Атмосфера - это слой воздуха над планетой Земля высотой ~ 60 км. В воздухе, которым мы дышим, находится огромное количество вредных веществ: частицы сажи, асбеста, свинца, пыли, взвешенные жидкие капли углеводородов и серной кислоты, а также оксиды углерода, оксиды азота, оксиды серы и т.д. Все эти загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе, оказывают токсическое воздействие на организм человека: затрудняется дыхание, развиваются сердечно-сосудистые заболевания и т.д. В результате воздействия некоторых содержащихся в воздухе веществ подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том числе известняк и металлы. Может изменяться и облик местности, поскольку растения очень чувствительны к загрязнению воздуха
Нормальный состав (компоненты чистого сухого воздуха) атмосферы Земли в % (объемных) N2 - 78,08 O2 - 20,94 Ar - 0,93 CO2 < 0,00005 Ne, He, CH4, Kr и H2 - 0,01
К основным загрязнителям атмосферы, которых по данным ЮНЕП ежегодно выделяется до 25 млрд. тонн, относят: а) оксиды серы (SO2 и SO3); б) оксиды азота (NxOy); в) оксиды углерода (CO и CO2); г) углеводороды (CxHy); д) пыль.
Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается ~ 200 млн. тонн оксида серы (IV) и пыли, ~ 60 млн. тонн оксидов азота, ~ 80 млн. тонн оксидов углерода и ~ 80 млн. тонн различных углеводородов.
Оксиды серы (SO2 и SO3) Оксиды серы выделяются в атмосферу в основном в результате сжигания ископаемого топлива (бурого угля, мазута, серосодержащих нефтепродуктов) в процессе работы тепловых электростанций (ТЭС), а также при переработке полиметаллических серосодержащих руд различных металлов (PbS, ZnS, CuS, NiS, MnS и т.д.). Например, ТЭС мощностью 1 млн. кВт при работе на каменном угле выбрасывает 11 тыс. тонн SO2 в год, при работе на газе - 20% от этого количества. К тому же предприятия, производящие целлюлозу, тоннами выбрасывают оксиды серы. Высокие концентрации SO2 приводят к образованию «зимнего» смога (смога лондонского типа).
При сжигании топлива и при переработке серосодержащих руд содержащаяся в них сера окисляется, образуя два соединения: SO2 и SO3. При этом до SO3 окисляется менее 3% исходной серы. При взаимодействии SO2 и SO3 с парами воды в воздухе соответственно образуются сернистая и серная кислоты. Около 60% от всех содержащихся в дождевой воде кислот составляет серная кислота. Кислотные дожди способствуют коррозии металлов и губят растения. Даже когда среднее содержание оксидов серы в воздухе составляет всего 100 мкг/м3, что нередко имеет место в городах, растения могут приобретать желтоватый оттенок. Отмечено также, что заболевания дыхательных путей (бронхит, астма, кашель и т.д.) учащаются при повышенном содержании оксидов серы в воздухе. Кроме этого кислотные дожди вымывают тяжелые металлы из горных пород, закисляют почву и увеличивают кислотность озер, пагубно влияя на популяции рыб. Например, в 80-е годы озера и реки Норвегии из-за кислотных дождей почти полностью потеряли свои рыбные запасы. В этом в большой мере была вина предприятий комбината «Североникель», расположенных на Кольском полуострове.
В настоящее время многие страны успешно решают проблему загрязнения атмосферы оксидами серы. Так, Швеция, особенно сильно пострадавшая от кислотных дождей, ограничила сжигание нефти и угля и использует только горючее, не содержащее серу. В Греции для отопления жилых домов в районе Акрополя разрешается использовать лишь топливо с особо низким содержанием серы. В Лондоне в результате ряда строжайших мер снизилось содержание оксидов серы, что привело к исчезновению лондонского смога. Россия также входит в конвенцию по выбросам оксидов серы и участвует во всех процессах, способствующих снижению выбросов оксидов серы в атмосферу. Основным решением этой проблемы является строительство заводов, производящих серную кислоту по схеме SO2 SO3 H2SO4. Таким образом, используя оксиды серы для производства столь необходимого во многих областях деятельности продукта, человечество перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.
Было подсчитано, что в 80-е годы масса выбросов оксидов серы составляла 15,6 млн. тонн в год, а мировые потребности в серной кислоте (для получения синтетических моющих средств, для заливки аккумуляторов автомобилей и т.д.) составляли около 25 млн. тонн в год. Таким образом, потребности в серной кислоте были значительно меньше того количества, которое можно было произвести из выбрасываемых оксидов серы.
В настоящее время разработано и используется много методов для улавливания SO2 из отходящих дымовых газов. Весьма привлекательными являются скрубберные установки, позволяющие получить продукты, имеющие спрос на рынке. Один из таких скрубберов может производить серу высокой чистоты, другой - разбавленную серную кислоту. Последнюю невыгодно перевозить на большие расстояния, тогда как высокочистая сера, находящая применение в производстве лекарственных препаратов, промышленных реагентов, удобрений и т.д., привлекает и далеких потребителей в развитых странах.
огромные массы оксидов серы комбината «Норильский никель», выбрасываемые 100-метровыми трубами, достигают через Северный полюс берегов Канады.
Оксиды азота (NxOy) В природе оксиды азота образуются при лесных пожарах, однако высокие концентрации этих загрязнителей в городах и в окрестностях промышленных предприятий связаны с антропогенной деятельностью. Оксиды азота в значительном количестве выделяются при работе ТЭС, двигателей внутреннего сгорания и в процессе травления металлов азотной кислотой. Производства взрывчатых веществ и азотной кислоты также являются источниками выбросов оксидов азота в атмосферу.
В «букет» вредности в атмосфере входят: 1) оксид азота (I) - веселящий газ (N2O), обладает наркотическими свойствами и используется при хирургических операциях; 2) оксид азота(II) - (NO), действует на нервную систему человека, вызывает паралич и судороги, связывает гемоглобин крови и вызывает кислородное голодание; 3) оксиды азота (IV) - (N2O4 2NO2), вызывают поражение дыхательных путей и отек легких. При взаимодействии с водой и кислородом образуют азотную кислоту: (5.1). Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей. Азотная кислота, образующаяся из оксидов азота, составляет около 35% от всех кислот, содержащихся в дождевой воде.
Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога, что приводит к вторичному загрязнению атмосферы городов. К фотохимическим процессам, характерным для южных солнечных городов, относятся процессы образования пероксиацетилнитратов (ПАН), которые при концентрациях 0,1-0,5 мг/м3 могут вызывать раздражение слизистой оболочки глаз и гибель растений. Наличие ПАН в атмосфере характерно для так называемого «летнего» или лос-анджелесского смога. Уровень фотохимического загрязнения воздуха тесно связан с режимом движения автотранспорта. Так, в период высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается максимум выбросов в атмосферу оксидов азота и углеводородов, химическое взаимодействие которых обуславливает фотохимическое загрязнение воздуха.
Высокие уровни оксидов азота приводят к учащению случаев катара верхних дыхательных путей, бронхита и воспаления легких у населения. Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей (например, астма или эмфизема легких), а также лица, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, могут быть более чувствительными к прямым воздействиям оксидов азота. У лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями дыхательных путей, в присутствии оксидов азота легче развиваются осложнения при кратковременных респираторных инфекциях.
Оксид углерода (II)(CO) В городском воздухе угарный газ (СО) содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель. Но так как этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, наши органы чувств не в состоянии его обнаружить. Оксид углерода (II) при вдыхании вместе с воздухом поступает в кровь, где взаимодействует с гемоглобином крови. Гемоглобин представляет собой сложный белковый комплекс, переносящий кислород из легких к клеткам организма, а углекислый газ - из клеток организма обратно в легкие. Угарный газ соединяется с молекулами гемоглобина во много раз прочнее, чем кислород. Чем больше угарного газа содержится в воздухе, тем больше гемоглобина связывается с ним и тем меньше кислорода достигает клеток. По этой причине оксид углерода (II) при повышенных концентрациях представляет собой смертельно опасный яд.
Самым крупным источником СО в атмосфере городов (свыше 90%) является автотранспорт, поскольку в двигателях внутреннего сгорания происходит неполное сгорание углерода. При полном сгорании углерода, как известно, образуется углекислый газ (CO2). В 60-х годах типичный атомобильный двигатель выбрасывал с выхлопными газами в среднем 73 г СО на каждые 1,5 км пробега. По данным США к 1981 году выбросы СО новыми автомобилями снизились до 3,4 г на 1,5 км. Для достижения установленных норм выхлопные газы смешиваются с воздухом в присутствии катализатора. Оставшийся оксид углерода (II) окисляется в каталитическом преобразователе, содержащим платину и палладий (Pt/Pd), обладающими каталитическими свойствами. Именно такая схема в настоящее время выбрана повсеместно для уменьшения выбросов СО в атмосферу. Например, в Москве по решению мэрии не разрешается оформлять покупку автомобилей иностранных марок до 1985 г. выпуска, т.е. без соответствующих установленных катализаторов. Принимаемые меры приводят к снижению уровня загрязнения оксидом углерода (II) двигателями внутреннего сгорания. В США общий выброс СО автотранспортом снизился с 64,3 млн. тонн в 1976 году до 47,7 млн. тонн в 1983 году, т.е. на 25%. Причинами столь малого снижения являются рост числа автомобилей на дорогах и ухудшение со временем каталитических свойств преобразователей. Следовательно, необходимо регулярно контролировать газовые выбросы двигателей внутреннего сгорания на содержание в них СО.
Другой источник угарного газа - табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Доказано, что курильщик поглощает вдвое больше СО, чем человек, живущий в сильно загрязненной среде.
Оксид углерода (IV)(CO2) Углекислый газ (CO2) является нормальной составляющей атмосферы, без которой жизнь на Земле в том виде, в котором она существует в настоящее время, не была бы возможна. В присутствии CO2 под действием света в клетках зеленых растений протекает процесс фотосинтеза (5.2), где 2820 кДж - количество солнечной энергии, использованной в процессе фотосинтеза.
Однако постоянное накопление CO2 в атмосфере Земли сопряжено с негативными последствиями. Влияние углекислого газа связано с его способностью поглощать инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне длин волн 700 <λ< 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою энергию от Солнца в интервале видимого участка спектра (400 <λ< 700 нм), а отражает в виде длинноволнового ИК излучения. Таким образом, CO2 задерживает тепловое излучение Земли, действуя как парниковая пленка. С 1850 года по настоящее время содержание CO2 в атмосфере Земли возросло с 0,027% до 0,033%. Это является следствием техногенной деятельности человека. Подсчитано, что человечество в XX веке сожгло ископаемых видов топлива столько же, сколько за весь период своего существования до XX века. Возрастание среднегодовой температуры, связанное с накоплением CO2, может привести к таянию ледников и, как результат, к поднятию уровня мирового океана. К счастью накопление углекислого газа в атмосфере идет в 2-3 раза медленнее, чем это подсчитано теоретически.
Механизмом вывода CO2 из атмосферы Земли является поглощение его в процессе фотосинтеза зеленых растений, а также связывание его в океанских водах в нерастворимые карбонаты по реакции: (5.3).
Пыль Основной вклад в запыление атмосферы Земли вносит сама природа. Это пыльные бури, эрозия почв, выбросы вулканов, морские брызги. Однако около 15-20% от общего количества пыли и аэрозолей в атмосфере имеют антропогенное происхождение. Основной вклад вносит производство стройматериалов, дробление пород в горнодобывающей промышленности, производство цемента, строительство. Например, во Франции выбрасывается в атмосферу примерно 3% от общего количества производимого цемента (~ 100 тонн в год). Оседающая в промышленных городах пыль содержит ~ 20% оксида железа (III) (Fe2O3), ~ 15% оксида кремния (SiO2) и ~ 5% сажи (С). Промышленная пыль часто включает оксиды различных металлов и неметаллов, многие из которых токсичны. Это оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, мышьяка, теллура. Пыль и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и затрудняют отвод тепла от Земли.
