Смог как негативное явление техногенного загрязнения атмосферы

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

«МАТИ» - Российский Государственный Технологический  Университет

им. К. Э. Циолковского

Кафедра «Общая химия, физика и химия композиционных материалов».

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

 по дисциплине: «Физико-химические процессы

в техносфере».

Тема: «Смог как негативное явление техногенного загрязнения атмосферы»

 
 
 
 
 
 

                                                                          Выполнил: студент 2 курса

Кромовский Д. Д.

                     Группа: 6БДЖ-2ДС-046                              Проверила:

       Мареичева E.Е.

                                                                                   

 
 
 
 
 
 

Москва 2009г.

Содержание

 

Введение

1. Первичные  и вторичные загрязнители атмосферы

2. Понятие смога,  виды смога

3. Химическое загрязнение атмосферы: диоксид серы – основной источник антропогенного загрязнения

4. Атмосферные аэрозоли антропогенного происхождения, атмосферная пыль

5. Фотохимические процессы в атмосфере

6. Негативное воздействие смога на здоровье человека

Заключение

Литература

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 

     В настоящее время проблема  взаимодействия  человеческого  общества  с природой  приобрела  особую остроту. В наши дни наблюдаются сильные изменения  климата городов, а именно антропогенное загрязнение, называемое смогом. В первую очередь эти проблемы связаны с увеличением числа промышленных выбросов и увеличением числа автотранспорта. В моей курсовой работе эти проблемы будут рассмотрены на самых ярких примерах – Лондонском и Лос Анджелесском смогах. Бесспорно,  что сохранение нормального качества  жизни человека в городах невозможно без осмысления этой современной экологической проблемы. Несмотря на свою известность, эта проблема так и не была эффективно решена. Лучшие экологи различных стран мира пытаются найти решение этой проблемы и принимают всяческие меры по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того, вредные выбросы наносят существенный ущерб здоровью человека. Именно поэтому изучение антропогенных выбросов, в частности смога, чрезвычайно важно, чтобы предотвратить их  появление. 

Целью моей работы является изучение смога, как негативное явление техногенного загрязнения атмосферы. И для осуществления этой цели будут поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть первичные и вторичные загрязнители атмосферы.
2. Выявить и описать основной источник антропогенного загрязнения.
3. Объяснить воздействие смога и его вред здоровью человека.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Первичные и вторичные загрязнители атмосферы

 

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные,  поступающие  непосредственно  в атмосферу, и  вторичные,  являющиеся  результатом  превращения первичных. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до  серного ангидрида,  который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты.  При  взаимодействии серного ангидрида  с  аммиаком  образуются кристаллы сульфата аммония.

Подобным образом, в результате химических,  фотохимических, физико-химических реакций между  загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,  образуются  другие  вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70%  ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными   примесями  пирогенного  происхождения  являются следующие:

 

1) Оксид углерода.  Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.  В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т.  Оксид углерода является соединением,  активно реагирующим  с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

2) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн. т. в год).  Часть соединений  серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество  выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 %  от общемирового выброса.

3) Серный  ангидрид. Образуется  при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является  аэрозоль или раствор серной  кислоты в дождевой воде,  который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.  Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее  11 км.  от таких предприятий,  обычно  бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной  кислоты.  Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

4) Сероводород и сероуглерод.  Поступают в атмосферу раздельно        или вместе с другими соединениями серы.  Основными источниками выброса являются предприятия  по  изготовлению  искусственного волокна,  сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.  В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

5) Оксилы  азота.  Основными  источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту и нитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.  Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.

6) Соединения фтора.  Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия,  эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия         и кальция. Соединения характеризуются токсическим  эффектом.  Производные  фтора  являются сильными инсектицидами.

7) Соединения  хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих  соляную кислоту,  хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.  В атмосфере встречаются как примесь  молекулы хлора  и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.  В металлургической промышленности при  выплавке  чугуна  и  при  переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых  металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц,  определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,  свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

 
 

Понятие смога, виды смога.

 

В атмосфере  диоксид серы претерпевает ряд химических превращений. Большее значение имеет окисление с помощью радикалов OH. При этом возможна реакция с озоном:

SO2 + O3 → SO3 + O2

Во влажной  атмосфере образуется серная кислота. В насыщенной парами воды фазе, например в облаках, SO2 сначала образует сернистую кислоту, которая с озоном и пероксидом водорода дает серную кислоту:

HSO3 + O3 → SO4 + H + O2

HSO3 + H2O2 → SO4 + H + H2O

Реакционноспособный пероксид водорода может образоваться из органических пероксидов во влажном  воздухе.

Наконец, было установлении, что, как SO2, так и HSO3 в несколько промежуточных стадий могут превратиться в серную кислоту с помощью ионов металлов, которые могут присутствовать в воздухе, а также в облаках.

Атмосферное превращение  SO2 в SO4 приходит при выбросах SO2 в условиях влажных атлантических ветров, особенно в зимний отопительный сезон. Эти процессы получили известность в первую половину XX столетия, когда в результате мощных дымовых выбросов в Лондоне возник густой туман, в котором происходило медленное образование аэрозоля серной кислоты – названного впоследствии смогом.

 
Смог - один из видов загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Первоначально под смогом подразумевался дым, образованный сжиганием большого количества угля (смешение дыма и диоксида серы SO2).

В 1950-х гг. был впервые описан новый тип смога - Фотохимический смог, представляющий собой  многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят  озон, оксиды азота  и серы,  многочисленные органические соединения перекисной природы,  называемые в совокупности фотооксидантами. Впервые термин был введён доктором Генри Антуаном де Во (англ. Henry Antoine Des Voeux) в 1905 году в статье «Туман и дым» , написанной для Публичного Конгресса о здоровье.

 

Смог разделяют  на два основных типа:

Первым типом  является смог, связанный с загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта. (Лос-Анджелесский смог). Необходимой составной частью процесса образования смога этого типа являются фотохимические реакции. Лос-Анджелесский смог появляется при более высокой температуре и меньшей влажности. Основными особенностями фотохимического смога, наблюдаемого в Лос-Анджелесе, являются следующие факты: смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ наблюдается вскоре после полудня. Химически он действует как окислитель и вызывает растрескивание резины. Смог наблюдается в виде беловатого тумана, однако ухудшение видимости – наименее серьезный эффект по сравнению с другими. Так же Лос-Анджелесский смог вызывает у людей раздражение глаз и губит листву у растений. Исходные вещества, из которых формируется фотохимический смог, входят в состав автомобильных выхлопных газов, присутствующих в воздухе в больших количествах, но поставщиком исходных веществ может служить и биосфера. Так, например, в результате жизнедеятельности нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий из почвы, из сточных вод, из открытых водоемов в атмосферу поступает большое количество закиси азота N2O (10÷50×106 т/год). В атмосфере N2O подвержен окислению нечетным кислородом (озоном или атомарным кислородом), в результате чего происходит образование NO. Другой способ образования оксида азота NO, заключается в фотолизе молекулы NO2 квантом света с длиной волны l=0,3÷0,4 мкм, в результате этой реакции образуются две активные частицы: NO и O. Если в атмосфере содержится мало молекул кислорода, то диоксид азота NO2 взаимодействуют с атомарным кислородом, образующимся, как было показано выше, при фотолизе NO2. Таким образом, в атмосфере накапливается большое количество NO, крайне вредного для биосферы. Ситуация отягощается тем, что NO медленно восстанавливается до NO2. Этот процесс становится существенным в ночное время, когда прямое излучение от солнца исчезает. Если фотолиз NO2 идет в присутствии значительного избытка кислорода, то в результате реакции атомарного кислорода, в присутствии третьей частицы (N2 или O2) образуется тропосферный озон. Его предельно допустимая концентрация в воздухе составляет 1 мг/м3. В дневные часы озон медленно реагирует с NO2, образуя радикал NO3, который в свою очередь вступает в дальнейшие реакции с NO и NO2. Одной из конечных продуктов этих реакций является N2O5. Если в атмосфере имеется водяной пар, то N2O5 может вступить в реакцию с водяным паром и продуктом этой реакции является азотная кислота – HNO3. Рассматривая все эти превращения, я не учел влияние углеводородов, а ведь именно их присутствие в тропосфере вызывает ухудшение видимости и в результате их частичного разрушения образуются многие вредные вещества, среди которых: ПАН (пероксиацетилнитрат), альдегиды, окись углерода (угарный газ), углекислый газ, карбоновые кислоты, кетоны, окислы олефина, парафины и др.

 

 

Средние концентрации загрязняющих веществ в деловой части Лос-Анджелеса в дни, когда наблюдалось сильное раздражение глаз.

 

Из графика  суточного хода загрязняющих веществ, представленного выше, видно, что максимум концентрации альдегидов и озона приходится сразу же после максимума концентрации углеводородов и NO2 (через 4 - 5 часов). Отсюда можно сделать вывод, что увеличение выбросов в атмосферу несгоревшего топлива ведет к ухудшению экологической ситуации и тем самым является причиной дополнительного накапливания тропосферного озона.

 

Вторым же типом  является смог, связанный с загрязнением атмосферы копотью или дымами, содержащими диоксид серы. (Лондонский смог)

Лондонский смог принципиально отличается от лос-анджелесского смога, но для биосферы он не менее губителен, чем фотохимический смог. Отмечу, например, что в 1952 г в течении 3-х недель в Лондоне от смога умерло 4000 человек. Механизм образования лондонского смога несколько иной. В отличие от лос-анджелесского смога, где главную роль играют NO и O3, в лондонском типе смога решающее участие принимает SO2 и O3.

Диоксид серы (SO2) поступает в атмосферу, главным образом при сжигании угля или нефтепродуктов с целью получения тепловой энергии в промышленности или для обогрева жилищ. В атмосфере SO2 реагирует сам с собой или с кислородом. Результатом этих реакций является образование сернистого ангидрида SO3.

Интересно, что SO3 может образоваться и без участия солнечного света из SO2 в присутствии NO2, то есть не фотохимическим путем.

Накапливающиеся в атмосфере SO2 и SO3 в присутствии водяного пара быстро переходят в сернистую и серную кислоты. Если же в атмосфере присутствуют углеводороды, то диоксид серы реагирует с ними с образованием сульфиновых кислот.

В облаке тумана, как правило, могут содержаться  соли различных металлов, таких как NaCl (поваренная соль). Серная кислота, образующаяся из SO2, взаимодействует с NaCl и в результате получается смесь двух солей натрия (сульфата и хлорида) и соляной кислоты (водный раствор HCl).