|
|
влияние на окружающую среду оксидов серы и углрода. оксиды серы и углерода. Основные источники поступления и извлечение
Введение
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземной атмосферы – самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду. Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.
Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.
Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная положительная связь.
Основные источники поступления и извлечение
Характеристика оксидов углерода
Углекислый газ (СО2) образуется в результате сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть, природный газ, искусственного и синтетического топлива и биомассы (древесина). Это основная компонента (из числа трехатомних газов), что ведет к «парниковому эффекту». В результате неполного сгорания топлива выделяется также монооксид углерода СО – токсичный газ, который вредно влияет на сердечно-сосудистую систему человека.
Монооксид углерода входит в состав атмосферы (10%). В атмосферу оксид углерода попадает в составе вулканических и болотных газов, в результате лесных и степных пожаров, выделения микроорганизмами, растениями, животными и человеком. Из поверхностных слоев океанов в год выделяется 220*106 тонн оксида углерода в результате фоторазложения красных, сине-зеленых и др. водорослей, продуктов жизнедеятельности планктона. Естественный уровень содержания оксида углерода в атмосферном воздухе – 0,01-0,9 мг/м3.
Угарный газ попадает в атмосферу от промышленных предприятий, в первую очередь металлургии. В металлургических процессах при выплавке 1 млн. тонн стали образуется 320-400 тонн оксида углерода. Большое количество СО образуется в нефтяной промышленности и на химических предприятиях (крекинг нефти, производство формалина, углеводородов, аммиака и др.). Еще одним немаловажным источником оксида углерода является табачный дым. Высока концентрация оксида углерода в угольных шахтах, на углеподающих трассах. Оксид углерода образуется при неполном сгорании топлива в печах и двигателях внутреннего сгорания. Важным источником оксида углерода является автомобильный транспорт.
В результате деятельности человека в атмосферу ежегодно поступает 350-600*106 тонн угарного газа. Около 56-62% этого количества приходится на долю автотранспорта (содержание оксида углерода в выхлопных газах может достигать величины 12%).
Характеристика оксидов серы
Сернистый ангидрид (SO2) выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.
Серный ангидрид (SO3) образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида
В нормальных условиях диоксид серы – бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). Растворимость газа в воде – достаточно велика.
К природным (естественным) источникам диоксида серы относят вулканы, лесные пожары, морская пена и микробиологические превращения серосодержащих соединений.
Диоксид серы антропогенного происхождения образуется при сгорании угля и нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд (сульфиды), при различных химических технологических процессах. Большая часть антропогенных выбросов диоксида серы (около 87%) связана с энергетикой и металлургической промышленностью. Общее количество антропогенного диоксида серы, выбрасываемое за год превышает его естественное образование в 20-30 раз.
Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т.
Время пребывания диоксида серы в атмосфере в среднем исчисляется двумя неделями. Этого времени мало для того, чтобы газ мог распространиться в глобальном масштабе. Поэтому, в соседних географических районах, где осуществляются как большие, так и умеренные выбросы диоксида серы, в атмосфере может наблюдаться большое различие концентраций диоксида серы.
Легкорастворимый в воде, образующий кислоту газ, может разноситься мощными потоками воздуха на сотни километров (до 1500 км). При этом в облаках идет реакция образования кислот и возможно выпадение кислотных дождей.
Во время переноса диоксида серы и другие кислотные выбросы лишь в очень малой степени теряют свою активность. Нейтрализация происходит только в том случае, если в воздухе одновременно с диоксидом серы находится пыль, содержащая гидроксиды щелочных и щелочноземельных элементов. Атмосфера очищается, главным образом, при вымывании кислых газов водой и снегом, а также при их «сухом» осаждении, т.е. в виде самого газа или адсорбированного на мельчайших частицах пыли. Кроме того, диоксид серы растворяется в мельчайших капельках тумана, которые после осаждения также относят к сухой части загрязнений.
Сухая часть загрязнений обычно выпадает либо в непосредственной близости от источника выбросов, либо на незначительном удалении от него. При длительном переносе воздухом в основном выпадает связанная водой часть выбросов.
В атмосфере диоксид серы претерпевает ряд химических превращений, важнейшие из них – окисление и образование кислоты.
Окисление может проходить разными путями и в силу разных причин. Например, УФ-излучение может перевести молекулу диоксида серы в возбужденное состояние, при длине волны менее 320 нм – в синглетное возбужденное состояние, при длине волны 320-390 нм в триплетное. Молекулы диоксида серы, находящиеся в триплетном состоянии, реагируют с кислородом воздуха и через радикалы SO42- превращаются в молекулы SO3.
Большее значение все же имеет окисление с помощью радикалов ОН-. При этом возможна и реакция с озоном:
SO2 + О3 = SO3 + О2
Во влажной атмосфере образуется серная кислота.
В насыщенной парами воды фазе, например, в облаках, диоксид серы сначала образует сернистую кислоту, которая с озоном и пероксидом водорода дает серную кислоту:
Н2SО3- + О3 → SО42- + Н++ О2
НSО3- + Н2О2 → SО42- + Н++ Н2О
Реакционный пероксид водорода может образоваться из органических пероксидов во влажном воздухе.
Как диоксид серы, так и НSО3- в несколько промежуточных стадий могут превратиться в серную кислоту с помощью ионов металлов, которые могут присутствовать в воздухе, а также в облаках.
Сернистый газ с водой воздуха образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислоты могут долго держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю, серная кислота подкисляет почвы. В результате этого сокращается почвенная фауна, что отрицательно сказывается на урожае.
Извлечение оксидов серы и углерода из атмосферы
На начало ХХI века для снижения вредного воздействия уходящих и выхлопных газов на окружающую воздушную среду разработаны и используются следующие мероприятия:
установка фильтров и катализаторов на дымовых и выхлопных трубах;
применение горелок со сниженными оксидами азота (NOx);
двухстадийное сжигание топлива;
рециркуляция дымовых (выхлопных, отработавших, уходящих) газов;
ввод в зону горения воды или водяного пара;
ввод присадок в топливо или в зону горения;
химические методы очистки уходящих газов.
К сожалению, используемые сегодня указанные мероприятия воздействуют в основном на следствие, не устраняя причины возникновения загрязнителей. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время реализованы мероприятия, устраняющие и часть причин образования вредных газов. Например, сжигание более экологически чистых видов углеводородного топлива (биологического топлива, водо-топливных аэрозолей, эмульсий и суспензий, жидко-топливных и предварительно очищенных пылеугольных смесей). Однако, по мнению авторов, этих мероприятий явно недостаточно, поскольку на сегодняшний день используемые топливные системы, реализующие технологический цикл подготовки этих топлив к сжиганию, физически и морально устарели и достигли своего функционального и конструктивного предела.
Влияние загрязнителей на климатические и метеорологические условия
Влияние оксида углерода (II) на состояние окружающей среды происходит косвенно. Сам по себе газ не обладает сильным парниковым эффектом, но в ходе реакций с ОН- в атмосфере образует более сильный парниковый газ – углекислый. Это, в свою очередь, увеличивает концентрацию метана, другого сильного парниковый газа.
Также климат подвергается изменению при сжигании топлива, в процессе которого в атмосферу выделяется водяной пар. Топливно-энергетический комплекс планеты постоянно увеличивается, а это подразумевает увеличение количества вредных выбросов в атмосферу.
Данные явления приводят к повышению температуры Земли и ее атмосферы, чего допустить категорически нельзя, так как есть допустимый предел потепления. Но по расчетам ученых прямым нагреванием невозможно достигнуть данный предел потепления, гораздо более опасным является тот факт, что тепловая энергия, которая выделяется в атмосферу, в некоторых регионах очень большая. Например, в Японии тепловая нагрузка составляет около 5-6 Вт на квадратный метр. Размер этой страны эквивалентен размеру воздушных масс, определяющих погоду. В результате этого на планете может произойти масштабное перераспределение энергии, так как изменится динамика атмосферного воздуха.
Учёные рассчитали, к чему приведет сильное рассредоточение источников энергии: при повышении хотя бы в 10 раз тепловых выбросов произойдет существенное изменение климатического режима. Уже через 1,5 месяца такой тепловой эффект распространится на все северное полушарие. По данным расчетам, возможно повышение даже средней глобальной температуры, так как происходит увеличение парникового эффекта из-за увеличения объема водяного пара в атмосфере.
В результате научно-технического прогресса происходит изменение количества диоксида углерода в атмосфере. Во время сжигания топлива в атмосферу выбрасывается примерно 5 млрд т углерода ежегодно. Помимо этого, человек влияет на гидросферу и биосферу, изменяя количество диоксида углерода, поступающего в атмосферу.
С развитием индустриального общества объемы диоксида углерода в атмосфере постоянно увеличивается. При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается в 2,5 раза больше углерода, чем количество углерода, поступающее из биосферы. Скорость газообмена в системе «атмосфера-биосфера-Мировой океан» напрямую зависима от климата. Например, диоксид углерода более эффективно улетучивается из теплых вод океана, чем из холодных, однако гораздо лучше углекислый газ переходит из атмосферы в холодную воду.
Проанализировав вышесказанное, можно реалистично оценить последствия роста концентрации диоксида углерода в атмосфере. Наибольшую опасность представляет чрезмерный нагрев атмосферы из-за увеличения объема диоксида углерода. Таким образом, изменение концентрации диоксида углерода приведет к изменению температуры, а значит, подвергнется изменению и режим осадков и испарения, ожидаемо потепление климата, в результате чего произойдет таяние ледников и возникнет нестабильность ледяного покрова. Как следствие, нарушится циркуляция атмосферы и океана: где-то будут чаще проноситься смерчи, а где-то будет больше засушливых дней. Немало важно и то, что при потеплении климата произойдет потепление океана, следовательно увеличится поток диоксида углерода из океана в атмосферу, и произойдет усиление парникового эффекта. Если растают льды континента, то произойдет повышение уровня Мирового океана, как следствие – затопление сотен портов, низменных плодородных земель и так далее.
Диоксид серы в большом количестве образуется при сжигании богатого серой горючего, например угля и мазута (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%). Другими источниками являются электростанции (40% антропогенного поступления в атмосферу), металлургическое производство, различные химические технологические процессы и ряд машиностроительных предприятий.
В атмосфере диоксид серы в результате фотохимического окисления частично превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3:
2SO2 + O2 = 2SO3
Основная часть выбрасываемого диоксида серы при достаточной атмосферной влажности образует кислотный полигидрат SО2•nH2O, или сернистую кислоту:
SO2 + H2O = H2SO3
Аэрозоли серной и сернистой кислот считаются основной причиной выпадения кислотных осадков.
В нашей стране проблема кислотных дождей впервые была поднята только в конце 1980-х годов, а первые попытки ее решения начались в 1990-х годах.
В последние годы среднегодовые фоновые концентрации диоксида серы над территорией России оставались на низком уровне – около 0,3 мкг/м3, несколько увеличиваясь в холодный период года (в среднем около 2,5 мкг/м3).
Следует отметить, что главную опасность для естественных и искусственных экосистем представляют не столько сами кислотные осадки, сколько процессы, протекающие в результате закисления окружающей среды. Выпадение кислотных осадков приводит к выщелачиванию из почвы жизненно необходимых растениям питательных веществ, а также токсичных тяжелых и легких металлов, таких как свинец, кадмий и др. Такие металлы и их токсичные соединения активно усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что и приводит к негативным последствиям. При повышенной кислотности почв из верхних горизонтов выносится обменный кальций, магний и другие элементы, активируются обменные процессы между абиотической и биотической частями экосистемы. В частности связанное с кислотными осадками увеличение поглощения деревьями алюминия приводит к выраженному снижению прироста древесины. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации и фотосинтеза.
В целом, можно заключить, что воздействие кислотных осадков на лесные биоценозы носит комплексный характер, затрагивая, в первую очередь, почвы и растительность (рис. 1).
Почвенное подкисление считается одним из негативных факторов, приводящих к деградации лесов умеренной зоны северного полушария. При этом эффект может проявляться спустя длительное время после выпадения кислотных осадков.
Рис. 1 – Влияние кислотных дождей на почву и растительность
Роль парниковых газов
В результате сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. Природный запас СО2 в атмосфере составляет величину порядка 50 000 млрд т. Эта величина колеблется и зависит, в частности, от вулканической активности. Однако антропогенные выбросы углекислого газа превышают естественные и составляют в настоящее время большую долю его общего количества. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом количества аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химических соединений), может привести к заметным изменениям климата и соответственно к нарушению складывавшихся в течение миллионов лет равновесных связей в биосфере.
Итогом нарушения прозрачности атмосферы, а следовательно, и теплового баланса может явиться возникновение «парникового эффекта», то есть увеличения средней температуры атмосферы на несколько градусов. Это способно вызвать таяние ледников полярных областей, повышение уровня Мирового океана, изменение его солености, температуры, глобальные нарушения климата, затопление прибрежных низменностей и многие другие неблагоприятные последствия.
Выброс в атмосферу промышленных газов, включающих такие соединения, как окись углерода СО (угарный газ), окислы азота, серы, аммиака и других загрязнителей, приводит к угнетению жизнедеятельности растений и животных, нарушениям обменных процессов, к отравлению и гибели живых организмов. По новейшим данным ученых, за 80-е гг. средняя температура воздуха в северном полушарии повысилась по сравнению с концом XIX в. на 0,5-0,6 °С. По прогнозам, к началу 2000 г. средняя температура на планете может повыситься на 1,2 °С по сравнению с доиндустриальной эпохой. Ученые связывают такое повышение температуры в первую очередь с увеличением содержания углекислого газа (диоксида углерода) и аэрозолей в атмосфере. Это приводит к чрезмерному поглощению воздухом теплового излучения Земли. Очевидно, определенную роль в создании так называемого «парникового эффекта» играет и тепло, выделяющееся от ТЭЦ и АЭС.
Потепление климата может привести .к интенсивному таянию ледников и повышению уровня Мирового океана. Изменения, которые могут произойти вследствие этого, просто трудно предсказать.
Решить данную проблему было бы можно, сократив выбросы углекислого газа в атмосферу и установив равновесие в цикле круговорота углерода.
Влияние аэрозолей
Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.
К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2 ) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3°С . Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.
Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах: от 10 мг/м3 в чистой атмосфере до 2.10 мг/м3 в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах с интенсивным автомобильным движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м3 для незаселенных районов до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно выше – от 0,001 до 0,03 мг/м3 .
Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения озонового слоя. Непосредственно в стратосферу аэрозоли поступают с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.
Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4 – 5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20%.
Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.
Заключение
В наше время во всем мире атмосферный воздух загрязняется вредными веществами. К сожалению, человек сам создает себе то, что его убивает. Например, автомобиль, его выхлопные газы содержат свинец и другие, вредные для здоровья человека вещества. В больших количествах эти вещества осаждаются на землю возле автострад и шоссе. Нельзя собирать грибы, полезные травы, ягоды менее 100м. от дороги, т.к. все растения впитывают в себя ядовитые вещества.
В городах воздух очень сильно загрязняют вредные выбросы промышленных предприятий.
Существуют нормы ПДК (предельно допустимых концентраций) веществ в воздухе. За этим должны следить специальные органы (лаборатория загрязнения окружающей среды) и принимать какие-либо меры: от штрафа до закрытия предприятия.
Список литературы
Кукин П.П. Безопасность технологических процессов и производств. Охрана труда./П.П. Кукин, В.Л. Лапин.– М.: Высшая школа, 1999.
Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности./С.В. Белов, А.В. Ильницкая.– М.: Высшая школа, 1999
Шкрабак В.С. Безопасность жизнедеятельности в сельскохозяйственном производстве./В.С. Шкрабак, А.В. Луковников, А.К. Тургиев.– М.: Колос, 2002
Николаев Н.С. Гражданская оборона на объектах агропромышленного комплекса./Н.С. Николаев, И.М. Дмитриев.– М.: Агропромиздат, 1990.
Боровский Е.Э. Кислотные дожди // ECOTECO, № 6. – Электронный журнал. – URL: http://www.ecoteco.ru/library/magazine/zhurnal-111/ekologiya/kislotnye-dozhdi/.
Дубровин Т., Дубровин Е. «Кислота с неба» // Энергетика и промышленность России. – 2008, № 20. – URL: http://www.eprussia.ru/epr/112/8772.htm.
Зиганшин Р.А., Воронин В.И., Карбаинов Ю.М. Мониторинг лесных экосистем Таймыра // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2011. № 8. С. 117-123.
|
|
|
Скачать 145.65 Kb.