Химия окружающей среды

Кольский полуостров и Карелия также находятся в опасной зоне. Возвращение закисленных почв в нормальное состояние - длительный и дорогостоящий процесс.

 

Меры борьбы с кислотными осадками

Как было показано выше, кислотные дожди имеют в основном антропогенное происхождение. Образование кислотных осадков вызвано накоплением в атмосфере оксидов серы и азота и летучих органических веществ вследствие переработки топливно-энергетического сырья. Надо сказать, что из разведанных к настоящему времени и пригодных к эксплуатации месторождений угля, нефти и газа во всем мире основная доля приходится на уголь. Соотношение этих ресурсов (в энергетической шкале) 83 : 14 : 3, в то время как структура потребления иная, а именно 33 : 44 : 23. Потребление газа в России составляет существенно большую долю, чем в среднем по всему миру. С точки зрения сохранения окружающей среды, это безусловно имеет громадное положительное значение, так как газовое топливо экологически самое чистое, но есть опасение, что его запасы могут исчерпаться. Не исключена возможность, что природный газ будет заменен метаном, добываемым из газогидратов, но пока это технология будущего.

Для зашиты окружающей среды от вредных антропогенных веществ (продуктов сгорания) в принципе возможны два пути: очистка исходного топлива и очистка отходящих газов.

Количество оксидов азота, образующихся при сгорании топлива за счет азота воздуха, снижается, если применяют режимы горения при более низкой температуре. Для очистки отходящих газов от оксидов азота используют методы каталитического восстановления оксидов до свободного азота. Например, в Германии широко применяется процесс каталитического восстановления NOx c участием аммиака. Катализатор приготавливается на основе диоксида титана с добавлением оксидов ванадия, вольфрама или молибдена. Он работает при температуре 300-400 °С. 
Химические процессы на таком катализаторе можно представить в виде:

 

NO + 4NH3 = 5N2 + 6H2O

6NO2+ 8NH3 = 7N2 + 12H2O

Этот метод позволяет очищать отходящие газы от NOx на 95% .

Что касается охраны природы от антропогенного диоксида серы, то решать эту проблему нужно двояким образом: путем очистки топлива от серосодержащих веществ и путем очистки отходящих газов, выделяемых при горении. Такой подход обусловлен тем, что твердому и жидкому топливу (уголь и нефть) всегда сопутствует в качестве примеси сера. Для удаления серы из углей в некоторых странах (США) проводится предварительная очистка твердого топлива . Предварительная обработка угля уменьшает содержание серы на 10-30%. Сера в углях может быть в органической или в пиритной форме. Пирит отделяют ручным способом, а от органической серы освобождаются путем флотации. Существуют также химические (гидрогенизация) и микробиологические методы очистки от органической серы. Аналогичные методы применяют и для очистки жидкого топлива.

Для очистки отходящих газов от серосодержащих примесей применяют специальные устройства – скрубберы, заполняемые известью, известняком и специальными добавками. Так можно понизить содержание диоксида серы в отходящих газах на 70-90%. В настоящее время происходит постепенный переход к новым технологиям десульфуризации регенерационного типа, позволяющим получать ценные химические продукты.

К сожалению, в России очистку дымовых газов теплоэлектростанций от примесей серы и азота пока не проводят.

Для восстановления утраченных экологических условий на озерах и почвах применяется известкование. Методов нейтрализации антропогенных загрязнителей существует достаточно много. Их применение приводит к удорожанию производства, но другого пути для сохранения окружающей среды нет.

 

Автотранспорт и теплоэнергетика 
как источники загрязнения атмосферы

 

В первой половине XX века основные количества химических веществ, загрязняющих атмосферу городов индустриально развитых стран, поступали с выбросами промышленных предприятий. Сейчас на первое место среди источников загрязнения вышли автомобильный транспорт и предприятия теплоэнергетики, и уже свыше 50-ти лет загрязнение атмосферы этими антропогенными источниками, особенно автомобилями, рассматривается как опасность для окружающей человека среды и биосферы в целом.

Возникшая экологическая проблема усугубляется так называемым «парниковым» потеплением, следствием которого может быть коренное изменение климата Земли. Известно, что наличие парникового эффекта - условие существования жизни на нашей планете (в его отсутствие средняя температура поверхности была бы на 34 оС ниже). Однако его усиление чревато такими последствиями, как таяние ледников, тепловое расширение вод Мирового океана (следовательно, затопление территорий, на которых сейчас проживают сотни миллионов людей только в одной Европе), изменение уровня осадков и увеличение контрастности климата, наконец, разрушение вечной мерзлоты в приполярных районах. Последнее особенно важно для России и Канады, поскольку значительные территории этих стран лежат в зоне, где какая-либо хозяйственная деятельность возможна только лишь при условии сохранения вечной мерзлоты (ее оттаивание означает заболачивание).

Суть парникового эффекта заключается в том, что часть теплового излучения земной поверхности задерживается в атмосфере и нагревает ее. Ловушками теплоты служат водяной пар, СО2, СО, NxOy, метан, озон и ряд других газов, называемых «парниковыми». Чем выше концентраwии этих газов, тем сильнее парниковый эффект. В наибольших количествах из источников, связанных с деятельностью человека, поступает диоксид углерода CO2.   Его эмиссия сейчас составляет примерно 22 млрд. т в год. Однако опасность парникового потепления едва ли не в большей степени связывают с увеличением концентраций таких «малых газов», как озон, метан и закись азота.

Загрязнение воздуха и здоровье

 

Загрязнители атмосферы все чаще вызывают тревогу из-за их влияния на здоровье людей. Два газа - О3 и оксиды азота, ухудшают дыхание. Озон ослабляет работу легких, а оксиды азота при высоких концентрациях более всего опасны для астматиков.

Кислородсодержащие соединения типа альдегидов вызывают раздражение глаз, носа, горла, а также головную боль в периоды смога. На раздражение глаз наиболее часто жалуются в крупных городах с развитой транспортной системой. Его связывают в основном с группой азотсодержащих органических соединений, которые образуются в результате реакций между оксидами азота и различными органическими соединениями дыма. Наиболее известный из этих азотсодержащих раздражителей для глаз — пероксиацетилнитрат, который часто называют ПАН.

Это не единственная проблема, создаваемая транспортом. С автомобилями связывают и другие загрязнители, например свинец (РЬ) и бензол (С6Н6). Успех использования тетраалкилов свинца в качестве антидетонаторов для улучшения работы автомобильных двигателей привел к тому, что в странах, где много автомобилей, сконцентрировались очень большие количества свинца. Особенно много его осаждалось в городах и вблизи наиболее загруженных дорог. Свинец токсичен, и с ним связан ряд проблем, относящихся к здоровью. Пожалуй, наиболее тревожны результаты исследований, дающие основание предполагать, что сравнительно низкие концентрации свинца снижают умственные способности детей.

Не содержащий свинца бензин был предложен в США в 1970-х, чтобы в машинах могли использоваться каталитические конвертеры. С тех пор не содержащий свинца бензин стал использоваться более широко. Имеются свидетельства того, что концентрация свинца в крови снизилась параллельно уменьшению автомобильного источника свинца. Тем не менее понижение количества свинца в атмосфере может быть все еще недостаточным, чтобы уменьшить до удовлетворительного уровня возможные неуловимые воздействия на здоровье детей. Причина включается в том, что количество потребляемой пищи у детей велико относительно веса тела. Таким образом, дети получают относительно большие количества свинца с едой и водой чем взрослые. Хотя часть свинца могла поступить в пищевые продукты из атмосферы, свинец в пище может появиться также в процессе ее переработки.

Бензол — другой загрязняющий компонент из автомобильных топлив. Он естественным путем присутствует в неочищенной нефти и является полезным компонентом, поскольку предотвращает преждевременное возгорание не содержащего свинца бензина Существуют свидетельства того, что в некоторых районах, где перешли на виды топлива с высокими концентрациями ароматических углеводородов, произошло резкое увеличение смога. Причина — в высокой реакционной способности этих углеводородов в городской атмосфере. Отсюда видно, что решение одной очевидной экологической проблемы (свинец из бензина) может породить другую гораздо более острую (т. е. увеличившийся фотохимический смог из-за реакционноспособных ароматических соединений).

Бензол является также потенциальным возбудителем рака. Считается, что более 10% бензола, используемого на планете (33 Мт • год-1), в конце концов теряется в атмосфере. Высокие концентрации бензола можно обнаружить в воздухе городов, и они могут увеличить количество заболеваний раком. Обнаружение этого источника затруднено из-за значительной роли других источников бензола для людей, например табачного дыма. Другим ароматическим соединением, присутствующим в больших концентрациях в бензине, является толуол (С6Н6СНз). Толуол с меньшей вероятностью, чем бензол, может вызывать рак, но он имеет ряд нежелательных качеств. Возможно, наиболее важной является его реакция с образованием соединения типа ПАН, пероксибензилнитрата, который является сильным лакриматором.

 

Последствия загрязнения воздуха

 

В современной городской атмосфере особенно опасным для здоровья загрязнителем может быть О3. Основной особенностью озона является его способность разрушать двойные связи высокомолекулярных соединений. В частности, полимерным материалом с большим количеством двойных связей является резина, которая повреждается и трескается под воздействием О3. Покрышки и щетки стеклоочистителей особенно чувствительны к окислителям, несмотря на то, что новейшие синтетические резины имеют двойные связи, защищенные другими химическими группами, которые делают их более устойчивыми к разрушению посредством О3.

Многие пигменты и красители также разрушаются О3. Обычно это приводит к тому, что краска блекнет. Поэтому в художественных галереях загрязненных городов необходимо фильтровать воздух, особенно в помещениях, где находятся коллекции картин, написанных с использованием обычных красящих веществ, наиболее чувствительных к О3. Оксиды азота также могут повреждать пигменты. Возможно, что оксиды азота увеличивают скорость разрушения строительных камней, но недостаточно ясно, как это происходит. Некоторые исследователи высказывали мнение, что NO2 увеличивает эффективность образования H2SO4 на поверхности камней в городах с умеренными концентрациями SO2:

 

S02 + N02 + Н20  à N0+ Н2 S04

 

Другие исследователи предполагали, что соединения азота в загрязненной атмосфере способствовали более эффективному росту микроорганизмов на поверхности камней и увеличивали биологически опосредованное разрушение. Существует также возможность того, что в результате протекания реакций в газовой фазе образуется HNO3, которая непосредственно и воздействует на карбонатные породы.

Процессы удаления

 

Мы уже рассмотрели важность радикала *ОН как ключевой единицы, стимулирующей протекание реакций в атмосфере. Именно окисление с участием кислорода и оксидов азота  является основным процессом трансформаций, происходящих в атмосфере. Можно утверждать, что в результате протекания реакций в атмосфере микрокомпонентные газы окисляются.

Окисление неметаллов приводит к накоплению кислых соединений, и именно это объясняет ту легкость, с которой происходит окисление в атмосфере. Соединения углерода могут быть окислены до органических соединений, таких, как муравьиная кислота (НСООН) или уксусная кислота (СН3СООН), или, более полно, до угольной кислоты (Н2СОз, т, е. растворенной углекислоты). Из соединений серы может образовываться H2SO4 или, в случае некоторых органических соединений серы, метилсульфоновая кислота (СНзSОзН). Соединения азота могут быть, в конце концов, окислены до HNO3.

Растворимость многих из этих соединений в воде делает дождь эффективным механизмом удаления их из атмосферы. Этот процесс известен как «вымывание».

Важно отметить, что даже в отсутствие SO2 атмосферные капельки будут иметь кислую реакцию из-за растворения СO2. Это имеет значение в геохимии выветривания (см. далее). Однако SO2 действительно вносит существенный вклад в кислотность атмосферных капелек. Она может, создавать кислотные дожди. Однако рассмотрим последовательность реакций, которые могут вызвать гораздо более сильное подкисление:

 

H2O2 + НSОз- à SO42- + Н+ + Н2О

O3 + НSОз- à SО42- + Н+ + O

 

Перекись водорода и озон являются сильными природными окислителями, присутствующими в дождевой воде. Потенциально эти окислители могут окислить почти всю SO2 в некотором объеме воздуха. В таких условиях дождевая вода вполне может иметь значения рН ниже 3. Это иллюстрирует возможные высокие концентрации кислоты в атмосфере в результате того, что следовые загрязнители переходят из газовой фазы в капельки. Жидкая вода в атмосфере имеет объем примерно в миллион раз меньший, чем газовая фаза; таким образом, в результате растворения происходит существенное увеличение концентрации.

После того как вода падает на землю, может иметь место дальнейшее повышение концентрации, если вода замерзнет в виде снега. В процессе таяния снега происходит преимущественная потеря растворенных ионов, поскольку они стремятся накапливаться снаружи зерен льда, из которых состоят сугробы. Это означает, что на ранних стадиях таяния выносится именно растворенная H2SO4. Возможна ее 20-кратная концентрация.

Весной, когда тает первый снег, это имеет серьезные последствия для водных организмов и, особенно для их потомства.

Для газообразных загрязнителей или частиц возможен и прямой вынос из атмосферы на поверхность земли в процессе, известном как сухое осаждение. Он может иметь место на земле или на море, но все равно называется «сухим осаждением». На самом деле это не совсем правильное употребление термина, поскольку поверхности, доступные для сухого осаждения, наиболее эффективны, когда они увлажнены.