3.5. Кислотные дожди

Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, кислотность которых превышает нормальную. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями. Чтобы понять существо проблемы, в первую очередь необходимо кое-что знать о природе кислотности.

Понятие кислотности

Кислотные свойства (кислый вкус и разъедание твердых материалов) обусловлены присутствием чрезвычайно активных ионов водорода, т.е. атомов водорода без электронной оболочки. Все кислоты диссоциируют, т.е. распадаются на ионы водорода и отрицательный ион кислотного остатка. Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность.

Для характеристики кислотности воды обычно пользуются не концентрацией ионов водорода, а ее отрицательным десятичным логарифмом – водородным показателем рН :

рН = – lg [Н ].

Вследствие логарифмической зависимости между значением рН и концентрацией ионов водорода десятикратное изменение концентрации соответствует изменению рН на единицу. Концентрация ионов водорода может изменяться в интервале от 10 до 10^-14 . Таким образом рН принимает значения от -1 до 14 (рис.3.4).

Рис. 3.4. Шкала pH

Источники кислотных осадков

Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и попавших туда естественным путем микроэлементов вода осадков может быть кислой и без воздействия человека (рН=5,6), т.е. существует «естественный кислотный дождь».

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть – второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух. В результате деятельности человека соединения серы и азота попадают главным образом в виде оксидов. Среди источников SO₂ соединения на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.).

Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживаются на одном месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Механизм превращения оксида серы в серную, окислов азота в азотную кислоты в атмосфере достаточно сложный и не будет рассматриваться в данном пособии.

Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и оксидов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую очередь с работой угольных электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена диоксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух угольными электростанциями, их работой объясняется более 50% кислотных осадков.

Влияние кислых осадков на окружающею среду и на человека (рис.3.5).

1. Влияние на водные экосистемы. Значение рН среды черезвычайно важно, так как от него зависит деятельность почти всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие. На крупные виды незначительные изменения рН внешней среды могут и не оказывать сильного влияния, так как метаболизм поддерживает внутренний рН на должном уровне, а кожа обеспечивает белее или менее надежную защиту от нарушений. Однако молодь водных обитателей защищена недостаточно. При изменении реакции воды всего лишь на одну единицу рН, по сравнению с оптимумом, она в большинстве случаев испытывает серьезный стресс и часто погибает. Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов водорода, то из-за невозможности размножения.

2. Влияние на растительность. Наряду с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов. Многие ученые считают кислотные осадки, как и озон, одной из важнейших причин деградации лесов, так как обнаружены следующие пути их влияния на растительность:

• нарушение поверхности при прямом контакте;

Рис. 3.5. Влияние кислотных осадков на окружающую среду и на человека

• вымывание биогенов (ионы водорода легко вытесняют ионы биогенов с частиц почвы и гумуса);

• мобилизация алюминия и других токсичных элементов (под действием кислот разрушаются соединения токсичных веществ, высвобождая их в раствор).

3. Влияние на людей и изделия. С точки зрения неспециалиста, одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков –разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор – излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известника приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и здания, простоявшие сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.

Методы борьбы с кислотными осадками

1. Замена топлива. Существующие электростанции не выбрасывали бы в атмосферу диоксид серы, если бы уголь не был загрязнен серой. Поэтому одним из основных способов предотвращения выпадения кислотных осадков является замена угля природным газом.

2. Промывание угля. Можно измельчать и химически очищать уголь от серы перед сжиганием. Но затраты на промывание 10 000 т угля в день, а именно такое количество потребляет всего лишь одна электростанция, нерентабельны.

3. Применение специальных видов сжигания. Например, сжигание в псевдоожиженном слое. При этом способе уголь сжигают в смеси с песком и известью, которая постоянно как бы кипит под действием вдуваемого снизу воздуха. В результате сера соединяется с известью и удаляется с золой.

4. Применение газоочистного оборудования. Существует достаточно много эффективных способов улавливания соединений серы и азота из выбросов, однако это направление должно рассматриваться, когда невозможно использовать методы снижения количества образующихся загрязнителей.

5. Альтернативные электростанции. Загрязнение диоксидом серы – это всего лишь одна из проблем, возникающих в связи с работой угольных электростанций. Даже если выбросы кислотообразующих веществ будут сведены к минимуму, то многочисленные экологические проблемы останутся. Следовательно, необходимы альтернативные, более чистые способы производства энергии. Сюда относятся, прежде всего, использование неисчерпаемых источников энергии (см. главу 2).

6. Энергосбережение. Энергосбережение и использование неисчерпаемых источников энергии должно рассматриваться как основное направление борьбы с кислотными осадками.