Глава 14 химия и анализ загрязнений окружающей среды

В условиях ускоренного научно-технического развития и бурного роста промышленного производства охрана окружаю­щей среды стала одной из важнейших проблем современности, решение которой неразрывно связано с охраной здоровья нынешнего и будущего поколений людей. Это вызвано тем, что по мере развития производительных сил общества и роста масшта­бов использования природных ресурсов происходит все большее загрязнение окружающей среды отходами производства, ухудшается качество нашей биосферы.

Биосфера - это среда распространения, обитания и взаимодействия живых существ с неживой природой и между собой.

Живые существа оказывают непрерывное воздействие на неживую природу, преобразуя и формируя облик планеты как целостной динамической системы. На современном этапе забота о сохранении биосферы заключается не только в разработке и соблюдении законодательства об ее охране, но и в познании за­кономерностей причинно-следственных связей между различ­ными видами человеческой деятельности и изменениями, про­исходящими в природной среде.

В состав биосферы входят верхняя часть литосферы, гидро­сфера и нижняя часть атмосферы. В настоящее время благодаря деятельности человека эти три компонента биосферы настолько интенсивно загрязняются, что реальным становится нарушение целостности динамической равновесной системы, существую­щей пока на нашей планете.

14.1. Химия загрязнений атмосферы

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю. Ее ниж­ний слой до высоты 8-12 км, где в основном формируется кли­мат Земли, называется тропосферой. Газовый состав тропосферы включает постоянные и переменные компоненты. Постоянные компоненты - это азот (78,1 %), кислород (20,9 %), аргон (0,93 %), а также СО2 (0,03 %). К постоянным компонентам мо­гут быть отнесены и некоторые другие газы (неон, гелий, метан, криптон), содержание которых составляет 10^-3- 10^-4 %.

К переменным компонентам атмосферы относятся водяной пар и вещества, которые присутствуют в следовых количествах: озон, вещества биологического и геохимического происхожде­ния, а также ядовитые и токсичные вещества, обязанные своим происхождением производственной деятельности человека.

Водяной пар следует рассматривать как важнейшую состав­ляющую воздуха. Распределение пара в приземном слое зависит от времени года, высоты местности и ее географического распо­ложения. Так, концентрация водяного пара летом в тропиче­ских районах достигает 5 %, тогда как в арктических умень­шается в зимнее время до 0,01 %.

Озон в атмосфере возникает за счет диссоциации молеку­лярного кислорода, под действием ультрафиолетового излуче­ния на атомарный кислород, который, взаимодействуя с моле­кулярным кислородом, образует озон:

Максимальное содержание озона наблюдается на высоте 20-30 км, где расположен так называемый озоновый слой, который защища­ет землю от ультрафиолетового излучения, поглощая солнечный свет с = 200-310 нм. При этом происходит разложение озона:

Таким образом, в верхних слоях атмосферы имеет место динами­ческое равновесие между синтезом и разложением озона, которое обеспечивает постоянство его концентрации на высоте 20-30 км.

Вещества биологического и геохимического происхождения, поступающие в атмосферу, содержат углерод, серу и азот. Среди углерод содержащих веществ следует назвать метан, а также фор­мальдегид и оксид углерода(2) - продукты неполного окисления метана. Они образуются в результате деструкции органических веществ под воздействием микробов или неполного сгорания ве­ществ, а также в результате вулканической деятельности.

Газообразные серосодержащие соединения - диметилсульфид (CH₃)2S и сероводород H₂S - продукты жизнедеятельности бактерий и водорослей. Продуктом вулканической деятельности являются оксид серы(4) S0₂ и карбонилсульфид COS.

Азотсодержащие вещества - аммиак и оксиды азота - появ­ляются в атмосфере благодаря жизнедеятельности почвенных микроорганизмов (разд. 12.2.3), а также электрическим разря­дам при грозах.

При взаимодействии оксида азота(4) с атмосферной влагой и кислородом образуются кислоты:

Вещества, поступающие в атмосферу естественным путем, вы­водятся из нее благодаря динамическому равновесию, сущест­вующему в биосфере, поэтому они не представляют опасности для жизнедеятельности.

Газообразные выбросы, загрязняющие атмосферу в результате производственной деятельности человека, приводят к сверхнор­мативному поступлению в атмосферу газов и легколетучих ве­ществ, что способствует нарушению динамического равновесия в биосфере.

Анализ производственной деятельности человека позволяет классифицировать источники загрязнения атмосферы следующим образом.

I. Промышленные источники:

а) производство электроэнергии, основанное на сжигании угля, нефти, природного газа;

б) неорганическое производство: черная и цветная метал­лургия, производство кислот и минеральных удобрений, синтез и переработка неорганических веществ;

в) органическое производство: нефтепереработка, производ­ство каучука, целлюлозы, пластмасс, основной органический синтез.

П. Коммунально-бытовой сектор. Он включает эксплуата­цию транспортных средств: самолетов, автомобилей, судов, - и коммунальные услуги: отопление, канализацию, уничтожение и хранение отходов.

III. Сельское хозяйство. Загрязняет биосферу в результате бесконтрольного использования минеральных удобрений, и осо­бенно неразумного употребления пестицидов.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,3 млрд. тонн вред­ных примесей. Примерный состав этих выбросов (в %): СО -48,5; оксиды азота (N0 и N0₂) - 15; оксид cepы(IV) S0₂ - 14,9; твердые частицы - 13,6; углеводороды - 8. Доля промышленно­сти в этих выбросах составляет всего 14 %, зато коммунально-бытовой сектор вносит весьма солидную лепту: транспорт — 44 %, отопление - 20, сжигание мусора - 5. Сельское хозяйство и про­чие источники дают 17 % .

Вследствие поступления перечисленных загрязнителей в ат­мосфере протекают новые процессы, которые приводят к возник­новению различных смогов, кислотных дождей, разрушению озо­нового слоя и ряду других явлений.

Смог - это совокупность газообразных, жидких и твер­дых компонентов, образующих токсичный аэрозоль (ту­ман или дым) в приземном слое атмосферы.

В зависимости от состава загрязнений различают токсический и фотохимический смоги.