Кислотные дожди

Кислотные дожди

«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы

уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для

обитания».

Жан Батист Ламарк

Вступление

Этот реферат был написан с целью глубоко разобраться в процессах

образования, а также причинах и последствиях выпадения кислотных осадков.

Хозяйственная деятельность человечества в течение последнего столетия

привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами

производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных

промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация

которых превышает предельно допустимую. Поскольку случаи значительного

превышения допустимой концентрации достаточно часты и наблюдается рост

заболеваемости, связанной с загрязнением природной среды, в последние

десятилетия специалисты и средства массовой информации, а вслед за ними и

население стали употреблять термин «экологический кризис».

Прежде всего следует разделить понятия "локальный экологический

кризис" и "глобальный экологический кризис". Локальный экологический кризис

выражается в местном повышении уровня загрязнений - химических, тепловых,

шумовых, электромагнитных - за счет одного или нескольких близко

расположенных источников. Как правило, локальный экологический кризис может

быть более или менее легко преодолен административными и или экономическими

мерами, например, за счет совершенствования технологического процесса на

предприятии-загрязнителе или за счет его перепрофилирования или даже

закрытия. Много более серьезную опасность представляет глобальный

экологический кризис. Он является следствием всей совокупности

хозяйственной деятельности нашей цивилизации и проявляется в изменении

характеристик природной среды в масштабах планеты и, таким образом, опасен

для всего населения Земли. Бороться с глобальным экологическим кризисом

гораздо труднее, чем с локальным, и эта проблема будет считаться решенной

только в случае минимизации загрязнений, произведенных человечеством, до

уровня, с которым природа Земли будет в состоянии справиться

самостоятельно. В настоящее время глобальный экологический кризис включает

четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение

планеты суперэкотоксикантами и так называемые озоновые дыры.

Еще в конце позапрошлого века Фридрих Энгельс предупреждал: «Не

будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую

такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую

очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью

очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто

уничтожают последствия первых». Знакомство с проблемой кислотных дождей

подтвердит нам правоту этих слов.

Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к

деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению

человечества, жизненно необходимо.

Антропогенные выбросы в атмосферу

Атмосферный воздух загрязняется путем привнесения в него или

образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих

нормативы качества или уровня естественного содержания.

Загрязняющее вещество — примесь в атмосферном воздухе, оказывающая при

определенных концентрациях неблагоприятное воздействие на здоровье

человека, объекты растительного и животного мира и другие компоненты

окружающей природной среды или наносящая ущерб материальным ценностям.

В последние годы содержание в атмосферном воздухе российских городов и

промышленных центров таких вредных примесей, как взвешенные вещества,

диоксид серы, существенно уменьшилось, так как со значительным спадом

производства сократилось число промышленных выбросов, а концентрации оксида

углерода и диоксида азота выросли в связи с ростом парка автомобилей.

Список городов с катастрофическим уровнем загрязнения атмосферного

воздуха в России увеличивается ежегодно, но многие годы в нем числятся

Братск, Екатеринбург, Кемерово, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Москва,

Нижний Тагил, Новокузнецк, Новосибирск, Ростов-на-Дону, Тольятти.

Наиболее значимое влияние на состав атмосферы оказывают предприятия

черной и цветной металлургии, химическая и нефтехимическая промышленность,

стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно-бумажная

промышленность, автотранспорт, а в некоторых городах и котельные.

Черная металлургия. Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь

сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Выброс пыли в расчете

на 1 т предельного чугуна составляет 4,5 кг, сернистого газа — 2,7 кг,

марганца — 0,1—0,6 кг.

Источником загрязнения воздуха сернистым газом являются агломерационные

фабрики. Во время агломерации (Агломерация - в металлургии термический

способ окускования мелких рудных материалов (спеканием) для улучшения их

металлургических свойств) руды происходит выгорание серы из пиритов.

Сульфидные руды содержат до 10% серы, а после агломерации ее остается

0,2—0,8%. Выброс сернистого газа при этом может составить до 190 кг на 1 т

руды (т.е. работа одной ленточной машины дает около 700 т сернистого газа в

сутки).

Значительно загрязняют атмосферу выбросы мартеновских и конвертерных

сталеплавильных цехов. Плавление стали сопровождается выгоранием некоторых

количеств углерода и серы, в связи с чем в отходящих газах мартеновских

печей при кислородном дутье содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг

сернистого газа в расчете на 1 т выплавляемой стали.

Цветная металлургия. Вредные вещества образуются при производстве

глинозема, алюминия, меди, свинца, олова, цинка, никеля и других металлов в

печах (для спекания, выплавки, обжига, индукционные и др.), на дробильно-

размольном оборудовании, в конвертерах, местах погрузки, выгрузки и

пересылки материалов, в сушильных агрегатах, на открытых складах. В

основном предприятия цветной металлургии загрязняют атмосферный воздух

сернистым ангидридом (SO2)(75% суммарного выброса в атмосферу), окисью

углерода (10,5%) и пылью (10,4%).

Химическая и нефтехимическая промышленность. Выбросы в атмосферу в

химической промышленности происходят при производстве кислот (серной,

соляной, азотной, фосфорной и др.), резинотехнических изделий, фосфора,

пластических масс, красителей и моющих средств, искусственного каучука,

минеральных удобрений, растворителей (толуола, ацетона, фенола, бензола),

крекинге нефти.

Разнообразием исходного сырья для производства определяется состав

загрязняющих веществ — в основном окись углерода (28% суммарного выброса в

атмосферу), сернистый ангидрид (16,3%), окислы азота (6,8%) и др. В

выбросах содержится аммиак (3,7%), бензин (3,3%), сероуглерод (2,5%),

сероводород (0,6%), толуол (1,2%), ацетон (0,95%), бензол (0,7%), ксилол

(0,3%), дихлорэтан (0,6%), этилацетат (0,5%), серная кислота (0,3%).

Решение экологических проблем в отрасли осложнено эксплуатацией

морально и физически устаревшего оборудования (60% — эксплуатируется более

10 лет, до 20% — свыше 20 лет, до 10% — более 30). Происшедшие в последние

годы катастрофы на химических предприятиях в Уфе, Стерлитамаке, Томске,

Ангарске, Салавате, Ставрополе, других городах, постоянные локальные взрывы

и разрушения объектов с человеческими жертвами, заражение атмосферы и

других объектов окружающей среды свидетельствуют о том, что ситуация в

отрасли критическая. Следует отметить, что в последние годы выбросы в

атмосферу загрязняющих веществ предприятиями отрасли резко снизились.

Однако произошло это не потому, что были проведены эффективные

природоохранные мероприятия, а из-за спада производства.

Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности, концентрация которых

особенно велика в Башкортостане, Самарской, Ярославской и Омской областях,

загрязняют атмосферу выбросами углеводородов (23% от суммарного выброса),

сернистого газа (16,6%), окиси углерода (7,3%), окислов азота (2%).

Особую экологическую опасность представляет разработка месторождений

нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода.

Промышленность строительных материалов. Производство цемента и других

вяжущих, стеновых материалов, асбестоцементных изделий, строительной

керамики, тепло- и звукоизоляционных материалов, строительного и

технического стекла сопровождается выбросами в атмосферу пыли и взвешенных

веществ (57,1% от суммарного выброса), окиси углерода (21,4%), сернистого

ангидрида (10,8%) и окислов азота (9%). Кроме того, в выбросах присутствует

сероводород (0,03%).

Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность. Наиболее

крупные предприятия отрасли сосредоточены в Восточно-Сибирском, Северном,

Северо-Западном и Уральском регионах, а также в Калининградской области.

Среди наиболее крупных загрязнителей атмосферы можно выделить Архангельский

целлюлозно-бумажный комбинат (7,5% общего выброса по отрасли). Характерные

загрязняющие вещества, производимые этими предприятиями, — твердые вещества

(29,8% суммарного выброса в атмосферу), окись углерода (28,2%), сернистый

ангидрид (26,7%), окислы азота (7,9%), сероводород (0,9%), ацетон (0,5%).

В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха

являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, промышленные

комплексы по производству мяса, предприятия, обслуживающие технику,

энергетические и теплосиловые предприятия. Над территориями, примыкающими к

помещениям для содержания скота и птицы, в атмосферном воздухе

распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие

дурнопахнущие газы.

Смог. Смесь ряда первичных и вторичных загрязнителей, образующихся в

нижней тропосфере, когда некоторые из первичных загрязнителей (особенно

оксиды азота и углеводороды из выхлопных газов машин) взаимодействуют друг

с другом под влиянием солнечного света, называется фотохимическим смогом.

Фотохимический смог характерен фактически для всех современных больших

городов, но наиболее часто он встречается в городах с преобладанием

солнечных дней, с сухим и теплым климатом и большим количеством

автомобилей. К большим городам с представляющим опасность для здоровья

фотохимическим смогом относятся Лос-Анджелес, Денвер, Солт-Лейк-Сити,

Сидней, Мехико и Буэнос-Айрес. Фотохимическое загрязнение обнаруживается в

основном летом. Наблюдается фотохимический смог в тропических и

субтропических регионах там, где периодически сжигали траву в саваннах.

Главным продуктом таких фотохимических реакций является озон,

вызывающий раздражение глаз, нарушающий функции легких и повреждающий

деревья и урожай. Таким образом, степень опасности смога в целом

определяется концентрацией озона в атмосфере на уровне Земли. Другими

вредными составляющими смога являются альдегиды, пероксиацетилнитраты и

окись. (Рисунок I)

Ничтожные количества этих вторичных загрязнителей в фотохимическом

смоге достигают пикового уровня сразу пополудни в солнечный день, вызывая у

людей раздражение глаз и дыхательных путей. Особенно уязвимы люди,

страдающие астмой и другими заболеваниями дыхательных путей, а также

здоровые люди, работающие на улице между 11 и 16 часами. Чем жарче день,

тем больше озона и других составляющих фотохимического смога.

Тридцать лет назад в больших городах, таких, как Лондон, Чикаго и

Питсбург, на электростанциях, заводах и теплоцентралях сжигалось огромное

количество серосодержащих угля и тяжелой нефти. Зимой такие города страдали

от промышленного смога, состоящего главным образом из смеси диоксида серы,

взвешенных капелек серной кислоты, образовавшейся из части диоксида серы, и

разнообразных взвешенных твердых частиц. Теперь уголь и тяжелая нефть

сжигаются только в больших бойлерных, где налажен контроль за выбросами

вредных веществ или установлены высокие дымовые трубы, так что промышленный

смог редко является проблемой. Однако в Китае и некоторых

восточноевропейских странах, как, например, в Чехословакии, где большие

количества угля сжигаются без соответствующих мер контроля за выбросами,

ситуация не изменилась.

Местный климат, рельеф и смог. Частота и плотность смога на данной

территории зависят от климата и рельефа местности, плотности населения и

промышленности, а также от основных видов топлива, используемого в

промышленности, на теплоцентралях и на транспорте. В районах с большим

среднегодовым количеством осадков дождь и снег помогают очистить воздух от

загрязнителей. Ветры также способствуют удалению загрязнителей и приносят

свежий воздух, но они же и переносят некоторые загрязнители на большие

расстояния.

Холмы и горы создают преграду на пути ветров, в результате чего в

низинах в приземном слое увеличивается загрязнение воздуха. Высокие здания

в больших городах также замедляют скорость ветра и, соответственно,

способствуют созданию высоких концентраций загрязнителей.

В течение дня солнце нагревает воздух у поверхности земли. Обычно этот

теплый воздух расширяется и поднимается, растворяя скапливающиеся внизу

загрязнители и унося их вверх в тропосферу. Одновременно воздух из соседних

областей высокого давления опускается вниз в образующиеся области низкого

давления (Рисунок II, левый). Это непрерывное перемешивание воздуха

помогает сохранять загрязнение вблизи поверхности в пределах допустимого

уровня.

Но иногда в результате погодных условий теплый воздух натекает на

нижерасположенный плотный холодный воздух в городском воздушном бассейне

или в долине, препятствуя развитию вертикальных движений воздуха. Это

явление называется температурной, или термической, инверсией (Рисунок II,

правый). В результате массы теплого воздуха распространяются над регионом и

препятствуют выносу загрязнителей. Обычно такие инверсии длятся от одного

до нескольких часов, но иногда, в условиях устойчивого антициклона, они

могут сохраняться до нескольких дней. В этом случае концентрация

загрязнителей воздуха у поверхности земли представляет угрозу здоровью и

даже жизни людей. Термические инверсии также усиливают вредное воздействие

островов тепла и пыльных куполов, которые образуются над городскими

территориями.

Наиболее продолжительные и частые термические инверсии характерны для

городов, расположенных в долинах, окруженных горами (Донора, штат

Пенсильвания), для подветренных склонов горных хребтов (Денвер) или

побережий (Нью-Йорк). Большие города, насчитывающие несколько миллионов

жителей и автомобилей, расположенные в безветренных районах с преобладанием

солнечных дней, окруженных с трех сторон горами и морем с четвертой,

создают идеальные условия для фотохимического смога, отягченного частыми

термическими инверсиями. Именно такая ситуация наблюдается в Лос-Анджелесе,

где почти ежедневно возникают инверсии, особенно продолжительные летом, и

где насчитывается 12 млн. жителей, 8 млн. автомобилей и тысячи фабрик.

Несмотря на самую строгую в мире систему контроля за загрязнением воздуха,

Лос-Анджелес занимает первое место по загрязнению воздуха в Соединенных

Штатах.

Кислотные дожди

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит

в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». Кислотные дожди,

содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб

природе. Земля, водоемы, растительность, животные и постройки становятся их

жертвами. На территории России в 1996 г. вместе с осадками выпало более 4

млн. т серы и 1,25 млн. т нитратного азота. Особенно тревожная ситуация

сложилась в Центральном и Центрально-Черноземном районах, а также в

Кемеровской области и Алтайском крае, в Норильске. В Москве и Санкт-

Петербурге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1500 кг серы на

1 км2. Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных,

западно- и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом

отношении признана Республика Саха (Якутия).

При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута)

в составе выделяющихся газов содержатся диокиси серы и азота. В зависимости

от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные

сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн

диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в

слабый раствор кислот.

Окислы азота образуются при соединении азота с кислородом воздуха при

высоких температурах, главным образом в двигателях внутреннего сгорания и

котельных установках. Получение энергии, увы, сопровождается закислением

окружающей среды. Дело осложняется еще и тем, что трубы теплоэлектростанций

стали расти в высоту, и достигают 250—300, даже 400 м, следовательно,

выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные территории.

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем

положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих

ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного

раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и

характеризуется их концентрацией C(ОН–).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных

концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C(H+)C(ОН–) = 10–14,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение

кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и

гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10–7 моль/л. Такое состояние

характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10–7 < C(H+) ? 100,

для щелочных сред:

10–14 ? C(H+) < 10–7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается

более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный

десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC(H+).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5

моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению

показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение

концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных

ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и

5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных

растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН

= 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность).

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей

тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко

растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО2 + Н2О [pic]Н2СО3.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в

частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения

характера среды является применение индикаторов – химических веществ,

окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее

распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также

естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь

нейтральную реакцию, т.е. рН=7. Но даже в самом чистом воздухе всегда есть

диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН

5,6—5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь

становится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает

увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д. Мировой рекорд

Страницы: 1, 2