АТМОСФЕРА
Источники
загрязнения атмосферы (Тема)
Различают природные (естественные) и антропогенные
(искусственные) источники загрязнения. К природным источникам относятся:
пыльные бури, пожары, различные аэрозоли растительного, животного или
микробиологического происхождения и т.п. Антропогенные выбросы в атмосферу
ежегодно составляют более 19 млрд. т, из них более 15 млрд. т углекислого газа,
200 млн. т оксида углерода, более 500 млн. т углеводородов, 120 млн. т золы и
др. Рис. Некое промышленное
предприятие На территории Российской Федерации, например, в 1991
г., выбросы загрязняющих веществ в воздушную среду составили около 53 млн. т, в
том числе промышленностью – 32 млн. т (61 %), автотранспортом 21 млн. т (39 %).
В одном из крупных регионов страны, Ростовской области, выбросы загрязняющих
веществ в атмосферный воздух в 1991 и 1996 гг. составили соответственно 944,6
тыс. т и 858,2 тыс. т в том числе: Таблица. Сравнение
выбросов в атмосферу по составу и годам
Более половины от общего объема составляют выбросы от автотранспорта.
Загрязнения в основном получаются в виде побочных продуктов или отходов при
добыче, переработке и использовании ресурсов, а также могут представлять собой
одну из форм вредных выбросов энергии, например, избыточного тепла, шума и
радиации. Большинство естественных загрязнений (например,
извержение вулкана, сжигание угля) рассеиваются по обширной территории, и их
концентрация, зачастую, снижается до безопасной (за счет разложения,
растворения и рассеивания). Антропогенные загрязнения воздуха возникают на
урбанизированных территориях, где большие количества загрязнителей
концентрируются в небольших объемах воздуха. Наиболее опасными и широко распространенными считаются
следующие восемь категорий загрязнителей: 1) взвеси – мельчайшие частицы вещества во взвешенном
состоянии; 2) углеводороды и другие летучие органические
соединения, находящиеся в воздухе в виде паров; 3) угарный газ (СО) – чрезвычайно ядовит; 4) оксиды азота (NOx) – газообразные
соединения азота и кислорода; 5) оксиды серы (SO2 диоксид) – ядовитый
газ, опасный для растений и животных; 6) тяжелые металлы (медь, олово, ртуть, цинк и т.д.); 7) озон и другие фотохимические окислители; 8) кислоты (преимущественно серная и азотная). Рассмотрим, что это за загрязнители и как они образуются. В крупных городах можно встретить два основных вида источников
загрязнителей: точечные, например, труба ТЭЦ, дымовая труба, выхлопная труба
автомобиля и т.д. и неточечные – поступающие в атмосферу с обширных источников. Различают твердые, жидкие и газообразные вещества, загрязняющие
окружающую среду. Твердые – образуются при механической обработке материалов
или их транспортировке, при сжигании и тепловых процессах производства. К ним
относятся пыль и взвеси, образующиеся: первые – при добыче, переработке и
транспортировке сыпучих материалов, различных технологических процессах и
ветровой эрозии; вторые – при открытом сжигании отходов и из промышленных труб
в результате самых различных технологических процессов. Жидкие загрязняющие вещества – продукт химических реакций,
конденсации или распыления жидкости в технологических процессах. Основными
жидкими загрязнителями являются нефть и продукты ее переработки, загрязняющие
атмосферу углеводородами. Газообразные загрязнители образуются в результате химических
реакций, электрохимических процессов, сжигания топлива, реакций восстановления.
Наиболее распространенными загрязнителями в газовом состоянии являются: оксид
углерода СО, диоксид углерода СО2, оксиды азота NO, N2O,
NO2, NO3, N2O5, диоксид серы SO2, соединения
хлора и фтора. Рассмотрим наиболее опасные, широко распространенные загрязнители.
Каковы они и в чем их опасность? 1. Пыль и взвеси – это взвешенные в воздухе тонкие частицы,
например, дыма и сажи. Основными источниками взвеси являются промышленные
трубы, транспорт и открытое сжигание топлива. Мы можем наблюдать такие взвеси в
виде смога или дымки. По дисперсности, т.е. степени измельченности различают
пыль: 1) крупнодисперсную
– с частицами размером более 10 мкм, оседающую в неподвижном воздухе с
возрастающей быстротой; 2) среднедисперсную
– с частицами от 10 до 5 мкм, медленно оседающую в неподвижном воздухе; 3) мелкодисперсную и дым – с частицами размером 5 мкм,
быстро рассеивающуюся в окружающей среде и почти не оседающую. Таблица.
Основные источники загрязнения атмосферного воздуха
Пыль, способная некоторое время находиться в воздухе во
взвешенном состоянии, называется аэрозоль, в отличие от осевшей пыли,
называемой аэрогель. Мелкодисперсная пыль представляет для организма наибольшую
опасность, поскольку она не задерживается в верхних дыхательных путях и может
проникнуть глубоко в легкие. Кроме того, тонкая пыль может быть проводником в
организм человека различных ядовитых веществ, например, тяжелых металлов,
которые на пылинках могут проникать глубоко в дыхательные пути. Можно привести и другие примеры: комбинация двуокиси
серы с пылью раздражает кожу и слизистые оболочки, с повышением концентрации -
приводит к нарушениям дыхания и болям в груди, а при очень высоких
концентрациях, значительно превосходящих ПДК, вызывает смерть от удушья. В машиностроительных предприятиях, особенно в цехах
горячей и холодной обработки металлов, в воздушную среду рабочих зон выделяется
много пыли, токсических и раздражающих газов. Современный стандарт
устанавливает ПДК для вредных веществ около 1000 видов. По степени воздействия
на организм вредные вещества подразделяют на четыре класса: 1-й – вещества чрезвычайно
опасные; 2-й – вещества высоко опасные; 3-й – вещества умеренно опасные; 4-й – вещества малоопасные. Класс опасности веществ
установлен в зависимости от норм и показателей. Таблица. Классы опасности и
пределы уровня загрязнения
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе
рабочей зоны – это концентрации, которые при ежедневной 8-часовой (кроме
выходных дней) работе или при другой продолжительности (но не более 41 ч в
неделю) в течение всего рабочего стажа не вызывают заболеваний или отклонений в
состоянии здоровья. Предельно допустимая концентрация представляет
первичный стандарт, являющийся критерием загрязнения, это максимальный уровень
загрязнения, который человек может переносить без ущерба для здоровья, плюс
10-15 % как запас прочности. 2. Углеводороды – это органические соединения углерода и водорода.
В технике и промышленности они используются в качестве энергоносителей,
например, природный газ, пропан, бензин, растворители для красок и чистящих
средств и др. Среди особо опасных углеводородов важное место занимает
бензапирен – составная часть выхлопных газов автомобилей и выбросов в атмосферу
от угольных печей. 3. Угарный газ. При полном сгорании топлива и отходов, представляющих
собой органические соединения, образуются углекислый газ и вода: CH4+2O2=CO2+2H2O. В случае полного сгорания выбрасывается в воздух двуокись
углерода, называемая также углекислым газом (СО2) при неполно окисленном
углероде – угарный газ (СО). Двуокись углерода – бесцветный газ со слабым запахом образуется
при дыхании живых организмов, а также при сжигании угля, нефти и газа на
тепловых станциях, в котельных и т.п. В небольшом количестве углекислый газ не
опасен, но в очень больших дозах он приводит к смерти. Содержание СО2
в воздухе постоянно растет, что связано с все более увеличивающимся количеством
сжигания угля и нефти. За последние 100 лет содержание двуокиси углерода в
воздухе увеличилось примерно на 14%. Рост содержания углекислого газа в воздухе
способствует повышению температуры на Земле, так как слой углекислого газа
создает мощный экран, не пропускающий в космос тепло, излучаемое Землей, что
нарушает естественный теплообмен между планетой и окружающим ее пространством.
Это так называемый парниковый, или оранжерейный, эффект. Окись углерода (СО) – не полностью окисленный углерод, так
называемый угарный газ. СО – ядовитый газ, не имеющий цвета и запаха. Вдыхание
угарного газа блокирует поступление кислорода в кровь, приводит к кислородному
голоданию тканей с последующим наступлением обморока, паралича дыхательных
путей и смерти. 4. Оксиды азота (NOx) – газообразные соединения веществ, вырабатываемые
микроорганизмами; также могут образоваться в продуктах сгорания топлива в
автомобильных двигателях, в химической промышленности, например, при
производстве азотной кислоты. При высоких температурах горения часть азота (N2) окисляется,
образуя монооксид (NO),
который в воздухе, вступая в реакцию с кислородом, окисляется до диоксида (NO2) и/или
тетраоксида (N2O4). Оксиды азота способствуют возникновению
фотохимического смога, образованного из продуктов реакции между окислами азота
и ненасыщенными углеводородами под активным действием ультрафиолетового
излучения Солнца. Оксиды азота раздражают органы дыхания, слизистые оболочки,
особенно легких и глаз, а также отрицательно действуют на мозг и нервную
систему человека. 5. Двуокись серы или так называемый сернистый газ (SO2) – остро
пахнущий, бесцветный газ, раздражающий дыхательные пути человека и животных,
особенно в среде тонкой пыли. Основными источники загрязнения воздуха двуокисью
серы являются горючие ископаемые, сжигаемые в энергетических установках.
Топливо и отходы, которые при сгорании попадают в воздух, содержат серу
(например, в угле от 0,2 до 5,5 % серы). В процессе сгорания сера окисляется с
образованием SO2.
Двуокись серы наносит серьезный ущерб окружающей среде – у растений под
действием SO2
происходит частичное отмирание хлорофилла, что пагубно действует на
сельскохозяйственные урожаи, лесные деревья, водоемы, выпадая в виде так
называемых кислотных дождей. 6. Тяжелые металлы, загрязняя окружающую среду, приносят
огромный вред человеку и природе. Свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, цинк,
хром, ванадий – постоянные компоненты воздушной среды крупных промышленных
центров. Примеси тяжелых металлов могут содержать уголь, а также различные отходы. Примеры: там, где используется в качестве дополнителя
в бензин тетраэтилсвинец с целью дешевого предотвращения стука двигателей (в
ряде стран такой способ добавки запрещен) воздух значительно загрязняется
свинцом. Высвобождаясь с выхлопными газами, этот вредный тяжелый металл,
остается в воздухе и, прежде чем осесть, переносится ветром на большие расстояния. Другой тяжелый металл – ртуть, попадая из
загрязненного воздуха в воду в процессе биоаккумуляции в озерах, попадает в
организмы рыб, что создает серьезную опасность отравления человека по пищевой
цепочке. 7. Озон и различные активные органические соединения, которые
образуются в процессе химических взаимодействий оксидов азота с летучими
углеводородами, стимулируемых лучами солнца. Продукты этих реакций называются
фотохимическими окислителями. Например, под действием солнечной энергии диоксид
азота распадается на монооксид и атом кислорода, который, соединяясь с О2,
образует озон О3. 8. Кислоты, преимущественно серная и азотная, которые образуют
кислотные дожди. Какие же объекты источников загрязнения атмосферы
составляют главную опасность здоровью планеты? Основными загрязнителями воздуха в индустриальных
странах являются автомобили и другие виды транспорта, промышленные предприятия,
тепловые электростанции, крупные комплексы военной промышленности и атомной
энергетики. Автотранспорт загрязняет воздух городов окисью углерода и
азота, углеводородами и другими вредными веществами. Ежегодные выбросы
автомобилей в России в начале 90-х годов составили 36 млн. т или 37% от общего
объема выбросов (около 100 млн. т/год), в том числе: оксиды азота – 22 %,
углеводороды – 42 %, окиси углерода – около 46 % (наибольший объем выбросов от
автомобилей отмечен в Москве – более 840 тыс. т/год). Сейчас в мире несколько сотен миллионов только личных
автомобилей, почти половина из них – около 200 млн. - на американском
континенте. В Японии из-за ограниченной территории на единицу площади
приходится почти в 7 раз больше автолюбителей, чем в США. На совести автомобиля
– этой "химической фабрики на колесах" – более 60 % всех вредных
веществ в городском воздухе. Выхлопные газы автомобиля содержат около 200
веществ, приносящих вред здоровью и природе. В них присутствуют несгоревшие или
неполностью разложившиеся углеводороды топлива. Количество углеводородов резко
увеличивается, если двигатель работает на малых оборотах или при увеличенной
скорости, например, при старте на перекрестках у светофоров. В момент нажатия
на педаль акселератора выделяется большое количество несгоревших частиц (в
10-12 раз больше чем при нормальном режиме). Кроме того, в несгоревших
выхлопных газах двигателя при нормальном режиме содержится около 2,7 % окиси
углерода, количество которого увеличивается при снижении скорости примерно до
3,9-4 %, а на тихом ходу – до 6,9 %. Выхлопные газы, в том числе окись углерода, углекислый
газ и многие другие выбросы двигателей, тяжелее воздуха, поэтому все они
скапливаются у земли, отравляя человека и растительность. При полном сгорании
топлива в двигателе часть углеводородов превращается в сажу, содержащую
различные смолы. Особенно при неисправности двигателя за автомобилем тянется
черный шлейф дыма, содержащий полициклические углеводороды и в том числе
бензапирен. В выхлопных газах содержатся также оксиды азота, альдегиды,
обладающие резким запахом и раздражающим эффектом, соединения неорганического
свинца. Черная металлургия – один из крупных источников загрязнения
атмосферы пылью и газами. В процессе выплавки чугуна и переработки его на сталь
выбросы пыли в расчете на 1 т предельного чугуна составляют 4,5 кг, сернистого
газа – 2,7 кг и марганца – 0,5-0,1 кг. Существенную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы
мартеновских и конверторных сталеплавильных цехов. Выбросы мартеновских печей в
основном содержат пыль из триокиси железа (76%) и триокиси алюминия (8,7 %).
При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали выделяется 3000-4000 м3
газов с концентрацией пыли около 0,6-0,8 г/м3. В процессе подачи
кислорода в зону расплавленного металла образование пыли значительно
увеличивается, достигая 15-52 г/м3. Одновременно происходит
выгорание углеводорода и серы, в связи с чем в выбросах мартеновских печей
содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа в расчете на 1 т
выдаваемой стали. Процесс получения стали в конверторных печах характерен выбросом
в атмосферу дымовых газов, состоящих из частиц окислов кремния, марганца и
фосфора. В составе дыма содержится до 80 % окиси углерода, а концентрация пыли
в отходящих газах составляет около 15 г/м3. Выбросы цветной металлургии содержат технические
пылевидные вещества: мышьяк, свинец, фтор и др., поэтому представляют собой
серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды. В процессе
производства алюминия электролизом в атмосферу выбрасывается большое количество
газообразных и пылевидных фтористых соединений. Для получения 1 т алюминия
расходуется от 33 до 47 кг фтора (в зависимости от мощности электролизера),
более 65 % которого попадает в атмосферу. Предприятия химической промышленности относятся к
группе наиболее опасных источников загрязнения атмосферы. Состав их выбросов
весьма разнообразен и содержит много новых, чрезвычайно вредных веществ. Мы
мало знаем о потенциально вредном воздействии 80 % этих веществ на людей,
животных и природу. К основным выбросам предприятий химической промышленности
относятся окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак,
органические вещества, сероводород, хлористые и фтористые соединения, пыль от
неорганических производств и др. Топливно-энергетический комплекс (тепловые
электростанции, теплоэлектроцентрали, котельные установки) выделяет в
атмосферный воздух дым, образующийся при сгорании твердого и жидкого топлива.
Выбросы в атмосферный воздух от использующих топливо установок содержат
продукты полного сгорания – окислы серы и зола, продукты неполного сгорания – в
основном окись углерода, сажа и углеводороды. Общий объем всех выбросов весьма
значительный. Например, тепловая электростанция, потребляющая ежемесячно 50
тыс. т угля, содержащего примерно 1 % серы, ежедневно выбрасывает в атмосферу
33 т серного ангидрида, который может превратиться (при определенных метеорологических
условиях) в 50 т серной кислоты. За одни сутки такая электростанция производит
до 230 т золы, которая частично (около 40-50 т в день) выбрасывается в
окружающую среду в радиусе до 5 км. Выбросы тепловых станций, сжигающих нефть,
почти не содержат золы, однако выделяют в три раза больше серного ангидрида. Воздушные загрязнения нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей
и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов,
сероводорода и дурно пахнущих газов. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||