Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ХОС.doc
Скачиваний:
85
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
564.22 Кб
Скачать

1.6. Химические основы воздействия загрязняющих веществ на окружающую

среду

Загрязнение атмосферы промышленными источниками сопровождается прямым или косвенным воздействием на биосферу, жизнь и здоровье человека, природные ресурсы, растительность, здания, строительные материалы и т.д.

Влияние ЗВ на атмосферу было рассмотрено в предыдущих разделах.

1.6.1. Влияние загрязняющих веществ на растительность

Развитие растений тесно связано с условиями окружающей среды. Температура, характерная для данного района, количество осадков, характеристика почвы, состояние атмосферы - все эти факторы, взаимодействуя между собой, определяют характер ландшафта и виды растений, являющихся его частью. Если окружающие условия изменяются, то изменяется и растительный мир(вплоть до гибели). Поскольку растения развивались в присутствии соединений, характерных для атмосферного воздуха по составу и концентрациям, то в таких условиях редко наблюдаются отрицательные воздействия на них. Эти воздействия обнаруживаются только тогда, когда концентрация ЗВ оказывается выше допустимого порогового уровня (вблизи городов, промышленных центров). ЗВ по разному действуют на растения. Поэтому в присутствии определенных количеств ЗВ наименее устойчивые виды ослабевают и гибнут, в то время как более устойчивые живут и размножаются.

Воздействие на экологическую систему (пустыня, луг, лес и т.д.) на первых порах не отражается на ней в целом - любые нарушения сначала проявляются на молекулярном уровне отдельного растения или системы растений. Все ЗВ оказывают влияние на процессы, протекающие в клетке, в частности, нарушают водный баланс. В первую очередь воздействию подвергаются системы, регулирующие поступление ЗВ, а также химические реакции, ответственные за процессы фотосинтеза, дыхания и производства энергии. Из ЗВ, отрицательно действующих на растительность, следует отметить диоксид серы, фториды, озон, оксиды азота и их смеси.

Диоксид серы - первоначально поступает в растение через устьица - отверстия, имеющиеся на листьях и в нормальных условиях использующиеся для газообмена. Диоксид серы прежде всего воздействует на клетки, которые регулируют открывание этих отверстий. Даже при очень малых концентрациях диоксид серы способен оказывать действие, в результате которого при достаточно высокой относительной влажности устьица остаются постоянно открытыми; при высоких концентрациях диоксида углерода устьица закрываются.

Попав в межклеточные пространства листа, диоксид серы вступает в контакт м мембраной, окружающей клетку. В состав мембраны входят жиры и белки, она служит для регулирования поступления веществ внутрь клетки и вывода их из нее. При нарушении целостности этой полупроницаемой мембраны нарушается баланс питательных веществ и процесс поступления ионов.

Далее диоксид серы поступает в клетку. Первые визуально наблюдаемые изменения, связанные с действием диоксида серы, происходят внутри хлоропластов, ответственных за протекание фотосинтеза. Внутри листа диоксид серы превращается либо в бисульфиты, сульфиты и сульфаты, либо остается в виде водного раствора. Все эти соединения серы ингибируют процесс фотосинтеза.

Диоксид серы воздействует на жизненно важные ферменты (хлорофиллаза), что приводит к разрушению соответствующих ферментных систем. Под действием диоксида серы хлорофилл может превращаться в фитиновые продукты.

Деревья, сбрасывающие листву, поглощают больше диоксида серы, чем вечнозеленые, но гораздо более устойчивы к его действию. Обычно концентрации диоксида серы до 1 мкг/л не дают видимого ущерба для листьев, но могут привести к снижению содержания хлорофилла и преждевременному опадению листьев. Хронические повреждения вечнозеленых хвойных деревьев наступают при концентрации диоксида серы около 0.3 мкг/л, что проявляется в преждевременной потере более старых иголок, снижении их количества и, наконец, отмирание дерева. При концентрации диоксида серы больше 1 мкг/л наблюдается резкое повреждение иголок, сопровождающееся полным разложением хлорофилла, что приводит к их обесцвечиванию в течение нескольких часов.

Фториды. Последствия воздействия фторидов на процессы обмена в клетке аналогичны рассмотренным выше, хотя их механизмы различаются. Фториды содержатся во всех растительных тканях, токсическое действие оказывает их избыток. Для большинства растений порог токсичности составляет 50 -100 млн-1 фторидов; при более высоких концентрациях происходит изменение в процессах обмена и в структуре клетки.

В число наиболее чувствительных к фторидам деревьев относятся ясень, ель и желтая сосна; менее чувствительны липа, бук и граб; еще менее чувствительны акация, дуб, тис и можжевельник.

Симптомы поражения сосны и пихты фторидами аналогичны симптомам, вызываемыми диоксидом серы. Симптомом поражения широколистных растений является появление тусклых серозеленых водянистых участков на верхнем кончике и на краю листа. Пораженная ткань быстро отмирает и при продолжении воздействия в течение 1 -2 дней окраска листа меняется от светлой до темно -коричневой.

Озон - третий из наиболее вредных ЗВ, также сначала воздействует на растения на молекулярном уровне, а первичным объектом воздействия также оказываются устьица листьев и мембраны; озон способствует закрыванию устьиц.

В зависимости от вида растений и окружающих условий симптомы, вызываемые озоном, могут быть весьма разнообразны. В результате поражения листья приобретают соломенную, а иногда и бронзовую окраску.

Оксиды азота - редко присутствуют в атмосфере в концентрациях, которые способствуют вредному воздействию на растения. Отрицательная роль оксидов азота в основном связана с тем, что они являются предшественниками озона в атмосфере, а также способны оказывать воздействие на растения в комбинации с озоном или с диоксидом серы. Первичным симптомом является образование тускло - зеленых водянистых участков, окраска которых постепенно становится соломенной или бронзовой.

Пероксиацетилнитраты (ПАН). Считается, что токсичность ПАН связана с его способностью реагировать с тиольными (-SH) группами, имеющими большое значение для протекания фотосинтеза. Наиболее чувствительными видами растений являются: фасоль, латук -салат, петуния.

Из комбинаций ЗВ можно отметить следующие: оксиды серы и озон, оксиды серы и диоксид азота. В табл. 1.15 приведены виды растений, которые обладают наибольшей чувствительной к диоксиду серы, фторидам, озону.

Таблица 1.15

Виды растений, чувствительные к атмосферным загрязнениям

Диоксид серы

Фториды

Озон

люцерна

абрикос

люцерна

ячмень

гладиолусы

ячмень

хлопок

виноград

фасоль

пихта

персики

ясень

сосна

сосна

тополь

соя

зверобой

табак

пшеница

-

пшеница

-

-

сосна белая

Кислотный “дождь”. Считается, что кислотные осадки на 2/3 обусловлены диоксидом серы и на 1/3 -оксидами азота. В связи с этим представляется важной информация о перемещении этих и других ЗВ в атмосфере от источников загрязнения (табл.1.16).

При нормальных условиях чистая дождевая вода, содержащая растворенный атмосферный диоксид углерода, образующий угольную кислоту, имеет рН=5.5 -5.6. При наличии кислотных “дождей” величина рН снижается.

В регионах, где почвы и воды содержат значительные количества щелочных веществ, кислотные “дожди” не наносят большого вреда, так как они нейтрализуются в почве, озерах и реках. В регионах, содержащих малые количества известняков и характеризующихся наличием гранитов и других скалистых пород, которые не в состоянии нейтрализовать кислотные “дожди”, величина рН в озерах, реках, лесных и сельскохозяйственных почв понижается.

Кислотные “дожди” могут вызывать существенные поражения растений. К наиболее чувствительным относятся травы, бобы и подсолнечник. Наиболее устойчивыми являются хвойные деревья, затем следуют лиственные породы, широколиственные растения.

Кислотные “дожди” также отрицательно действуют на почву, разлагая органические соединения гумуса и вымывая из почвы важные питательные вещества. Кроме того кислотные “дожди” прямо или косвенно являются причиной такого ущерба, как загрязнение воды тяжелыми металлами, экстрагируемыми из почвы, резкое усиление коррозии металлических конструкций, механизмов и оборудования, а также разрушение зданий и исторических памятников.

Таблица 1.16

Трансформация ЗВ в атмосфере

Вещество

Масштабы трансформации

Расстояние, км

Время

монооксид азота

10

1 ч

диоксид азота

100

2 сут.

ПАН

1000

4 сут.

азотная кислота

1000

4 сут.

диоксид серы

100

2 сут.

серная кислота

1000

5 сут.

метан

в глобальном масштабе

10 лет

1.6.2. Воздействие загрязняющих веществ на животный мир

Воздействие ЗВ промышленных выбросов на животных может быть как прямым, так и косвенным.

Обычно прямое воздействие ЗВ, воспринимаемых организмом путем непосредственного контакта или при вдыхании, не приводит к серьезным повреждениям, поскольку количества поглощенных ЗВ, независимо от фазового состояния, сравнительно не велики. Значительно серьезнее вторичное, косвенное воздействие, при котором животные получают ЗВ с кормом. ЗВ, накопившиеся в растительной пище, поступают в пищеварительный тракт животных в значительно больших количествах, чем при прямом воздействии. В районах с высоким уровнем загрязнения количество пыли, поступающее в пищеварительную и дыхательную системы, достигает 30-40 кг/месяц. Пылевые и газовые выбросы, накопившиеся в кормах, вызывают серьезные опасения, если эти вещества растворимы в воде или желудочном соке. При этом ЗВ распределяются по всему организму, нарушая его функционирование. Опасность отрицательного воздействия накопившихся ЗВ возрастает с увеличением их растворимости в воде и желудочном соке.

Потребление кормов, содержащих мышьяк и его соединения, приводит к потере веса, выпадению шерсти и другим отрицательным последствиям. При потреблении кормов, содержащих фтор и его соединения происходит хроническое отравление - флюороз; симптомами его являются: потеря веса и аппетита, снижение надоев, замедленный рост и дефекты формирования зубов.

1.6.3. Воздействие загрязняющих веществ на материалы

Повреждение конструкционных материалов вследствие воздействия ЗВ атмосферного воздуха приносит громадный материальный ущерб промышленности.

В табл.1.17 приведены различные типы повреждений, вызываемых загрязненным воздухом.

Таблица.1.17

Повреждение материалов при воздействии загрязненного воздуха

Материал

Тип повреждения

ЗВ

Другие факторы

Металлы

коррозия

SOx, NOx, HCl и др.

влага, соли, кислород

Каменная кладка

эрозия

SOx, HCl, NOx, аэрозоли

влага, изменение температуры, СО2, соли, вибрация

Краски

эрозия

SOx, H2S, O3, аэрозоли

влага, соли, свет, микроорганизмы

Текстильные товары

уменьшение прочности на разрыв

SOx, NOx, аэрозоли

влага, свет, изнашивание

Красители текстиля

выцветание

NOx, O3

свет

Бумага

появление хрупкости

SOx

влага

Кожа

снижение прочности

SOx

изнашивание

Керамические изделия

изменение внешнего вида

кислые газы

влага

Ниже рассматривается влияние отдельных ЗВ на материалы.

1.6.3.1. Воздействие диоксида серы

Одним из наиболее дорогостоящих последствий загрязнения атмосферы диоксидом серы является ускорение коррозии металлов. Это определяется не только затратами на ремонт или замену разрушенных деталей и механизмов, но и затратами на антикоррозионную обработку. Значительная часть затрат связана обычно с коррозией железа и его сплавов; однако в присутствии диоксида серы наблюдается коррозия и других важных металлов, используемых в условиях атмосферного воздействия : цинка, меди и алюминия.

В наибольшей степени коррозия железа наблюдается в индустриальных районах, в наименьшей - в сельских районах.

Основными продуктами коррозии железа являются  -FeOOH,  -FeOOH, Fe3 O4 и другие оксиды аморфной структуры. Образование этих соединений протекает по механизму электрохимической коррозии в тонкой пленке воды на поверхности металла. В упрощенной форме процесс можно представить так:

на аноде Fe  Fe2+ + 2e-

на катоде 1/2 О2 + Н2О + 2е-  2ОН-

Дальнейшие превращения зависят от рН пленки воды:

в сильно щелочной среде 4 Fe (OH)2 + O2  4()FeOOH + 2H2O

в слабо щелочной среде 6 Fe (OH)2 + O2  2Fe3O4 + 6 H2O

В нейтральной или слабо кислой средах образование гидроксида(11) железа не возможно; вместо него образуются различные гидроксикомплексы железа и комплексы с другими анионами, имеющимися в растворе. Эти ионы отражают характер среды, в которой находится металл, например, сульфат -ионы в атмосфере промышленных районов.

Таким образом первой ступенью коррозии можно считать адсорбцию диоксида серы на поверхности металла; количество адсорбированного диоксида серы увеличивается при наличии ржавчины, поверхностных частиц, повышенной влажности. Вторая ступень коррозии сводится к реакции: Fe(11) + SO2 + O2  FeSO4 .

Эмпирическая зависимость, выражающая степень коррозии металлов, имеет вид:

A = 325exp [0.00275CSO2 -(163.2/RH)],

где А -глубина коррозии, мкм;  -время, год; RH -средняя относительная влажность, %; Сso2 - концентрация диоксида серы, мкгм-3.

Из приведенного уравнения видно, что степень коррозии более сильно зависит от влажности, чем от содержания диоксида серы, особенно при концентрациях, характерных для городских районов.

Цинкшироко применяется в качестве антикоррозионного покрытия железа и стали. Коррозии основного металла препятствует пленка нерастворимых основных карбонатов цинка. Основным фактором, определяющим скорость коррозии цинка, является концентрация диоксида серы и влаги в атмосфере. Скорость коррозии (в мкм/год) можно вычислить по формуле:

 = 0.0503 Сso2 /RH

Ускорение коррозии цинка в присутствии диоксида серы обусловлено образованием растворимого сульфата цинка на внешней поверхности защитной пленки, образующегося при взаимодействии растворенного диоксида серы в поверхностном слое воды с цинком или оксидом цинка.

Медь и медные сплавы в атмосферных условиях образуют в большинстве случаев тонкую устойчивую поверхностную пленку, которая препятствует дальнейшему протеканию коррозии. В начальный период атмосферной коррозии образуются оксиды и сульфиды меди, имеющие коричневую окраску, которые способны к уплотнению с образованием черной пленки; через несколько лет образуется зеленоватый налет (патина), представляющий собой основной сульфат меди - соединение, устойчивое к дальнейшему атмосферному воздействию. Скорость образования патины увеличивается с возрастанием концентрации диоксида серы в атмосфере и относительной влажности; вновь образующаяся патина содержит - CuSO4 6Cu(OH)2, при старении она превращается в CuSO4 3 Cu(OH)2.

Алюминий. Считается, что Al устойчив к коррозии, обусловленной диоксидом серы, так как на его поверхности образуется инертная оксидная пленка. Однако при одновременном присутствии в атмосфере диоксида серы и высоких концентраций твердых макрочастиц может происходить повреждение поверхности, обусловленное образованием продукта коррозии -Al2 (SO4)3 18 H2O. При низкой относительной влажности алюминий поглощает незначительное количество диоксида серы, в основном, за счет физической адсорбции. При повышении влажности поглощение усиливается, хотя и не достигает таких величин, как для железа и цинка.

Краски. При относительно больших концентрациях диоксида серы (1 -2 млн-1) время высыхания масляных красок увеличивается за счет повышения продолжительности процесса, а образующаяся при высыхании пленка становится более хрупкой; для некоторых красок наблюдается потеря цветности.

Для масляной краски скорость эрозии (,мкм/год), в зависимости от концентрации диоксида серы (Cso2, мкгм-3) и относительной влажности (Н, %), может быть рассчитана по формуле:

 = 14.3 + 0.015Cso2 + 0.388Н.

Воздействие на текстильные товары. Под действием диоксида серы прочность натуральных и некоторых синтетических волокон может уменьшаться за счет разрыва высокомолекулярных цепей в макромолекулах. Полиамидные волокна (нейлон и др.) также могут потерять прочность, особенно если они имеют малый диаметр и находятся под нагрузкой. Полиэфирные, акриловые и полипропиленовые волокна устойчивы к действию диоксида серы; некоторые из них, однако, могут быть повреждены при воздействии частиц, содержащих сульфаты.

Воздействие на строительные материалы, произведения искусства. Неокрашенные каменная и бетонная кладки, известковый раствор и кирпич поглощают диоксид серы с образованием сульфатов. Особенно пагубно образование сульфатов для материалов, содержащих известняк, так как это приводит к образованию в материале механических напряжений, вследствие которых материал растрескивается, при этом создаются условия для проникновения воды, что способствует дальнейшему разрушению материала (особенно в процессе замерзания).

Установлено, что бактерии, потребляющие серу, могут, как непосредственно, так и косвенным путем вызывать повреждения каменных сооружений.

Стеклянные и керамические поверхности практически не подвергаются разрушению под воздействием диоксида серы (за исключением фторсодержащих изделий). Следует отметить, что оксиды серы отрицательно воздействуют и на многие другие материалы (бумаги, электрические контакты и др.), но в значительно меньшей степени.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.