Лекция 7. Хим Загрязнения атмосферы и меры защиты

Лекция 7. Хим Загрязнения атмосферы и меры защиты

Последствия загрязнений атмосферы

В результате антропогенной деятельности за последние 100…150 лет в биосфере Земли произошли и продолжают происходить существенные изменения, как правило, негативного характера. Так, за счет поступления антропогенных примесей, увеличения в атмосфере тепла, пыли, диоксида углерода (СО₂), метана, фреонов, оксидов азота, серы и др. возникают различные последствия, в т.ч. парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смоги, уменьшение биологического разнообразия флоры и фауны и др. Поэтому в мировом сообществе нарастает тревога за будущее цивилизации, предпринимаются активные попытки ограничения вредных выбросов.

Парниковый эффект

Человечество сейчас сжигает за день столько ископаемого топлива, сколько его образовывалось за тысячи лет в период образования месторождений нефти, угля и газа. Сжигание углеводородного топлива, в т.ч. автомобильным транспортом, сопровождается выделением углекислого газа (CO₂) и считается основной причиной загрязнения. Чем выше концентрация СО₂ в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля и тем теплее она станет, т.е. будет выше средняя температура у земной поверхности.

Значительно усугубляют проблему некоторые другие газы, выбрасываемые в атмосферу – это метан (CH₄), закись азота (N₂O), хлорфторуглероды (ХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторугле-роды (ПФУ), гексафторид серы (SF₆). Так, метан, хлорфторуглероды (ХФУ), оксиды азота, поглощают инфракрасное излучение в 50-100 раз сильнее, чем углекислый газ.

Кроме этого, различные природные явления, как извержения вулканов, лесные пожары и пыльные бури, приводят к возникновению светозащитного экрана вокруг Земли, которые изменяют тепловой баланс планеты и также загрязняют атмосферу. В итоге климатическая система выходит из равновесия и это проявляется в виде вторичных негативных явлений: множества жарких дней, засух, наводнений, резких скачков погоды. Все это способствует возникновению парникового эффекта.

Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект - разогрев нижних слоев атмосферы, в следствии способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности.

Как нагревается воздух внутри парника? Причина в том, что солнечный свет (световая энергия) проникает через стекла и поглощается землей. При этом световая энергия переходит в тепловую, земля нагревается и выделяет тепло. В глобальном масштабе содержащийся в воздухе углекислый газ играет ту же роль, что и стекло. Он поглощает выделяемое землей инфракрасное излучение, нагревается сам и нагревает атмосферу в целом.

Кислотные осадки

До начала промышленной революции проблема кислотных дождей отсутствовала. В целом для атмосферы концентрация оксидов серы и азота была незначительная, а карбонаты экосистем легко справлялись с кислотностью осадков. Антропогенное влияние на кислотность осадков стало проявляться в XX веке, т.к. стало возрастать количество сжигаемого ископаемого топлива.

Кислотность среды характеризуется показателем pН =–lg(H⁺), т.е. в конечном итоге определяется количеством ионов водорода H⁺. Нейтральный водный раствор имеет pH=7, кислотный раствор – pH<7, щелочной – pH>7. Атмосферные осадки, имеющие показатель pH<5,6, называют кислотными.

Даже в самом чистом воздухе есть углекислый газ, который, взаимодействуя с парами воды, образует слабый раствор угольный кислоты. Поэтому дождевая вода всегда имеет pH=5,6…6.

Одним из значимых загрязнителей, в т.ч. городского воздуха, является диоксид серы (SO₂), который образуется при сгорании угля и некоторых видов нефти, а также оксиды азота, хлороводород и др. Во влажном воздухе эти загрязнители окисляются и, соединяясь с водой, образуют соответствующую кислоту (серную, азотную, хлороводородную, соляную и др.)определенной концентрации. Образовавшаяся кислота выпадает одновременно с дождем и изменяет кислотность (рН) среды. Чем выше концентрация выпадающего кислотного дождя, тем больший вред наносится окружающей среде.

В 70-х годах стали обращать внимание на кислотность осадков, т.к. в реках и озерах Скандинавии (позже на северо-востоке США, юго-востоке Канады, в Западной Европе) стала исчезать рыба, снег в горах стал серым, листья с деревьев стали опадать ранней осенью. Впервые проблема кислотных дождей, как всемирная экологическая проблема, была поднята Швецией (1972 г.) на Конференции ООНпо окружающей среде.

Кислотные дожди губительны для живых организмов, разъедают легкие человека и животных, металлы, краски, камни; происходит преждевременный износ мостов, зданий, порча скульптур (мрамор от раствора серной кислоты прекращается в гипс); нарушаются естественные процессы в наземных и водных экосистемах, что приводит к гибели растений, снижению кислотности почв, закислению водоемов, снижению урожайности сельскохозяйственных культур, сокращению рыбных запасов, популяций птиц, деградации лесов (в России повреждено почти 2 млн. га лесов: районы Норильска, Братска, Мончегорска).

В настоящее время масса кислотобразующих оксидов, ежегодно поступающих в атмосферу, составляет более 150 млн. т, т.е. на каждого жителя Земли примерно 25 кг в год. Наиболее ощутимы к кислотным дождям водные экосистемы, при pH=5,8…6 гибнут ракообразные, улитки, моллюски, лосось, форель, насекомые, зоо- и фитопланктон. Если pH ниже 5, то погибают окунь, щука, угорь и др. последствия.

Для уменьшения выбросов оксидов серы и азота в атмосферу используются очистные сооружения. Существуют эффективные технологии и технические средства для улавливания оксидов серы и получения серы и прибыли.

Смог

Вещества, выделяемые в атмосферу, могут вступать между собой в фотохимические реакции и возникают новые высокотоксичные соединения или более ядовитые вещества, чем сами выбросы.

Смог (англ. Smoke - дым + fog - туман) - ядовитая смесь дыма, тумана и пыли с высокотоксичными загрязнителями. Основными компонентами смога являются фотооксиданты: озон, оксиды азота, нитриты, нитраты, углеводороды, фенолы и т.д. (рис. 41). Эти вещества в незначительном количестве всегда присутствуют в воздухе больших городов, но в фотохимическом смоге их концентрация намного превышает ПДК, чтоопасно для жизни растений, животных, человека. Крупнейшие города мира страдают от смогов.

Рис. 41. Общий вид смога.

Принято различать смоги 2-х типов: лондонский (зимний или мокрый) и лос-анджелесский (летний или сухой).

Причинами образования смога лондонского типа служат высокие концентрации в воздухе сернистого газа, пылевых частиц и тумана (влажность >70%). Основными источниками загрязнения являются продукты сжигания угля и мазута. В 1952 г. за 4 дня смога над Лондоном погибли 4 тыс. человек, столько же, сколько во время эпидемии холеры в 1854 г. Сам туман не опасен для человеческого организма, но становится вредным, когда сильно загрязнен ядовитыми примесями.

Лос-анджелесский смог возникает в результате фотохимических реакций, протекающих под действием коротко­волновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации, за счет высокойконцентрации оксидов азота, углеводородов, галогенов и др., интенсивной солнечной радиации (жаркая погода) и безветрия. Основная причина образования фотохимического смога - сильное загрязнение городского воздуха выбросами предприятий химической промышленности и транспорта, особенно выхлопными газами автомобилей.

Лос-анджелесский смог может возникать при более низких концентрациях загрязнителей и более сухом воздухе, чем в Лондонский. Для него характерна желто-зеленая или синеватая дымка. В Лос-Анджелесе ежедневно скап­ливается свыше 4 млн. автомобилей, смог бы­вает более 60 дней в году. Такому смогу подвержены многие крупные города: Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, То­кио, Милан, а также в ряде крупных городах России - в связи с быстрым ростом числа автомобилей.

Примером Лос-анджелесского смога служит Российский смог 2010 г. Два месяца центральная часть России оставалась без осадков, зафиксированы аномально высокие температуры, добавились лесные пожары.Из-за смога резко ухудшилось состояние хронических больных, особенно болезни органов дыхания и системы кровообращения. Погибло 60 тыс. человек. Утверждают, что из-за значительных выбросов проснулся вулкан Кракатау.

При смоге появляется неприятный запах; снижается видимость; нарушается работа транспортаи увеличивается число аварий; у человека обостряются легочные и сердечно-сосудистые заболевания, вызываются раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, появляются симптомы удушья; погибают люди, домашние животные, птицы. Смог оказывает вредное влияние на растения, способствует коррозии строительных материалов, растрескиванию лакокрасочных покрытий, резиновых и синтетических изделий, вызывает порчу одежды.

Рассеивает смогветер, а для его предотвращения необходимо сокращать выбросы загрязнителей. В настоящее время смог представляет большую опасность для жителей многих городов. Загрязнение воздуха сопровождается образованием устойчивых аномалий, повышается содержание загрязнителей в воде, почве, растениях.

Лекция 7. Хим Загрязнения атмосферы и меры защиты