерации озона в атмосфере, что требует серьезных финансовых затрат при консолидации усилий всего мирового сообщества.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒