1.6.2. Кислотні опади

Кислотними називають будь-які види опадів (дощ, сніг, туман), рН (від’ємний логарифм концентрації водневих йонів) яких нижче 7, тобто опади, які мають кислу реакцію. Реєструють динаміку кислотності атмосферної води за кислотністю льоду в Антарктиді, Гренландії та Альпах. У 20-ті роки XIX ст. рН дощової води була на рівні 7, тобто нейтральною. Кислотні дощі вперше зареєстровані в 1972 р. в англійському місті Манчестер. Основною причиною їх випадання було надходження до атмосфери оксидів азоту та сірки. Приблизно дві третини кислотних дощів зумовлені діоксидом сірки. Третина, що залишилася, обумовлена в основному оксидами азоту, які також служать однією із причин парникового ефекту і входять до складу міського смогу.

Промисловість різних країн щорічно викидає в атмосферу більше 120 млн т діоксиду сірі, який, реагуючи з атмосферною вологою, перетворюється на сірчану кислоту. Потрапляючи в атмосферу, ці забруднювачі можуть розноситися вітром на тисячі кілометрів від джерела і повертатися на землю з дощем, снігом або туманом. Вони перетворюють озера, річки і ставки в “мертві” водоймища, знищуючи в них практично все живе – від риб до мікроорганізмів і рослинності, гублять ліси, руйнують споруди і пам’ятники архітектури. Багато тварин і рослини не можуть вижити в умовах підвищеної кислотності. Кислотні дощі не тільки викликають підкислення поверхневих вод і верхніх горизонтів грунтів, але і розповсюджуються з низхідними потоками води на весь грунтовий профіль і викликають значне підкислення грунтових вод.

Сірка міститься в таких корисних копалини, як вугілля, нафта, мідні і залізні руди, при цьому одні з них використовуються як паливо, а інші переробляються в хімічній і металургійній промисловості. При переробці сірка перетворюється на різні хімічні сполуки, серед яких переважають діоксид сірі і сульфати. З’єднання, що утворилися, частково уловлюються очисними пристроями, їх частина, що залишилася, викидається в атмосферу.

Сульфати утворюються при спалюванні рідких палив і в ході таких промислових процесів, як нафтопереробка, виробництво цементу і гіпсу, а також сірчаної кислоти. При спалюванні рідких палив утворюється близько 16% загальної кількості сульфатів.

Хоча кислотні дощі не створюють таких проблем світового масштабу, як глобальне потеплення клімату і виснаження озонового шару, їх дія позначається далеко за межами країни, що створює це забруднення.

За наявності в повітрі оксиду азоту (IV) N₂О і водяної пари ультрафіолетове випромінювання Сонця зумовлює такі хімічні перетворення SО₂:

2SО₂ + О₂ → 2SО₃;

SО₃ + Н₂О →4 Н₂SО₄;

а також

SО₂ + N₂О + Н₂О → H₂SО₄ + NO.

Кислотні дощі і водоймища. Як правило, рН більшої частини річок і озер складає 6...8, але при високому вмісті в їх водах мінеральних і органічних кислот рН значно нижче. Процес попадання кислотних дощів у водоймища (річки, ставки, озера і водосховища) включає багато етапів, на кожному з яких їх рН може і зменшуватися і зростати. Наприклад, зміна рН опадів можлива при їх русі після лісової підстилки, взаємодії з мінералами, продуктами діяльності мікроорганізмів.

Все живе чутливо до зміни рН, тому підвищення кислотності водоймищ наносить непоправна шкода рибним запасам. У Канаді, наприклад, із-за частих кислотних дощів більше 4 тис. озер оголошено мертвими, ще 12 тис. – на межі загибелі. Порушена біологічна рівновага 18 тис. озер в Швеції. У половині озер південної частини Норвегії зникла риба.

Через загибель фітопланктону сонячне світло проникає на більшу глибину ніж зазвичай. Тому всі померлі від кислотних дощів озера вражаюче прозорі і незвичайно блакитні.

Кислотні дощі і ліси. Величезну утрату кислотні дощі наносять лісам, садам, паркам. Обпадає листя, молоді втечі делаются крихкими, як стекло, і гинуть. Дерева стають більш схильними до дії хвороб і шкідників, відмирає до 50% їх кореневої системи, головним чином дрібне коріння, що живить дерево. У ФРН кислотними дощами вже погублена майже третина всіх ялин. У таких лісистих районах, як Баварія і Баден, постраждала до половини лісових угідь. Кислотні дощі наносять утрату не тільки лісам, розташованим на рівнинах, ряд пошкоджень зареєстрований у високогірних лісах Швейцарії, Австрії, Італії.

Кислотні дощі і врожайність сільськогосподарських культур. Встановлено, що наслідки дії на сільськогосподарські культури кислотних дощів визначаються не тільки їх кислотністю і катіонним складом, але і тривалістю, а також температурою повітря. У загальному випадку встановлено, що залежність зростання і дозрівання сільськогосподарських культур від кислотності опадів свідчить про взаємозв’язок фізіології рослин, розвитку мікроорганізмів і ряду інших чинників. Звідси очевидно, що необхідний кількісний облік всіх компонентів кислотних дощів, що впливають на врожайність і якість продукції, а також на складні процеси функціонування грунтової біоти для кожного конкретного регіону.

Кислотні дощі і матеріали. Вплив кислотних дощів на широку гамму конструкційних матеріалів стає з року в рік все очевидніше. Так, прискорена корозія металів під впливом кислотних опадів, як відзначає американський друк, приводить до загибелі літаків і мостів в США. Серйозною проблемою, як відомо, стало збереження античних пам’ятників в Греції і Італії. Основними ушкоджувальними інгредієнтами є катіон водню, діоксид сірки, оксиди азоту, а також озон, формальдегід і пероксид водню.

Інтенсивність руйнування матеріалів залежить: від їх пористості, оскільки чим вище питома поверхня, тим більше її сорбційна здатність; від конструкційних особливостей, оскільки за наявності різних виїмок вони є колекторами кислотних опадів; від умов експлуатації: швидкості вітру, температури, вологості повітря і тому подібне.

На практиці найбільшу увагу приділяють трем групам матеріалів: з металів – неіржавіючій сталі і оцинкованому залізу; з будівельних матеріалів – матеріалам для зовнішніх конструкцій будівель; із захисних – фарбам, лакам і полімерам для поверхневих покриттів. При дії опадів і газів їх ушкоджувальна дія обумовлена інтенсивністю каталітичних реакцій за участю металів, а також синергізмом, при цьому найчастіше спостерігається рівномірна корозія.

За даними Європейського парламенту, економічний збиток від кислотних опадів складає 4% валового національного продукту. Це повинно враховуватися при виборі стратегії боротьби з кислотними дощами в довгостроковій перспективі.

Конкретні заходи по зменшенню викидів сірі в атмосферу реалізуються в двох напрямах:

• використання на ТЕЦ вугілля з низьким змістом сірки;

• очищення викидів.

Малосірчистим вважається вугілля із змістом сірі менше 1%, а високосірчистими – із змістом сірі більше 3%. Щоб зменшити вірогідність утворення кислотних дощів, високосірчисте вугілля піддає попередній обробці. До складу вугілля зазвичай входять піритова і органічна сірка. Сучасні багатостадійні методи очищення вугілля дозволяють витягувати з нього до 90% всієї піритової сірки, тобто до 65% загальної кількості її. Для видалення органічної сірки в даний час розробляються методи хімічного і мікробіологічного очищення.

Аналогічні методи необхідно застосовувати і до високосірчистої нафти. Світові запаси нафти з низьким змістом сірки (до 1%) невеликі і складають не більше 15%.

При спалюванні мазуту з високим вмістом сірки використовують спеціальні хімічні присадки, які дозволяють понизити зміст діоксиду сірі у викидах.

Одним з найбільш простих способів зниження кількості оксидів азоту при спалюванні палива є проведення процесу в умовах недоліку кисню, що забезпечується швидкістю подачі повітря в зону горіння. У Японії розроблена технологія “допалювання” первинних продуктів згорання. При цьому спочатку паливо (нафта, газ) спалюють в оптимальному режимі для утворення оксидів азоту, а потім в зоні допалювання знищують паливо, що не прореагувало. При цьому реакції, що приводять до відновлення оксидів, і їх викид знижуються на 80%.

Наступним напрямом у вирішенні цієї проблеми є відмова від практики розсіювання газоподібних викидів. Їх слід не розсіювати, сподіваючись на величезні масштаби атмосфери, а, навпаки, уловлювати і концентрувати.

Найбільш ефективний спосіб очищення викидів від діоксиду сірки заснований на реакції його з подрібненим вапном. В результаті реакції 90% діоксиду сірки зв’язується з вапном, утворюючи гіпс, який можна використовувати в будівництві. Так, теплоелектроцентраль потужністю 500 Мвт, забезпечена установкою для очищення викидів, дає за рік 600 тис. м³ гіпсу.

Перспективною мірою по зниженню шкідливих дій є встановлення лімітів на викиди. Так, Агенство з довкілля охорони США встановило ліміт загального викиду діоксиду сірки на території країни, передбачивши його щорічне зниження. Цей захід дав певний позитивний ефект.