Кислотные дожди

   Кислотные дожди

   Несколько лет назад выражения “кислотные осадки” и “кислотные дожди” были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы. За последние несколько лет эти  выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство словами во многих странах во всем мире.

   Само  понятие “кислотный дождь” вошло  в обращение 110 лет тому назад. Английский химик Роберт Ангес Смит обнаружил, что в промышленном городе Манчестере и вокруг него имеются “три вида воздуха”, а именно: воздух с карбонатом аммония в отдаленных полях; воздух с сульфатом аммония в окресностях и воздух с серной кислотой или бисульфатом в городе. В 1872 году он писал о “кислотном дожде” в книге “Воздух и дождь” –начала химической климатологии” и рассматривал в ней ряд тех явлений, о которых мы сейчас говорим в связи с проблемой окисления :сжигание угля, разложение органических материалов, траектория ветров, близость к морю, количество осадков на месте. Смит указывал, что кислый воздух в городе обеспечивает краски в тканях и разъедает поверхности металлов, что кислая дождевая вода повреждает растительность и материалы, что такие вещества, как мышьяк, медь и прочие металлы выпадают вместе с дождями в промышленных районах.

   Сто лет  спустя за проблему — опять с нуля — взялись канадские ученые. Их сообщение также никого не взволновало и быстро забылось.

   В 1967 году шведский почвовед Сванте Оден опубликовал  данные о «необычном и ранее неизвестном  явлении». К тому времени «явление»  приняло такой масштаб, что работу Одена заметили. Кислотные дожди попали в центр общественного внимания: «Химическая война против природы!»

   Вода, из которой состоит дождь, содержит три атома – два атома водорода и один атом кислорода. Молекулы воды распадаются на положительно заряженные ионы водорода Н+ и отрицательно заряженные гидроксид-ионы ОН-, а затем ионы вновь соединяются с образованием молекул воды. Даже в самой чистой, беспримесной воде постоянно находятся несвязанные атомы водорода Н+, свободные для реакций с другими веществами.

   Именно  поэтому чистый дождь сам по себе имеет не нейтральную реакцию (рН 7), а кислую (рН 5,6) – вода вступает в реакцию с находящимся в  воздухе углекислым газом с образованием угольной кислоты (Н2СО3). Поэтому безусловно кислым считается дождь, рекация которого ниже рН 5. Мировой рекорд в этой сомнительной области принадлежит шотландскому городу Питлокри, в котором в 1974 г. выпал дождь с рН 2,4 – практически, уксус.

   Кислотные осадки ( дожди, туманы, снег) - это осадки, кислотность которых выше нормальной. Мерой кислотности является значение pH (водородный показатель). Шкала значения pH идет от 02 ( крайне высокая кислотность), через 7 ( нейтральная Среда) до 14 (щелочная среда), причем нейтральная точка ( чистая вода) имеет pH=7. Дождевая вода в чистом воздухе имеет pH=5,6. Чем ниже значение pH, тем выше кислотность. Если кислотность воды ниже 5,5 , то осадки считаются кислотными.

   Кислые  дожди образуются двумя категориями  веществ. 
В первую очередь – это оксиды серы. Они попадают в атмосферу в основном благодаря сжиганию органического топлива. Кстати, оксиды серы оказываются в воздухе и вполне естественным путем, при извержении вулканов. Растворяясь в воде, они образуют серную кислоту.

   Другой  источник опасности – оксиды азота. Они образуются при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания, а также при сжигании угля. В природе это происходит при разрядах молнии. С водой оксиды азота образуют азотную кислоту. 
Особенно много вредных веществ образуется при сжигании высокосернистых углей и мазута. 
Кислотный дождь образуется в результате химического взаимодействия оксидов серы (SO2 и SO3) и азота (NOх) с водой в атмосфере. Эти вещества выбрасываются автомобильным транспортом, образуются в результате деятельности металлургических и химических предприятий, а также при сжигании ископаемого топлива на электростанциях (при высокой температуре азот горит в кислороде воздуха). Вступая в реакцию с водой, оксиды превращаются в растворы кислот – серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем вместе со снегом или дождем они выпадают на землю.

   Кислотные дожди могут также выпадать при  поступлении в атмосферу серной кислоты и азотсодержащих газов (диоксида азота NO2 и аммиака NH3) от естественных источников (например, при извержении вулканов).

   В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.

   Содержание  серы в неочищенной нефти также  достаточно велико в зависимости от места происхождения (0,1 - 2%). При сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля. Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ.

   Сжигая  топливо, человек ежегодно выбрасывает  в воздух 12 млн.т оксидов азота. Значительным источником оксидов азота  также является транспорт.

   Последствия загрязнения кислотными дождями

   Первым  экономически ощутимым следствием кислотных выпадений была утрата рыбных ресурсов и сотни озер в Скандинавии и на Британских островах стали безрыбными. Исследование донных отложений показало снижение рН примерно на единицу в первой половине 19 в. после длительного периода относительной устойчивости. Среди факторов, воздействующих на популяции рыб в связи с подкислением, называют нехватку кальция, осаждение алюминия на жабрах и, главным образом, нарушение репродуктивных процессов. Чувствительны к подкислению также амфибии, ракообразные, хирономиды, личинки  поденок и веснянок, сокращение биомассы которых существенно сказывается на численности околоводных птиц.

   Больше  всего от кислотных дождей страдают растения. Кислая вода портит листья, верхушки деревьев высыхают, через почву поражаются корни деревьев. Кислота повышает содержание ионов алюминия в почве, этот металл токсичен для корней. Кроме того, в закисленной почве гибнут почвенные микроорганизмы, нарушается плодородие. 
Сельскохозяйственным растениям кислотные дожди тоже вредят – падает урожайность, снижается устойчивость к заболеваниям и паразитам. Особенно сильно страдают томаты, соя, фасоль, баклажаны, подсолнечник, хлопчатник.

   Кислотные дожди не только убивают живую  природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО₂), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО₄).

   Смена температур, потоки дождя и ветер  разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу -- шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, в Лондоне -- Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

   Более 100 тыс. ценнейших витражей, украшающих соборы в Шатре, Контербери, Кёльне, Эрфурте, Праге, Берне, в других городах Европы могут быть полностью утрачены в ближайшие 15-- 20 лет.

   Изучив  новые данные о кислотности осадков, выпадающих в различных регионах Западной Европы, и о воздействии  их на здания и сооружения, сотрудники Дублинского университета (Ирландия) выявили, что самое катастрофическое положение сложилось в центре Манчестера (Великобритания), где за 20 месяцев кислотные осадки растворили более 120 г на 1 м² камня (песчаника, мрамора или известняка).

   Город пострадал очень сильно, хотя общее количество осадков в наблюдаемый отрезок времени там было крайне низким. Очевидно, слишком высока была степень их кислотности.

   За  Манчестером следует Липхун (графство Гэмпшир в Вели-кобритании) и Антверпен (Бельгия), где каждый камень под открытым небом потерял 100 г с 1 м². Даже такие известные загрязненностью атмосферы города, как Афины, Копенгаген и Амстердам, подверглись кислотному разрушению в значительно меньшей степени.

   Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами -- ртутью, свинцом, кадмием.

   Леса  также подвергаются воздействию  кислотных дождей. В середине 70-х  годов стали замечать,что заросли  норвежской ели начали желтеть и осыпаться.Впоследствии, бедствие разгулялось по всей Европе. В Голландии и Великобритании к 1986 г. около трети деревьев оказались “полностью или умеренно обнаженными” . В ФРГ то же самое случилось с 20%, в Чехословакии и Швейцарии примерно с 16% деревьев.Исследователи определили,что кислые дожди вымывают из почв питательные вещества, высвобождают алюминий, который попадает в корни деревьев. Из почвы вымываются кальций и магний.Диоксид серы прямо повреждает зелень – блокирует устьица на листьях и иголках, мешая фотосинтезу. Для некоторых деревьев ядом служит озон, порождаемый выхлопом автомобилей; особенно он вреден, когда соединяется с диоксидом серы. Уродливо быстро начинают расти ветвт, зато корни усыхают. И вообще многие процессы жизнедеятельности леса нарушаются.

   Экономические потери от кислотных дождей в США, по оценкам одного исследования, составляют ежегодно на восточном побережье 13 миллионов долларов и к концу  века убытки достигнут 1.750 миллиардов долларов от потери лесов; 8.300 миллиардов долларов от потери урожаев (только в бассейне реки Огайо) и только в штате Минессота 40 миллионов долларов на медицинские расходы.

   Меры  по борьбе с кислотными дождями:

   Чистота атмосферного воздуха планеты –  одно из приоритетных направлений природоохранной деятельности национальных правительств, которая развивается в рамках программы, принятой на ХIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций в июне 1997 г.

   Основными на сегодняшний день методами снижения загрязнения атмосферы, в том числе кислотообразующими выбросами, являются разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы. Ведутся исследования по снижению загрязнений от выхлопных газов автомобилей. Наибольшие трудности здесь вызывает именно уменьшение выбросов оксидов азота, которые помимо образования кислотных осадков ответственны за появление фотохимических загрязнителей (фотохимический смог) и разрушение озонового слоя в стратосфере. Для решения этой проблемы ведутся работы по созданию различных каталитических конвертеров, преобразующих оксиды азота в молекулярный азот. Среди эффективных методов борьбы с выбросами окисленной серы в атмосферу через дымовые трубы следует отметить различные газоочистители, такие, как электрические фильтры, вакуумные, воздушные или жидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате образуется нерастворимый сульфат кальция Са8О4. Этот метод позволяет удалить до 95% SО2, но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тяги требует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникает проблема утилизации СаSО4) и экономически эффективен лишь при строительстве новых крупных предприятий.

Применение  высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность

его  заключается  в  следующем.   Перемешивание   загрязняющих   веществ   в

значительной  степени зависит от высоты  дымовых  труб.  Если  мы  используем

низкие  трубы  (здесь  в   первую   очередь   необходимо   вспомнить   трубы

электростанции), то выбрасываемые соединения серы и  азота  перемешиваются  в

меньшей степени и быстрее выпадают в  осадок, чем при наличии  высоких  труб.

Поэтому в  ближайшем  окружении  (от  нескольких  километров  до нескольких

десятков  километров) концентрация оксидов серы  и  азота  будет  высокой  и,

естественно,  эти  соединения  будут  причинять  больше  вреда.  Если  труба

высокая,  то  непосредственные  воздействия   уменьшаются,   но   возрастает

эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных

районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы  в  целом  (изменение  серы  в

газах, образующихся во время горения топлива  химического состава  атмосферы,

изменение климата). Таким образом, строительство высоких труб,  несмотря  на

распространенное  мнение, не решает  проблемы  загрязнения  воздуха,  зато  в

значительной  степени увеличивает "экспорт"  кислотных  веществ  и  опасность

выпадения кислотных дождей в отдаленных  местах.  Следовательно,  увеличение

высоты  трубы   сопровождается   тем,   что   непосредственные   воздействия

загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и  т.п.)  уменьшаются,  однако

косвенные   воздействия   (влияние   на    экологию    удаленных    районов)

увеличиваются.

   Восстановление  нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при этом не только уменьшается кислотность  воды, но и повышается ее буферная способность, т. е. сопротивляемость по отношению  к будущим кислотным осадкам. Известкование можно применять и для защиты лесов от кислотных дождей, используя распыление с самолетов свежее молотого доломита, который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ. Для защиты памятников культуры и ценных архитектурных сооружений используют покрытия из высокомолекулярных соединений - силиконов или производных эфиров кремниевой кислоты; для защиты металлических изделий - покрытие их лаком, масляной краской или легирование сталей, образующих устойчивую к кислотам оксидную пленку. Все перечисленные меры представляют собой реализацию метода "контроля на выходе" - снижение концентрации загрязнителей на стадии их попадания в атмосферу. Более эффективен с экологической точки зрения метод "контроля на входе", предусматривающий очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии и создание так называемых безотходных технологий, т. е. технологических процессов, сопоставимых с природными циклами в биосфере. Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя низкосернистый уголь, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляются органические соединения серы.