Загрязнение воздуха окислами серы и твердыми частицами

Загрязнение воздуха  окислами серы и твердыми частицами 

Окислы серы 

Сера попадает в  воздух при сжигании нефти и угля 

Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов  горючего, таких, как уголь и мазут. Образующиеся окислы серы загрязняют воздух во многих районах США. Будучи рассеянными в атмосфере посредством  высоких дымовых труб, эти окислы становятся основной причиной кислотных  дождей. Тем не менее топливо, при  сгорании которого образуются окислы серы, необходимо для получения тепла, электричества и энергии для  приведения в действие различных  машин.

Не все виды топлива  содержат значительные количества серы. В углях некоторых сортов содержится всего 0,5% серы, тогда как в других-до 6%. Уголь широко используется в производстве стали, но в первую очередь он применяется  как топливо для получения  пара и последующего генерирования  электрической энергии. Среднее  содер¬жание серы в углях, идущих на получение электроэнергии, составляет 2,5%. Однако уголь, используемый для  производства стали, должен содержать  гораздо меньше серы. Вот почему долговременные контрак¬ты на поставки угля сталелитейной промышленности заключаются в США главным  образом с компаниями, добывающими  уголь с низким содержанием серы.

При сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля выделяется 25 тыс. т серы. Разумеется, эта сера выделяется не в элемен¬тарной  форме, а главным образом в  виде сернистого газа-двуокиси серы. В 1985 г. для получения электроэнергии в топках электростанций было сожжено 645 млн. т угля. Сколько же серы при  этом выделилось в воздух?

Сера также содержится в сырой нефти, однако ее содержание не превышает 1%. При перегонке нефти  большая часть серы из продуктов  перегонки, таких, как керосин и  бензин, удаляется. Содержащие серу отходы сжигаются в процессе перегонки. Проезжая мимо перегонных установок, вы сразу увидите эти сернистые  отходы, горящие на вершине высокой  металлической трубы. Вот почему керосин и бензин делают лишь небольшой  вклад в выбросы окислов серы, попадающих в атмо¬сферу. Например, в США из ежегодного выброса соединений серы лишь около 5% приходится на бензин и керосин. Нефть, используемая для  отопления домов, также содержит сравнительно низкий процент серы: в среднем около 0,25%.

При перегонке нефти  большая часть серы переходит  в мазут – самую тяжелую  фракцию перегонки. В нем может  содержаться от 0,5 до 5,0% серы, хотя посредством  дополнительных процедур перегонки  содержа¬ние серы в мазуте можно  еще уменьшить. При перегонке  малосернистой нефти получается и малосернистый мазут. Мазут  используется для отопления жилых  домов и различных учреждений, таких, как школы и больницы. Вплоть до начала семидесятых годов мазут  широко применялся в качестве топлива  для тепловых электростанций из-за сравнительно низкой цены и малого содержания серы.

В отличие от нефти  и угля природный газ практически  не содержит серы. С этой точки зрения газ является экологически чистым топливом. В 1983 г. при сжигании угля и нефти  тепловые электростанции

выделили 16,8 млн. т  серы, или 87% всех окислов серы (20,8 млн. т), выброшенных в атмосферу в  том году (рис. 8.1). Соединения серы попадают в воздух также от очистных и литейных предприятий, а также многих других источников. 

Рис. 8.1. Тенденции  в  изменениях  количества  выбросов окислов серы в атмосферу. Даже при  широком использовании технологий, уменьшающих выбросы,  возрастание  потребления  угля  в качестве топлива  сохраняет достаточно высокий  уровень выбросов. То, что на рисунке  обозначено как «Сжигание топлива», включает сжигание угля и нефти на электростанциях, заводах и фабриках, а также использование угля и  нефти для обогревания жилых  домов,   учреждений,   производственных   помещений   и   т. п.   Эти  стационарные источники необходимо отделять от подвижных источников, таких как автомобили, тракторы, поезда и самолеты. Область, обозначенная на рисунке «Промышленные процессы», охватывает поступление в атмосферу  окислов серы вследствие таких процессов, как выплавка металлов из руд (учитывается  сера, портупающая из самих руд, а  не из топлива, используемого в ходе плавки). (По данным Агентства охраны окружающей среды США.)  

Окисление серы и  образование едкого кислотного тумана 

При сжигании угля или  нефти сера, содержащаяся в них, окисляется. При этом образуются два соединения: двуокись серы и трехокись серы (рис. 8.2). В процессе первоначального горения  топлива до трехокиси окисляется менее 3% серы. Оставшаяся часть превращается в двуокись серы-первичную форму, в которой сера поступает в  атмосферу. Здесь двуокись серы постепенно окисляется кислородом воздуха до трехокиси. Образовавшаяся трехокись сразу  же реагирует с водяным паром, обра¬зуя серную кислоту (Н28О4), которая  присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из крошечных  капель. Этот туман обладает высокой  корродирующей способностью и разъедает  многие материалы, в том числе  такие строительные материалы, как  мрамор и известь.

Двуокись серы, образующаяся при сжигании топлива, тоже вступает в реакцию с парами воды, образуя  сернистую кислоту (Н28О3). Эта слабая кислота в свою очередь постепенно реагирует с кислородом воздуха, образуя серную кислоту. Итак, серная кислота в воздухе образуется двумя путями. В сухом воздухе  образуется главным образом трехокись  серы и затем серная кислота; а  при высокой влажности образуется в основном сернистая кислота, которая  затем окисляется до серной.

При сжигании топлива  образуются также окислы кальция  и железа. Эти окислы попадают в  атмосферу в больших количествах  при сжигании угля, но при сгорании нефти их образуется гораздо меньше. Попавшие в атмосферу окислы обычно вступают в реакцию с серной кислотой с образованием частиц сульфатов  кальция и железа. Таким образом, при реакции окиси кальция  с серной кислотой образуются сульфат кальция и вода. Окислы железа вступают в реакцию аналогичным образом. Эти реакции представлены на рис. 8.2.

Количество содержащихся в городском воздухе частиц сульфатов  и капелек серной кислоты может  достигать от 5 до 20%. Полагают, что  большая часть двуокиси серы превращается в сульфаты и серную кислоту в  течение нескольких дней после ее выброса в атмосферу. За это время  ветры могут отнести эти загрязнения  на сотни километров от места их выброса. 

Воздействие на материалы, растения и людей 

Многие материалы  под действием взвеси капелек  серной кислоты разрушаются. Помимо строительных материалов, содержащих углекис¬лый кальций, таких, как  мрамор или известняк, подвергаются коррозии также металлы, в частности  сталь, медь и алюминий; активно разруша¬ются ткани и одежда.

Высокая концентрация двуокиси серы и ее производных вызывает серьезное повреждение растительности. В тех местах, где содержание серной кислоты в воздухе достигает  значения порядка 3000 мкг-м"3, листья, хвоя и другие растительные ткани  выглядят побелевшими. Постепенно листья и хвоя приобретают вид обожженных, становятся красновато-коричневыми  и опадают. Плавильные печи, в которых  очи¬щают медные и свинцовые руды, содержащие серу, способны загрязнять выбросами газов обширные районы. Например, поразительное зрелище  почти полного отсутствия растительности можно наблюдать в окрест¬ностях  обогатительного комбината «International Nickel Companu» в Садбери (пров. Онтарио).

Даже когда среднее  содержание двуокиси серы составляет всего 100мкг*м -3, что нередко имеет  место в городах, растения могут  приобретать желтоватый оттенок. Фруктовые  деревья, такие, как яблони и груши, а также лесные, такие, как сосна  желтая или лиственница американская, чувствительны к повреждениям от окислов серы. Весьма чувствительны  к окислам серы хлопчатник, люцерна  и ячмень.

Считают, что высокое  содержание окислов серы в воздухе  непосред¬ственно влияет на увеличение заболеваемости людей и даже на рост смертности. Во всех случаях катастрофического  загрязнения атмосферы в Нью-Йорке, Осаке и Лондоне исследователи  неизменно отмечали увеличение смертности вслед за периодами высоких концентраций окис¬лов серы в воздухе. Воздействие  на здоровье людей окислов серы и  пылевых частиц трудно отделить друг от друга, поскольку оба эти типа загрязнений обычно действуют совместно. Их совокупный эффект рассматривается  ниже в этой главе.

Отмечено, что заболевания  дыхательных путей, например бронхиты, учащаются при повышении уровня Окислов серы и воздухе. В одном  из исследований было обнаружено, что  даже в районе, где средняя годовая  концентрация окислов серы составляла всего 100 мкг-м -3, количество заболеваний  заметно возросло. До недавнего времени  подобные уровни наблюдались во многих районах США, а в Питтсбурге и  Солт-Лейк-Сити только сейчас понизились до этого уровня.

Чтобы оценить, насколько  значительно было загрязнение воздуха  окислами серы в прошлом и в  каком состоянии мы находимся  сейчас, необходимо познакомиться со стандартами качества воздуха для  этих загрязнений. Суточный (установленный  за сутки наблюдений) стандарт для  окислов серы, принятый в 1971 г. и опирающийся  на показатели здоровья человека, составляет 365 мкгм~3, причем этот уровень не должен превышаться более одного раза в  течение года. Считают, что о загрязнении  необходимо предупреждать, когда 24-часовое  среднее значение превышает 800 мкг*м-3. Годичный стандарт, т.е. усредненное  значение за год, составляет 80 мкг*м -3.

В сельской местности  фоновая концентрация близка к 0,5 мкг*м-3, однако концентрация в городах в 50-100 раз выше. В Чикаго, например, в 1954 г. концентрация окислов серы составляла 470 мкг-м-3, что совершенно ненормально. Уровень окислов серы в воздухе  Чикаго существенно снизился после  установления стандартов качества воздуха  в 1971 г.

Во время известного лондонского тумана в 1952 г. концентрация окислов серы в воздухе достигла 4000 мкг*м -3. При катастрофическом загрязнении  воздуха в Нью-Йорке средняя  концентрация за один день составила 2500 мкг*м-3. Такие концентрации все еще  встречаются в некоторых районах  мира. В Анкаре (Турция) в январе 1982 г. в течение нескольких дней содержание окислов серы в воздухе достигало 2835 мкг*м-3. Чтобы уменьшить выбросы  серы в атмосферу, было приказа¬но закрыть  все промышленные предприятия и  деловые учреждения, за исключением  больниц и пекарен. Проблема загрязнения  воздуха в Анка¬ре является хронической, поскольку в городе в качестве топлива исполь¬зуется слишком  много богатых серой угля и  нефти.

Было отчетливо  показано, что окислы серы вызывают затруднение дыхания из-за возрастающего  сопротивления проходу воздуха  по дыха¬тельным путям. Уже одно это  может служить достаточным основанием для борьбы с выбросами окислов  серы в атмосферу. Однако двуокись серы дает и дополнительный эффект. В  экспериментах на крысах было показано, что этот газ оказывается коканцерогеном. В присутствии бензапирена двуокись серы увеличивает частоту появления  раковых опухолей. В настоящее  время нет достаточных данных, чтобы считать двуокись серы канцерогеном или коканцерогеном для человека, но подозрения на этот счет имеются. (Канцерогены  будут рассмотрены ниже в этой главе.)

Наконец, двуокись серы является главным фактором, обусловлива¬ющим образование кислотных дождей, которые  закисляют озера, и ко¬торые, как  полагают, ответственны за широкомасштабную гибель лесов в США, Канаде и европейских  странах.