Загрязнение и защита атмосферы

Опоясывающая Землю атмосфера, состоит, как известно, из множества различных слоев ( рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Строение атмосферы

 

 

 

Каждый из таких слоев  выполняет важные задачи, направленные на обеспечение полезных свойств  живых организмов. В ходе исследования атмосферных слоев выяснилось, что  каждый из них способен возвращать обратно вещества или лучи, достигшие  его границ, либо в космическое  пространство, либо к земной поверхности. Например, тропосфера, расположенная  в 13-15 км от поверхности Земли, уплотняет  массы водяного пора, поднимающиеся  с земной поверхности, и возвращает их обратно на Землю в виде дождя. Озоновый слой атмосферы, т.е. озоносфера, расположенная на высоте 25 км от Земли, отражая идущие из космического пространства радиацию и вредные ультрафиолетовые лучи, возвращает их обратно, не позволяя пробиться к земной поверхности.

Рассматривая различные  экологические функции атмосферы  Земли, можно сделать однозначный  вывод, что жизнь на Земле без  этой воздушной оболочки была бы невозможна.

 

 

 

 

3. Качество атмосферы и особенности ее загрязнения 

Под качеством атмосферы понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит  
от ее загрязненности, причем сами загрязнения могут попадать в нее от природных и антропогенных источников.

 

 

 

Рисунок  2. Источники загрязнения атмосферы

 

 

Источники антропогенного загрязнения  атмосферы - источники загрязнения  атмосферы, обусловленные деятельностью  человека.

            С развитием цивилизации в загрязнении атмосферы все больше и больше превалируют антропогенные источники.

Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые  не содержатся в природном воздухе  или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

В зависимости от формы материи загрязнения подразделяют  
на вещественные (ингредиентные), энергетические (параметрические)  
и вещественно-энергетические. К первым относят механические, химические  
и биологические загрязнения, которые обычно объединяют общим понятием - примеси, ко вторым - тепловые, акустические, электромагнитные  
и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона,  
к третьим - радионуклиды.

В глобальном масштабе наибольшую опасность представляет загрязнение атмосферы примесями, так как атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, способствуя распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями), переносимыми  
по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

Численность населения Земли и темпы его роста являются предопределяющими факторами повышения интенсивности загрязнения всех геосфер Земли, в том числе и атмосферы, так как с их увеличением возрастают объемы и темпы всего того, что добывается, производится, потребляется и отправляется в отходы. Наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в городах, где обычные загрязнители - это пыль, сернистый газ, оксид углерода, диоксид азота, сероводород и др. В некоторых городах  
в связи с особенностями промышленного производства в воздухе содержатся специфические вредные вещества, такие, как серная и соляная кислота, стирол, бензаперен, сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат. Всего  
в городах несколько сотен различных загрязнителей воздуха.

Особую тревогу вызывают загрязнения атмосферы вновь  
создаваемыми веществами и соединениями. Всемирная организация здравоохранения отмечает, что из 105 известных элементов таблицы Менделеева 90 используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 тыс. новых химических соединений, из которых почти 10% вредные или особо вредные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу 

Различают естественные примеси, т.е. обусловленные природными процессами, и антропогенные, т.е. возникающие в результате хозяйственной деятельности человечества (рис.1.1).

Уровень загрязнения атмосферы  примесями от естественных источников является фоновым и имеет малые отклонения от среднего уровня во времени.

Рис. 1.1. Схема процессов выбросов веществ в атмосферу и трансформации исходных веществ в продукты с последующим выпадением в виде осадков

 

 

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов примесей  
и многочисленностью источников их выброса. Наиболее устойчивые зоны  
с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Установлено, что каждые 10... 12 лет объем мирового промышленного производства удваивается, а это сопровождается примерно таким же ростом объема выбрасываемых загрязнений в окружающую среду. По ряду загрязнений темпы роста их выбросов значительно выше средних. К таковым относятся аэрозоли тяжелых и редких металлов, синтетические соединения,  
не существующие и не образующиеся в природе, радиоактивные,  
бактериологические и другие загрязнения.

Примеси поступают в атмосферу  в виде газов, паров, жидких и твердых  частиц. Газы и пары образуют с воздухом смеси, а жидкие и твердые частицы - аэрозоли (дисперсные системы), которые подразделяют на пыль (размеры частиц более 1 мкм), дым (размеры твердых частиц менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10 мкм). Пыль может быть крупнодисперсной (размер частиц более 50 мкм), среднедисперсной (50...10 мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм).  
В зависимости от размера жидкие частицы подразделяют на супертонкий туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсный туман (0,5...3,0 мкм), грубодисперсный туман  
(3...10 мкм) и брызги (свыше 10 мкм). Следует отметить, что аэрозоли чаще  
полидисперсные, т.е. содержат частицы различного размера.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65% всех выбросов приходится на транспорт,  
21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность.  
При вдыхании угарный газ из-за имеющейся в его молекуле тройной связи  
образует, прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь. Это вызывает головные боли, тошноту, а при более высокой концентрации - смерть. Максимальная разовая ПДК СО - 5 мг/м³, а среднесуточная - 3 мг/м³. При 14 мг/м³ возрастает вероятность смерти от инфаркта миокарда. Столь экстремальные концентрации часто наблюдаются в районах повышенной антропогенной нагрузки на окружающую среду: в часы пик на транспорте или при инверсиях (т.е. в условиях слабого воздушного обмена), благоприятствующих возникновению смога. Уменьшение выбросов угарного газа достигается путем дожигания отходящих газов  
и использования альтернативных источников топлива.

Диоксид углерода (С0₂), или углекислый газ - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним  
из парниковых газов.

Диоксид серы (S0₂) (сернистый ангидрид) - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он в первую очередь участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс  
его оценивается в 190 млн. т в год. Концентрация диоксида серы особенно велика  
в районах, где расположены крупные тепловые электростанции, металлургические и горно-обогатительные заводы. Максимальная разовая ПДК диоксида серы составляет 0,5 мг/м³, а среднесуточная - 0,05 мг/м³. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем к воспалению или отеку легких, перебоям  
в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания. Растения гораздо чувствительнее к воздействию диоксида серы, чем человек.  
Так, листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км  
от предприятий, выбрасывающих диоксид серы, обычно густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты.

Оксиды азота (оксид N0 и диоксид азота N02) - газообразные вещества, объединяемые одной общей формулой N0,. Оксиды азота образуются при всех процессах горения (причем большей, частью в виде N0). Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно белый газ  
с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки человека.  
Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование оксидов азота.

Другим источником оксидов азота  являются предприятия, производящие азотные  удобрения, азотную кислоту и  нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. т в год. Из общего количества выбрасываемых атмосферу оксидов азота на транспорт приходится 55%,  
на энергетику - 28%, на промышленные предприятия - 14%, на мелких потребителей и бытовой сектор - 3%. В летний период при интенсивном солнечном облучении продолжительностью 12... 14 азотная кислота вследствие высокой растворимости в воде (облака, дождь) и сорбции на увлажненных поверхностях быстро выпадает на земную поверхность. В городах наиболее высокие концентрации оксидов азота наблюдаются утром, до начала фотохимических процессов. При ярком солнечном свете оксиды азот реагируют  
с несгоревшими бензиновыми парами и другими угле водородами, образуя низкоатмосферный озон, или смог, т.е. красно-бурую дымку. Максимальная разовая ПДК диоксида азот составляет 0,085 мг/м³, а среднесуточная - 0,04 мг/м³. При концентрациях свыше 0,15 мг/м³ возникают острые заболевания органов дыхания. При остром отравлении диоксидом азота может развиться отек легких. Признаками хронического отравления являются головные боли, бессонница, раздражение слизистых оболочек.

Озон (0₃) - газ с характерным запахом, более сильный окислитель,  
чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений (ЛОС). Поскольку к ЛОС относят порядка 260 химических соединений, при образовании озона получаются смеси из сотен химических веществ, называемые фотохимическим смогом. Наиболее высокие концентрации озона наблюдаются в промышленных районах. Однако поскольку эмиссии диоксида азота и ЛОС участились даже в сельской местности, то и здесь зафиксированы повышенные концентрации озона. Озон относят к 1-му классу опасности, при этом максимальная разовая ПДК составляет 0,16 мг/м³, а среднесуточная - 0,03 мг/м³.

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами  
по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан тяжелые поражения нервной системы человека. Бутадиен является сильным канцерогеном.

Свинец (РЬ) - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60% мировой добычи свинца, которая составляет порядка 4-10⁷ т, ежегодно расходуется для производства кислотных аккумуляторов. Однако основным источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец. Для свинца и его соединений (кроме тетраэтилсвинца) среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м³, а для тетраэтилсвинца установлен ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ) 3-10⁶ мг/м³. Свинец и его соединения, попадая в организм человека, снижают активность ферментов  
и нарушают обмен веществ, кроме того, они обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме человека. Особенно серьезную угрозу соединения свинца представляют для детей до шести лет. В организме ребенка остается до 40% попавших в него соединений свинца,  
а это нарушает умственное развитие, замедляет рост, ухудшает слух и речь ребенка и лишает его способности сосредоточиться.

Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Их преимуществом перед другими веществами является то, что они  
не горючи, нетоксичны и нейтральны. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках  
и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового  
пожаротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов и т.д.).

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие 4 класса:

механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;

возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;

летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется в процессе горения входящих в его состав минеральных примесей;

промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер, который колеблется в широких пределах - от 0,1 до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают  
в дыхательных путях и именно их вдыхает человек.