Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу

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_XH_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:

2SO₂ + 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.