Кислотные дожди. Кислотные дожди. Причины их образования и влияние на окружающую среду
 Скачать 41.97 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО» Реферат на тему: «Кислотные дожди. Причины их образования и влияние на окружающую среду» Выполнила: студентка 4 курса Бриж Татьяна Алексеевна Проверила: профессор по кафедре аналитической химии и химической экологии Сумина Елена Германовна Саратов, 2019 ВВЕДЕНИЕ Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, теоретически должна иметь нейтральную реакцию, однако в действительности даже самый чистый дождь не имеет значение рН = 7. Ведь в атмосфере всегда присутствует углекислый газ (постоянный компонент воздуха), который при взаимодействии с атмосферной водой образует угольную кислоту. Поэтому дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6). Кислотным же называется дождь, рН которого < 5,6. Термин «кислотный дождь» впервые ввел английский химик Роберт Ангус Смит в 1882 г. в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». А. Смиту удалось выявить зависимость между уровнем загрязнения воздуха над Манчестером и кислотностью осадков. Образование кислотного дождя обусловлено выбросами в атмосферу кислотных оксидов, преимущественно SO2 и NO2, естественные и техногенные источники. К основным антропогенным источникам этих газов относятся тепловые электростанции, промышленные котельные, автотранспорт, технологические агрегаты металлургической, химической и других отраслей промышленности. ПОТОКИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ, ДИОКСИДА АЗОТА И ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В АТМОСФЕРЕ
Основным природным источником его поступления в атмосферу являются вулканы, ежегодное количество выделяющегося в составе вулканических газов диоксида серы составляет (в расчете на S) 9,3–11,8 Тг/год (1 Тг = 1012 г = 1 млн т). Вулканы служат также в качестве непрямого поставщика диоксида серы в атмосферу – с вулканическими газами выбрасывается сероводород, который под действием кислорода воздуха превращается в диоксид серы. Образование сероводорода в процессе вулканической деятельности связывают с реакцией, протекающей в паровой фазе при высоких температурах (выше 1800°С): 2SO2 + 2H2O = 2H2S + 3O2 Другими непрямыми естественными источниками диоксида серы являются летучие восстановленные соединения серы – органические сульфиды (меркаптаны, диметилсульфид), которые в атмосфере окисляются до диоксида серы. Эти соединения образуются в результате биогенных процессов из природных соединений – сульфатов и серосодержащего органического материала. Океан и почва содержат в значительном количестве растворенные сульфаты, которые под влиянием микроорганизмов в анаэробных условиях (при отсутствии кислорода) восстанавливаются до сероводорода: 2CH2O + SO42− = H2S + 2HCO3− Скорость восстановления сульфата и образования сероводорода в морской воде может быть довольно высока и составлять несколько ммоль/(м2 ⋅ сут). Выделяющийся сероводород попадает в зоны, богатые кислородом, где происходит его быстрое окисление. Поэтому значительный выход в атмосферу сероводорода может наблюдаться только в мелких водоемах. Содержание сероводорода в атмосфере сильно зависит от природных условий региона. В океанических областях наблюдаются самые низкие концентрации сероводорода. Интенсивными источниками являются промышленные районы и очень интенсивными – увлажненные районы с анаэробными или засоленными почвами, например болота, участки, затопляемые приливами. Концентрация сероводорода быстро падает с ростом высоты: на 3000 м над континентами она составляет 1,3–12,6 ppt. В атмосфере сероводород окисляется до диоксида серы. В этом процессе кроме кислорода участвуют всегда присутствующие в атмосферном воздухе радикалы ОН, озон, диоксид азота. В индустриальных районах основной источник диоксида серы – сжигание топлива; мощность этого источника – 88 Тг/год. До 1950 года основным топливом был уголь и концентрация SO2 превышала 100 ppb (1 ppb соответствует 1 части на миллиард). Сейчас уголь во многих случаях заменен на газ, и концентрация диоксида серы снизилась в индустриальных районах до 10 ppb, в неиндустриальных районах она составляет в среднем 3,5–4 ppb. Зимой содержание диоксида серы в воздухе повышается, a летом уменьшается, что связано с ростом потребления горючего зимой. Антропогенными источниками диоксида серы являются также производство и очистка цветных металлов (10,7 Тг/год по S), производство серной кислоты и бумаги (1,6 Тг/год). К антропогенному источнику следует также отнести горение биомассы, что дает 2,2–2,8 Тг/год. Зависимость концентрации диоксида серы в атмосфере над континентами от высоты такова: сначала она растет; на высотах 200–300 м она выше, чем на 3 м, затем до высот 5–6 км концентрация уменьшается, a далее становится постоянной на уровне вблизи 0,1 ppb. Над океанами концентрация диоксида серы постоянна по высоте в интервале 0–13 км и близка к величине 0,1 ppb.
В атмосфере частицы NO и NO2 находятся в фотохимическом равновесии, поэтому довольно часто, особенно при решении практических задач, рассматривают сумму концентраций этих оксидов, обозначая ее через NOх. Содержание оксидов азота над океанами довольно изменчиво и составляет для NO2 20–300 ppt, для NO 0–40 ppt. Над континентами количество NOх на один-два порядка больше, так как появление NO2 связано главным образом с антропогенными источниками. С ростом высоты концентрация NOх в атмосфере резко падает: на каждые два километра примерно в десять раз. Летом концентрация NO2 над континентами уменьшается примерно в два раза. Основные источники NOх расположены на континентах и носят антропогенный характер: прежде всего это сжигание топлива и биомассы. Реализуются два пути образования NOх при горении: первый в результате высокотемпературных реакций между азотом и кислородом воздуха, а второй за счет азота в составе топлива. В первом случае NOх называется термическим, во втором – топливным. Образование термического оксида NOх существенно зависит от температуры процесса. Образование NOх за счет содержания азота в топливе сильно зависит от топлива: в газе, используемом для топлива, азот практически отсутствует, а в тяжелых топливах (солярка, уголь) его содержание может достигать 0,5–3%. Образование топливного NOх практически не зависит от температуры горения.
Из органических соединений в атмосфере присутствует метан с концентрацией 1,8 ppm; концентрации других углеводородов, например этана, на три порядка ниже. Поток метана в атмосферу в существенной степени носит антропогенный характер и равен около 500 Тг/год. Большое количество органических непредельных соединений выделяется зелеными растениями. Поток изопрена в атмосферу, по некоторым оценкам, достигает 830 Тг/год. Основная масса этих соединений выделяется в тропиках. Поток терпенов составляет около 200–400 Тг/год. Окисление непредельных соединений в атмосфере озоном и радикалами ОН приводит к образованию органических кислот. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ КИСЛОТ В АТМОСФЕРЕ В образовании серной кислоты из диоксида серы в атмосфере участвуют радикалы ОН, которые присутствуют в атмосфере со среднеглобальной и среднегодовой концентрацией около 5 ⋅ 105 –1 ⋅ 106 частиц в 1 см3. Радикалы ОН образуются в атмосфере за счет фотолиза озона в ультрафиолетовом свете в присутствии паров воды. Реакции, ведущие к образованию серной кислоты, таковы: ОН + SO2 → HSO3, HSO3 + О2 → SO3 + HО2, SO3 + H2О → H2SO4. В дальнейшем серная кислота либо выпадает на поверхность Земли, либо дает соли, реагируя главным образом с аммиаком. Соли обычно выводятся из атмосферы вместе с дождями или за счет гравитационного оседания. Механизм обеспечивает вывод диоксида серы из атмосферы примерно за 12 дней. Другой механизм образования серной кислоты связан с окислением диоксида серы в облачных каплях, протекающим также за счет радикала ОН. В этом случае в процессе участвуют частицы и в роли окислителя выступает кислород, и процесс может носить цепной характер, особенно в урбанизированных районах, где концентрация диоксида серы велика: OH + HSO3 − → H2O + SO3 −, SO3 − + O2 → SO5 –, SO5 − + HSO3 −→ HSO5 − + SO3 −. Образующийся в последней реакции ион-радикал опять вступает в реакцию с кислородом, что и обеспечивает протекание цепных процессов. Наряду с этим процесс окисления диоксида серы в каплях катализируется ионами железа, а одновременное присутствие ионов марганца существенно ускоряет процесс окисления. Третий механизм окисления диоксида серы кислородом имеет каталитическую природу. Катализ осуществляется на поверхности аэрозольных частиц, прежде всего сажи. Указанные механизмы обеспечивают выведение диоксида серы из атмосферы за два–четыре дня. Образование азотной кислоты происходит в атмосфере двумя основными путями. Первый путь – реакция радикала ОН с NO2: ОН + NO2 → НNO3 Эта реакция происходит днем, так как радикал ОН присутствует в атмосфере в большой концентрации только в дневное время. Существует также и “ночной” механизм образования азотной кислоты, идущий через реакцию NO2 с озоном с образованием радикала NO3: NO2 + O3 → NO3 + O2, NO3 + NO2 → N2O5, N2O5 + H2О → 2НNO3. Первая реакция в схеме происходит и днем, но только радикал NO3 очень быстро разлагается солнечным светом, и в дневное время механизм несуществен. Муравьиная и уксусная кислоты возникают в результате окисления органических соединений в атмосфере. КИСЛОТНОСТЬ ОСАДКОВ Образующиеся в атмосфере кислоты входят в состав туманов, облачных капель и дождевых капель. Ниже приведены значения рН и концентраций некоторых других примесей в этих природных образованиях.
Такое распределение можно объяснить следующим образом. Концентрация примесей у поверхности Земли наибольшая, и поэтому в туманах наибольшая концентрация примесей и кислот. На высоте нескольких километров, где существуют облачные капли, концентрация примесей в атмосфере существенно меньше, чем у поверхности. При образовании дождя происходит разбавление облачных капель и соответственно концентрация примесей и кислот еще сильнее понижается. Таким образом, для сельского хозяйства и огородов более пагубны туманы, так как они обычно холодные и содержат больше примесей по сравнению с дождевой водой. Образовавшиеся кислоты выводятся из атмосферы с дождями примерно семь суток. При этом кислоты попадают в озера, на растительность, почву и различные объекты человеческой деятельности (здания, памятники и т.д.). Наиболее низкие значения рН дождевой воды наблюдаются в Западной Европе и США. В этих регионах в зависимости от характера антропогенных выбросов в осадках может преобладать либо серная, либо азотная кислота. На территории России ситуация более благоприятная: в среднем величины рН близки к 5,5, а в южных районах Западной и Восточной Сибири средние значения вблизи 6. ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
В пресноводных озерах, ручьях и прудах вода обычно имеет рН = 6—7, и живые организмы в этих водоемах адаптированы именно к этому уровню кислотности. Значение рН водной среды чрезвычайно важно, поскольку от него зависит деятельность ферментов, гормонов, регулирующих метаболизм, рост и развитие организмов. Взрослая рыба менее чувствительна к изменению рН среды, чем молодь, так как метаболизм поддерживает внутренний рН на должном уровне, а кожа обеспечивает более или менее надежную защиту от нарушений. Ученые считают, что сокращение численности рыб происходит в основном не из-за гибели взрослой рыбы, а из-за того, что кислые воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способны выметывать икру в кислой воде. Но если даже они и отложили икру, то из-за повышения кислотности воды либо она гибнет, либо погибнут мальки. При изменении реакции воды всего лишь на одну единицу рН, т. е. при увеличении кислотности в 10 раз по сравнению с оптимальной, мальки в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и часто погибают. В результате в водоемах с кислой водой встречается не молодь, а только взрослые особи. Подкисление водоемов усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму в почве кислотные осадки вымываются талыми водами в водоемы. По времени это совпадает с началом нереста у рыб. Таким образом, вымеченная икра оказывается в кислой воде и погибает. При рН меньше 4,5 бурно развиваются кислотолюбивые мхи, грибы и нитчатые водоросли, развивается белый мох сфагнум (в обычных условиях — обитатель суши), водоем начинает заболачиваться. При таком понижении рН в озерах вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода. Кислотные осадки оказывают на рыб не только прямое воздействие, но и косвенное — за счет вымывания алюминия и тяжелых металлов из почвы и донных отложений. Под действием кислот эти металлы переходят из нерастворимых соединений в растворимые, становятся доступными для живых организмов, поглощаются ими, производя токсическое действие. Отмечая пагубное действие кислотных осадков на водные экосистемы, следует добавить, что не все озера одинаково чувствительны к ним. Чувствительность озер к кислотным дождям определяется химическим составом подстилающих пород и почвы на водоразделах и берегах. Если в них присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция), то такие озера «сопротивляются» закислению воды, поскольку карбонаты нейтрализуют кислоту: СаСО3 + 2Н+ → Са2+ + СО2 + Н2 О. Карбонат кальция играет роль буфера, поддерживает постоянным значение рН. Аналогичное действие производит и карбонат магния MgCO3. Однако возможности любого буфера ограничены. Известняк, например, расходуется, реагируя с кислотами, т. е. его буферная емкость уменьшается. Если она будет исчерпана, то дополнительные ионы водорода останутся в растворе и произойдет соответствующее понижение рН среды. При истощении буферной емкости добавление даже небольшого количества кислот вызовет резкое уменьшение рН.
Почвенные и наземные экосистемы, в частности растения, также страдают от воздействия кислотных осадков. Почвы, возникшие на осадочных породах, например карбонатных минералах, и почвы, богатые органическими веществами (гумусом), способны нейтрализовать кислотные дожди. Основными свойствами черноземов являются богатство гумусом и элементами питания (N, Р, К и др.) растений, отсутствие в почве легкорастворимых солей и наличие в профиле карбонатов, а также благоприятные физические свойства. Почвы, образованные на гранитах и гнейсах, практически не растворимых в воде, очень чувствительны к кислотным осадкам и легко становятся закисленными. Из таких почв кислотные дожди легко выщелачивают небольшое количество минеральных питательных веществ, тем самым уменьшая их плодородие и как результат отрицательно воздействуя на растения. Три основных пути воздействия кислотных осадков на растения. а) Непосредственное воздействие (прямой контакт) с растением. Кислоты нарушают поверхность растений, в частности защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для вредных насекомых, грибов и других патогенных организмов. б) Вытеснение ионов биогенных элементов из почвы (выщелачивание биогенов). Кислотные осадки вымывают ионы биогенных элементов из почвы. Частички гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие положительные биогенные ионы, как К+, NH4+, Ca2+. При просачивании через почву нейтрального водного раствора эти ионы удерживаются частицами почвы и не вымываются. Однако при поступлении в почву кислотного дождя биогенные ионы вытесняются ионами Н+. в) Перевод токсичных металлов из нерастворимых соединений в растворимые (мобилизация алюминия и других элементов). Алюминий и тяжелые металлы под действием кислот, содержащихся в атмосферных осадках, переходят из нерастворимых форм в растворимые. При повышении кислотности происходит растворение соединений алюминия, переход алюминия в раствор. Этот процесс называется мобилизацией алюминия. Образующиеся соединения обладают токсичностью для корневой системы, они разрушают корневые волоски, которые в конечном итоге отмирают. Тяжелые металлы, например свинец и ртуть, тоже могут переходить в растворимые соединения при подкислении среды. В результате действия даже одного из названных факторов происходит деградация или гибель дикорастущих растений, снижается продуктивность сельскохозяйственных растений. Кислотные осадки влияют также на кустарниковую и древесную растительность. Разрушение лесной экосистемы ведет к эрозии почвы, засорению водоемов, наводнениям, уменьшению запасов воды, гибели диких животных. Изменяется видовой состав лесной растительности. Из-за кислотности дождей страдают не только леса, но и сельскохозяйственные культуры. В них также разрушается хлорофилл, затрудняется процесс фотосинтеза, изменяется обмен веществ. У растений повреждаются покровные ткани, нарушаются рост и развитие, уменьшается сопротивляемость болезням и вредителям, снижается урожайность.
Отрицательное воздействие кислотных дождей на человека проявляется, прежде всего, через ухудшение качества жизни. Наносимый различным экосистемам экономический, экологический и эстетический ущерб приносит вред и человеку. Примером экономического ущерба является исчезновение рыбы в некоторых озерах, реках и прудах. Особенно значительный экономический ущерб отмечается при исчезновении ценных промысловых рыб в регионах, где рыба является основным продуктом питания и предметом торговли. Исчезновение ценных пород деревьев, замена их низкорослыми растениями также приводит к экономическому ущербу. Подкисление водоемов вызывает загрязнение их ионами алюминия и тяжелых металлов. Может произойти загрязнение этими металлами как поверхностных, так и грунтовых вод, являющихся источниками питьевой воды. Деградирующие леса, гибнущие озера, разрушающиеся памятники культуры — это большие эстетические потери для человечества, а также фактор негативного воздействия на эмоционально-психологическое состояние людей. МЕРЫ ЗАЩИТЫ БИОСФЕРЫ ОТ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ Кислотные дожди наносят значительный ущерб всем объектам окружающей среды. Поэтому, прежде всего, необходимы меры, позволяющие резко снизить выбросы в атмосферу сернистого газа и оксидов азота, так как именно они являются причиной образования кислотных дождей. В первую очередь надо резко снизить выбросы в атмосферу сернистого газа, так как серная кислота примерно на 70% обусловливает кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места выбросов. Одним из путей уменьшения содержания SO2 в выбросах является обессеривание топлива. Уголь можно очищать от серы методом промывки водой. Для этого уголь необходимо предварительно измельчить, просеять через сито, а затем промыть водой. При этом сера отделяется от частиц угля в результате седиментации пирита FeS2 вследствие его относительно большой плотности. Эта мера позволяет удалить из угля 25—50% содержащейся в нем серы, однако полного отделения серы от угля таким методом достичь не удается. Нефть и нефтепродукты можно гидрировать при высоких температурах и под большим давлением в присутствии катализатора, при этом сера переходит в H2S. При охлаждении реакционной смеси сероводород остается в газовой фазе, т. е. может быть отделен от топлива. Природный газ обычно не содержит серы. Если же в нем присутствует сероводород, то его можно удалять методом промывки водой, в которой сероводород растворяется. Уменьшения выбросов сернистого газа можно достичь заменой угля низкосернистыми нефтью и природным газом. Используемые на практике способы обессеривания не позволяют полностью удалить из топлива серу. Кроме того, при сгорании топлива из азота воздуха получаются еще и оксиды азота, т. е. образующиеся газы необходимо подвергать очистке. Таких методов очистки газов предложено достаточно много в зависимости от вида топлива. Они значительно различаются по эффективности. 1. Аммиачный метод скрубберной (мокрой) очистки. По этому методу к поточному газу добавляют аммиак. В установке для промывки газа SO2, NH3 и вода превращаются в сульфат аммония: 4NH3 + 2SO2 + 2Н2О + О2 → 2(NH4)2SO4. Образующийся сульфат аммония можно использовать в качестве удобрения. 2. Известковый метод скрубберной (мокрой) очистки. Газ, предварительно очищенный от пыли, поступает в скруббер с известковым молоком: SO2 + Са(ОН)2 + Н2О → CaSO3 + 2Н2О. известковое молоко Образующийся в скруббере CaSO3 в дальнейшем под воздействием SO2, Ca(OH)2 и кислорода воздуха переходит в сульфат кальция через промежуточную реакцию образования гидросульфита кальция. Этот метод скрубберной (мокрой) очистки топочных газов позволяет снизить содержание серы в отходящих газах на 95%. 3. Сульфитный метод мокрой очистки. В отличие от предыдущего метода газ пропускают не через известковый раствор, а через нагретый раствор сульфита кальция. При этом образуется соответствующий гидросульфит. После охлаждения из раствора гидросульфита можно вновь выделить SO2 и использовать его для производства серной кислоты. Кроме того, из гидросульфита и Са(ОН)2 при окислении воздухом можно получить сульфат кальция, как в предыдущем методе. Вместе с SO2 в раствор сульфита переходят галогены и следы тяжелых металлов. После удаления SO2 раствор сульфита можно использовать повторно до тех пор, пока он не обогатится достаточно загрязнениями. Оксиды азота в этом методе не отделяются. 4. Известняковый метод сухой очистки. Измельченный уголь перемешивается с пылью известняка (СаСО3), и эта смесь подается в камеру сгорания. После сжигания из известняка, сернистого газа и кислорода воздуха образуется сульфат кальция: 2СаСО3 + 2SO2 + О2 → 2CaSO4 + 2СО2. Вместо известняка можно использовать негашеную известь СаО: 2СаО + 2SO2 + О2 → 2CaSO4. Этот метод требует небольших затрат, технически прост, однако недостаточно эффективен, так как позволяет связывать только 50% SO2 топочных газов. Полученный сульфат кальция загрязнен золой, это затрудняет его использование. 5. Сухой метод очистки отходящих газов при сжигании топлива в «кипящем слое». Смесь угля и известняковой пыли, как и в методе 4, подается в камеру сгорания. За счет энергии подогретого воздуха, одновременно подаваемого снизу камеры, смесь находится во взвешенном состоянии, т. е. весь процесс сгорания протекает в «кипящем слое». При этом происходят те же химические реакции, что и в предыдущем методе 4. Преимущество этого метода состоит в том, что принцип «кипящего слоя» позволяет вести сжигание при температуре 800—900 °С. При этом на 50% сокращается процесс образования оксидов азота в отличие от методов, которые проводятся при температуре выше 1000 °С. Данный метод является высокоэффективным, он позволяет удалять из отходящих газов до 90% серы. Чрезвычайно интенсивное перемешивание угля и известняковой пыли дает возможность наряду с серой отделять и галогены. 6. Адсорбционный метод с применением активированного угля или кокса. Для улавливания SO2, содержащегося в отходящих газах горения топлива и некоторых металлургических производств, можно использовать углеродные пористые вещества (активированный уголь или кокс). При этом адсорбируются сернистый газ, галогены и тяжелые металлы. После исчерпания адсорбционной емкости активированный кокс перемешивают с горячим песком для извлечения SO2 и галогенов. Кокс после десорбции вновь используют для очистки газов. Сернистый газ можно в дальнейшем использовать для производства серной кислоты и других химических синтезов. 7. Получение из сернистого газа серы. Из SO2 отходящих газов можно получать и серу (простое вещество), для чего к отходящим газам в стехиометрическом отношении к SO2 требуется добавить сероводород. При этом SO2 восстанавливается с образованием серы: 2H2S + SO2 → 3S + 2H2 + Q |