Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков
Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время внимание мировой общественности все чаще
привлекает проблема антропогенного загрязнения окружающей среды.
Такое внимание к проблеме можно объяснить по-разному, но наиболее
правдоподобным объяснением, на мой взгляд, является то, что эта
проблема действительно существует и представляет реальную угрозу
для жизни человека и вообще всех живых организмов. Нельзя не
принимать во внимание и то, что загрязнение окружающей среды
наносит огромный ущерб экономике различных государств. На борьбу с
загрязнением окружающей среды ежегодно тратятся огромные суммы,
однако, в большинстве случаях, и их недостаточно для того, чтобы
принципиально что-либо изменить. Именно актуальностью поставленной
проблемы обусловлен выбор темы этой работы.
Конечно, в пределах одной работы невозможно полностью рассмотреть
проблему загрязнения окружающей среды. Эту проблему вряд ли вообще
можно рассмотреть полностью. Поэтому здесь будет рассмотрено
загрязнение лишь одной части окружающей среды, а именно атмосферы.
Атмосфера, как часть окружающей среды также была выбрана не
случайно. Ведь воздух, окружающий нас, является частью атмосферы.
Как известно, человек не может прожить без воздуха и пяти минут.
Таким образом, с последствиями загрязнения атмосферы сталкивается
абсолютно каждый, поэтому эта проблема будет актуальна всегда и для
всех людей.
Стоит особо отметить, что, останавливая свой выбор на загрязнении
атмосферы, я не отрицаю опасность загрязнения других частей
окружающей среды, загрязнение которых не будет рассмотрено в рамках
этой работы.
Целью этой работы является подробное рассмотрение проблемы
загрязнения атмосферы. При этом загрязнение представлено как
совокупность загрязнителей, поэтому рассмотрение проблемы сводится
к рассмотрению основных загрязнителей и их влияния на окружающую
среду и здоровье человека. Раскрытие проблемы нельзя считать
полным, если не указать методы борьбы с загрязнением атмосферы. Эти
методы также нашли отражение в конце теоретической части работы.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
(ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ)
§1. Состав атмосферного воздуха и слои атмосферы.
Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая землю. Чистый сухой
атмосферный воздух на 99% состоит из газообразных азота и
кислорода. Однако чистый воздух содержит еще несколько компонентов,
которые, хотя и присутствуют лишь в незначительных количествах,
играют весьма важную роль. Первый из этих компонентов – двуокись
углерода (углекислый газ), оказывающая сильное влияние на
температуру земной атмосферы. Другой компонент – озон. Важным
компонентом воздуха является также водяной пар. Содержание водяного
пара колеблется от 0% по объему в сухом воздухе до примерно 4% во
влажном воздухе. Пылевые частицы как от промышленных, так и
природных источников (например, вулканов) также могут быть весьма
существенным компонентом воздуха, хотя обычно присутствуют в
относительно небольших количествах. Также в воздухе в очень
небольших количествах содержатся аргон и другие инертные газы.
Основные компоненты чистого сухого воздуха и их процентные доли
приведены в таблице 1.
Таблица 1. Компоненты чистого сухого воздуха.
|КОМПОНЕНТЫ | СОДЕРЖАНИЕ |
| |(ПО ОБЪЕМУ), % |
|Азот (N2) |78,08 |
|Кислород (O2) |20,94 |
|Аргон (Ar) |0,93 |
|Двуокись углерода (CO2) |0,03 |
|Озон (O3) |Менее 0,00005 |
Кислород, содержащийся в воздухе, жизненно необходим для дыхания
растений и животных. Озон обеспечивает защиту от ультрафиолетового
излучения Солнца, которое может быть губительно для жизни. Однако и
кислород, и озон не всегда входили в состав земной атмосферы.
Ученые считают, что 4,5 – 5 млрд. лет назад атмосфера Земли имела
состав, аналогичный составу вулканических выбросов, состоящих в
основном из водяного пара, двуокиси углерода и азота. В процессе
охлаждения первобытной Земли, когда ее кора постепенно
затвердевала, сильные дожди в основном вымыли из атмосферы
углекислый газ. Кислород, содержащийся ныне в атмосфере, имел
совершенно иной источник происхождения, а именно зеленые растения.
Под действием солнечных лучей из кислорода образовался озон.
Компоненты атмосферы далеко неравномерно распределены в ней.
Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон,
располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их
температуры.
Самый близкий к поверхности земли слой называется тропосферой. В
этом слое высотой 9 – 10 км в основном происходят все те явления,
которые мы именует погодой. Именно в этой части атмосферы
образуются все осадки в виде дождей, почти все облака и возникает
подавляющее число гроз и штормов. Выше располагается стратосфера
(около 40 км). Температура в этом слое сначала остается постоянной,
а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере
сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это
обстоятельство обуславливает такое повышение температуры. Озон
поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев
стратосферы. На высоте более 50 км начинается мезосфера – зона, где
температура опять понижается. Наконец, еще выше (более 80 км) над
земной поверхностью распложена термосфера, не имеющая определенной
верхней границы. В этой области температура вновь увеличивается с
высотой.
Наибольшее воздействие человек оказывает на нижние (находящиеся
ближе к Земле) слои атмосферы – тропосферу и стратосферу. Именно об
их загрязнении пойдет речь в следующих разделах.
§2. Основные загрязнители атмосферы.
Загрязнение, согласно принятому ООН определению, – это экзогенные
химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в
ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Однако по большому
счету загрязнителем может быть любой физический агент, химическое
вещество или биологический вид (в основном микроорганизмы),
попадающие в окружающую среду или образующиеся в ней в количествах
выше естественных. Под атмосферным загрязнением понимают
присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких
веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют
на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и
сооружения.
По происхождению загрязнения делят на природные, вызванные
естественными, часто аномальными процессами в природе, и
антропогенные, связанные с деятельностью человека. С развитием
производственной деятельности человека все большая доля в
загрязнении атмосферы приходится на антропогенные загрязнения.
Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на группы:
промышленные предприятия, транспорт, бытовое и коммунальное
хозяйства. Промышленные источники в свою очередь разделяются по
областям, а также по ингредиентам. Роль отдельных источников
загрязнения в России оценивается следующим образом:
теплоэлектростанции выбрасывают 27% общих поступлений загрязняющих
веществ в атмосферу, черная металлургия – 24%, цветная металлургия
– 10, нефтедобыча и нефтехимия – 15, автотранспорт – 13,
предприятия стройиндустрии – 8, химическая промышленность – 1%.
Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна
определяется, главным образом, видом сжигаемого топлива. Выбросы
электростанций, потребляющих уголь, составляют 139 млн. кг в год
оксидов серы, 21 млн. кг оксидов азота, 5 млн. кг твердых частиц.
Черная и цветная металлургия – следующий по интенсивности
источник загрязнения атмосферы. При выплавке чугуна и переработки
его на сталь в атмосферу выбрасываются соединения мышьяка, фосфора,
сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества.
Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы
сталеплавительных цехов. Преобладающая часть пыли мартеновских
печей состоит из триокиси железа и триокиси алюминия.
Воздушные выбросы нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и
нефтехимической промышленности содержат большое количество
углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в
атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах
происходит вследствие недостаточной герметизации оборудования.
В выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержатся окись
углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен
и некоторые другие загрязнители. Специалисты установили, что один
легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более
4 т кислорода, выбрасывая с отработанными газами примерно 800 кг
окиси углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных
углеводородов.
Производство цемента и строительных материалов также может быть
источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основные
технологические процессы их производства – измельчение и
термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках
горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.
Наконец, заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу
такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон,
изопрен и др.
После рассмотрения основных источников загрязнения обратимся к
характеристике загрязнений теми веществами, которые они выбрасывают
в атмосферу.
Загрязнение воздуха оксидами серы. Соединения серы поступают в
воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких,
как уголь и мазут.
Не все виды топлива содержат значительные количества серы. В
углях некоторых сортов содержится всего 0,5% серы, тогда как в
других – до 6%. Уголь широко используется в производстве стали, но
в первую очередь он применяется как топливо для получения пара и
последующего генерирования электрической энергии. Среднее
содержание серы в углях, идущих на получение электроэнергии,
составляет 2,5%.
При сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля
выделяется 25 тыс. тонн серы. Разумеется, эта сера выделяется не в
элементарной форме, а главным образом в виде сернистого газа –
двуокиси серы.
Сера также содержится в сырой нефти, однако ее содержание не
превышает 1%. При перегонке нефти большая часть серы из продуктов
перегонки, таких, как керосин и бензин, удаляется. Содержащие серу
отходы сжигаются в процессе перегонки. Вот почему керосин и бензин
делают лишь небольшой вклад в выбросы оксидов серы, попадающих в
атмосферу.
При перегонке нефти большая часть серы переходит в мазут – самую
тяжелую фракцию перегонки. В нем может содержаться от 0,5 до 5,0%
серы, хотя посредством дополнительных процедур перегонки содержание
серы в мазуте можно еще уменьшить.
В отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит
серы. С этой точки зрения газ является экологически чистым
топливом.
Таким образом, антропогенные источники выбросов в атмосферу
диоксида серы можно выразить следующей диаграммой:
Диаграмма 1.Источники выбросов в атмосферу диоксида серы, %
[pic]
При сжигании угля или нефти сера, содержащаяся в них, окисляется.
Далее, реагируя с водой, она образует серную кислоту. Таким
образом, оксиды серы являются одной из причин выпадения кислотных
осадков. Считается, также, что высокое содержание оксидов серы в
воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей и
даже рост смертности.
Загрязнение воздуха оксидами углерода. При неполном окислении
углерода образуется бесцветный, не имеющий запаха газ – окись
углерода (угарный газ). В городском воздухе окись углерода
содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель.
Однако, поскольку этот газ не имеет не цвета, ни запаха, наши
органы чувств не в состоянии обнаружить его.
Самым крупным источником окиси углерода в наших городах является
автотранспорт. Свыше 90% окиси углерода попадает в воздух
вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе.
Соответствующая реакция такова:
C + Ѕ O2 = CO.
Имеется и другой источник окиси углерода, с которым, правда,
сталкиваются только курящие люди и их ближайшее окружение – это
сигаретный дым.
Пагубное влияние окиси углерода на здоровье человека заключается
в ее способности связывать гемоглобин – белок крови, приносящий
кислород к тканям человеческого организма.
Содержание двуокиси углерода (углекислого газа) в атмосфере
увеличивается самыми разными путями. При вырубке лесов уничтожаются
деревья, которые усваивают углекислый газ в процессе фотосинтеза.
При производстве бетона из известняка образуется некоторое
количество CO2. Но наиболее существенная часть углекислого газа
образуется при сжигании топлива на воздухе. Установлено, что
количество углекислого газа в атмосфере с каждым годом
увеличивается.
Двуокись углерода в отличие от окиси не представляет прямой
угрозы здоровью человека. Однако чрезмерное поступление в атмосферу
углекислого газа грозит парниковым эффектом, последствием которого
станет глобальное повышение температуры.
Загрязнение воздуха оксидами азота. Окись азота может
образовываться в природе при лесных пожарах, однако высокие
концентрации оксидов азота в городах и в окрестностях промышленных
предприятий связаны с деятельностью человека. При
высокотемпературном сгорании ископаемых видов топлива происходит
реакции двух типов, в результате которых образуются оксиды азота. К
первому типу реакций относится реакция между кислородом воздуха и
азотом, содержащимся в топливе; при этом образуются оксиды азота. В
угле содержание азота обычно составляет около 1%. В нефти и газе –
всего лишь 0,2 – 0,3%; именно этот азот окисляется кислородом
воздуха.
Ко второму типу реакций относятся реакции между кислородом
воздуха и азотом, содержащимся в воздухе; при этом также образуются
оксиды азота. Поэтому, даже если в исследуемом топливе вообще не
содержится азот, все равно при его горении образуются оксиды азота.
Оксиды азота образуются при сгорании любых видов топлива –
природного газа, угля, бензина или мазута. Приблизительно 95%
годового выброса оксидов азота в атмосферу – это результат сжигания
ископаемого топлива. Около 40% общего объема выбросов приходится на
автомобили и другие виды моторного транспорта. Примерно 30%
приходится на сжигание природного газа, нефти и угля в топках
электростанций. Сжигание ископаемого топлива для осуществления
различных производственных процессов в промышленности добавляет еще
20%. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты – еще два
источника выбросов оксидов азота в атмосферу, правда, не связанные
со сжиганием топлива. Приведенные данные можно представить в виде
следующей диаграммы:
Диаграмма 2.Источники выбросов в атмосферу оксидов азота, %
[pic]
При использовании трех основных видов ископаемого топлива
сжигание природного газа (во всех видах применения) дает примерно
20% общего объема выбросов оксидов азота, сжигание угля – 25%, а
нефти – 47%.
Примерно 90% оксидов азота образуется в форме окиси азота (NO).
Оставшиеся 10% приходится на двуокись азота (NO2).
Большая часть данных о влиянии оксидов азота на здоровье человека
относится к двуокиси азота. Исходно двуокись азота составляет лишь
10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в ходе сложной
последовательности химических реакций в воздухе значительная часть
окиси азота превращается в двуокись азота – гораздо более опасное
соединение.
Помимо прямого воздействия на организм человека, оксиды азота
способны вступать в фотохимические реакции, в результате которых
образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды,
а также необычные органические соединения. Двуокись азота также
способна реагировать с водой с образованием азотной кислоты. В
результате выпадают кислотные осадки.
Загрязнение воздуха частицами. Частицы, взвешенные в воздухе, –
еще одно серьезное загрязнение атмосферы. В отличие от других
загрязнений частицы очень разнородны по своему химическому составу.
В воздухе находятся в виде взвеси многие твердые и жидкие
компоненты, весьма различные по происхождению. Движение транспорта,
сжигание топлива, промышленные процессы и выбросы твердых отходов –
все эти источники дают вклад в загрязнение атмосферы твердыми
частицами.
При сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в
воздухе, причем не только частицы золы (силиката кальция) и частицы
углерода (сажа), но также частицы оксидов металлов, таких, как
оксиды кальция и железа.
Количество частиц, поступающих в атмосферу при сгорании угля,
чудовищно велико. Однако большая часть этих частиц удаляется вместе
с отходящими дымовыми газами. При сжигании нефти в качестве топлива
образуется лишь незначительное количество частиц.
При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли
жидкого горючего. Жидкие углеводороды (соединения углерода с
водородом) и жидкие производные углеводородов попадают в атмосферу
из-за неполного сгорания в двигателях бензина и дизельного
топлива. Еще один тип загрязнений появляется в результате
происходящих в воздухе фотохимических реакций между окисью азота и
углеводородами. Продукты этих фотохимических реакций представляют
собой жидкие органические соединения, которые рассеиваются в
воздухе в виде мельчайших капелек. Огромные скопления в воздухе
твердых частиц и мельчайших капелек называют смогом.
Открытые разработки угля и других полезных ископаемых загрязняют
воздух огромными количествами частиц. Обогащение и обработка руд и
выплавка металлов – дополнительные примеры промышленных процессов,
при которых в воздух выделяется большое количество частиц.
Различные процессы обработки материалов (дробление, размалывание,
резание, сверление и т.п.) также служат источниками загрязняющих
воздух частиц. Все эти производственные процессы, вместе взятые,
могут привести к большим выбросам частиц в атмосферу, чем сжигание
угля.
В недавнем прошлом при строительстве зданий в воздух попало много
частиц асбеста, который широко применялся для изоляции швов и
обычно наносился путем распыления. Асбест и сейчас продолжает
загрязнять атмосферу, когда сносятся старые постройки.
Наконец, сжигание мусора и отходов в некоторых городах
оказывается серьезным источником частиц, особенно в том случае,
если установки для сжигания сосредоточены в одном месте.
К особому типу частиц следует отнести соединения тяжелых
металлов, особенно свинца. Свинец особо опасен для здоровья
человека, так как является кумулятивным ядом (постепенно
накапливается в организме). При этом для свинцового отравления
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|