132. Основные загрязнители, образующиеся в процессе производства: монооксид и диоксид углерода. Характеристика. Источники образования. Токсичность.

Оксид углерода СО – неощутимый, бесцветный и не имеющий запаха ядовитый газ, возникающий при неполном сгорании органических соединений.

Концентрация СО в городском воздухе больше, чем любого другого загрязнителя. Однако поскольку этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, наши органы чувств не в состоянии обнаружить его.

Источники образования СО.

Небольшие количества монооксида углерода природного происхождения образуются в результате вулканической деятельности и окисления метана в атмосфере. Эта реакционная цепь пока е полностью не установлена, но, по-видимому, окисление осуществляется с помощью ОН^– радикалов. Исходным веществом для образования этих радикалов служит тропосферный озон, который под действием ультрафиолетового излучения с длиной менее 310 нм выделяет возбужденный кислород О(¹D)

Этот возбужденный кислород в тропосфере водяными парами образует радикалы ОН^–.

Радикалы ОН^– окисляют метан в многостадийном процессе, где заключительной стадией является образование СО, который, видимо с помощью других радикалов ОН^–, может превращаться в СО₂.

Самый крупный антропогенный источник оксида углерода – автотранспорт, т.к. в большинстве городов свыше 90 % СО попадает в воздух вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе по реакции: 2С+О₃ = 2СО. Полное сгорание дает в качестве конечного продукта диоксид углерода: С + О₂ = СО₂. Это происходит потому, что у двигателей внутреннего сгорания оптимальные условия окисления топлива создаются только при выходе на определенный рабочий режим. Как правило, это соответствует 3/4 общей мощности двигателя; напротив, максимальные выбросы СО происходят на холостом ходу.

Другой источник оксида углерода – табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Доказано, что курильщик поглощает вдвое больше оксида углерода по сравнению с некурящим.

На горожанина-курильщика, особенно в закрытых помещениях, приходится двойная нагрузка: с одной стороны, действие СО, образующегося в результате выброса промышленными предприятиями и транспортом, с другой – СО, содержащегося в табачном дыме. В то время как у курильщиков – промышленных рабочих в крови обнаружено в среднем 5 % Hb∙СО, у некурящих рабочих содержание Hb∙СО не превышало 1,5%.

Токсичность.

Монооксид углерода представляет опасность для человека прежде всего потому, что он может связываться с гемоглобином крови, а также тем, что он участвует в образовании смога. Кроме того, СО может образовывать высокотоксичные соединения – карбонилы, но пока не установлено, в какой степени реализуются в природе необходимые для этого условия.

Карбонилы металлов – химические соединения, координационные комплексы монооксида углерода СО с переходными металлами общей формулой Me_m(CO)_n, например, карбонил железа – Fe(CO)₅. Они весьма летучи, чрезвычайно токсичны, хорошо растворимы в органических растворителях, но, как правило, плохо растворимы в воде.

СО образует стойкое соединение с гемоглобином, пигментом крови, который отвечает за транспортировку кислорода к тканям организма. Вдыхание оксида углерода блокирует поступление кислорода в кровь, что приводит к кислородному голоданию тканей и (в зависимости от концентрации) вызывает головную боль, головокружение, тошноту, шум в ушах, обморок, паралич дыхательных путей и смерть.

Высокие концентрации СО, возникающие в воздухе, загрязненном автомобильными выхлопами в часы пик или при погоде, способствующей смогу, особенно опасны для людей, страдающих болезнями сердца и сосудов.

Связывание СО в природе и обеззараживание воздуха.

Непрерывное выделение СО наряду с его относительно дли­тельным нахождением в атмосфере (несколько месяцев) должно было бы привести к большему увеличению концентрации СО в воздухе, чем это на­блюдается фактически. Такому накоплению СО препятствуют высшие растения, водоросли и особенно микроорганизмы по­чвы. Высшие растения в определенной степени могут связывать СО с помощью аминокислоты серина, возможно также окисле­ние СО в СО₂. В почве некоторые микроорганизмы также либо частично переводят СО в органические соединения, либо окисля­ют его в СО₂. Поэтому почва играет особую роль в удалении СО из атмосферы.

Диокси́д углеро́да (двуо́кись углеро́да, углеки́слый газ, окси́д углеро́да (IV), у́гольный ангидрид, углекислота́) – CO₂, бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом.

В отличие от монооксида углерода диоксид углерода образу­ется при полном окислении углеродсодержащего топлива. Ат­мосферный СО₂ находится в состоянии постоянного обмена с почвой, водами и живыми организмами, в результате чего со­здается постоянный кругооборот его в природе.

Источники образования СО₂.

Источниками СО₂ служат вулканические извержения, выветривание содержащих углерод горных пород, микробиологический распад органических соединений над почвой и в почве, дыхание животных, растений и человека, лесные пожары и сжи­гание природного топлива. Выбросу СО₂ противостоят процессы его фиксации из атмосферы: фотосинтез растений, растворение в морской воде, накопление соединений, богатых углеродом, и отложение богатых углеродом залежей горючих ископаемых.

Увеличение количества сжигаемого природного топлива с развитием индустриализации, особенно в течение последних 100–200 лет, привело к заметному повышению содержания СО₂ в атмосфере.

Наряду со сжиганием природного топлива человек находит другой повод для вмешательства в природные «кладовые» углерода. В результате интенсивной обработки земли и создания новых пашен идет быстрое разрушение слоя гумуса в почве, и ускоренный переход углерода в атмосферу. К этому добавляется вырубка лесов, особенно ликвидация тропической растительности, которой издавна накопились огромные запасы углерода. Эти рубки в значительной мере способствуют нарушению равновесия между связыванием и выбросом углерода. Пока еще не удалось количественно установить вклад в увеличение концентрации в атмосфере в результате вырубки лесов и ускоренного разрушения гумуса.

Действие на организм человека.

В орга­низме человека СО₂ вместе с бикарбонатами образует важнейшую буферную систему крови. Повышение уровня парциального дав­ления СО₂ в крови увеличивает прочность связи кислорода с гемоглобином. Воздействуя на центры головного мозга, СО₂ участвует регуляции дыхания и кровообращения. В больших концентрациях СО₂ токсичен, вызывает гипоксию (кислородное голодание). Длительное вдыхание СО₂ (до нескольких суток) вызывает головную боль, тошноту. Опасная концентрация СО₂ (1,5–3 % в воздухе) с одновременным снижением кислорода обычно наблюдается в плохо вентилируемых помещениях.

Диоксид углерода в атмосфере.

Попавший в атмосферу СО₂ остается в ней в среднем 2 до 5 лет. За это время СО₂ повсеместно распространяется по всей земной поверхности, входя в состав атмосферы. Влияние СО₂ выражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи. При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство. Это возвращаемое тепло частично пе­рехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить кли­матические изменения («парниковый эффект»). Одна из основ­ных проблем нашего времени состоит в том, чтобы определить масштабы и временные рамки климатических изменений в ре­зультате накопления тепла за счет СО₂. До сих пор неясно, в какой степени климати­ческие изменения связаны с поглощением инфракрасного излуче­ния в атмосфере.

Согласно расчетам при удвоении содержания СО₂ в атмосфере среднее глобальное увеличение температуры со­ставляет 0,8–2,9 °С. В тропиках потепление меньше среднего глобального, в полярных зонах – больше.

Измеренные температурные изменения в тропосфере еще ничего не говорят о климатических изменениях. Многолетние наблюдения естественных колебаний температуры в тропосфере, в первую очередь над областями вулканических извержений, пока­зывают, что изменения температуры на десятые доли градуса не влияют на климат. Предполагают, что изменение климата наступает только при изменении температуры более чем на 0,8 °С. При удвоении содержания СО₂ в тропосфере изменение климата с повышением температуры становится вполне вероятным, если не происходит никаких компенсирующих процессов, как, например, усиленное поглощение и рассеяние излучения в стратос­фере из-за загрязнений в виде пыли и аэрозолей.

Возможные климатические изменения при среднем подъеме температуры на 2 °С. При этом климатиче­ские пояса Земли сдвигаются к полюсам. В результате замерза­ющие порты Северной Европы, Северной Америки и Северной Азии освобождаются от льдов, одновременно происходит смещение субтропических засушливых зон в важнейшие плодородные области. Это сильно скажется на продовольственном положении населения планеты. Внушает опасение возможное сниже­ние урожая кукурузы в США на 20 % и урожая пшеницы на 10 %. В Казахстане урожай пшеницы может понизиться даже на 20 %. Напротив, в тропических районах возможно увеличение сбора риса на 12–16 %.

Другая проблема заключается в том, что повышение температуры приведет к расплавлению ледяных шапок на полюсах. Таяние арктических льдов не будет столь уж интенсивным, поскольку там существует равновесие между плавающими льдами и водой. Иное положение создается в Антарктиде, где основная часть ледового щита покоится на твердом основании. При таянии этого ледового щита или сползании его в океан возможен подъем уровня воды на несколько метров. В этом случае вода покроет около 2 % общей площади США с населением 12 млн. человек. В Германии будут затоплены около 16 % территории Шлезвиг-Гольштейна, Нижней Саксонии, Гамбурга и Бремена с населением 2 млн. человек.