Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе. Учебное пособие
.pdf
Рис. 2. Классификация источников загрязнения воздуха
11
Оксид углерода (1250 млн.т. в год). Это соединение, активно
реагирует с составными частями атмосферы и способствует
повышению температуры на планете и созданию парникового
эффекта.
Сернистый ангидрид (до 170 млн. т. в год).
Серный ангидрид (ежегодно выбрасываются десятки миллио-
нов тонн серного ангидрида). Источниками являются пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а
также ТЭС. Он подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.
Сероводород и сероуглерод. Основными источниками выброса
являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, нефтеперерабатывающие и нефтепромыслы.
Оксиды азота (20 млн.т. в год). Основными источниками вы-
броса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.
Соединения фтора. Источниками загрязнения являются пред-
приятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики,
стали, фосфорных удобрений. Носят токсический эффект.
Соединения хлора. Источниками соединений хлора являются
химические предприятия, производящие соляную кислоту,
хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.
Кроме того, имеет место аэрозольное загрязнение атмосферы
вследствие: потребления ТЭС угля высокой зольности, сжигания остаточных нефтепродуктов, создания искусственных насыпей из переотложенного материала при добыче полезных ископаемых, массовых
взрывных работ, производства цемента.
Главными экологическими глобальными последствиями загрязнения атмосферы являются: парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смог.
12
1.5. Парниковый эффект
Газ
Формула
Вклад(%)
Водяной пар
H2O
36 – 72 %
Диоксид углерода
CO2
9 – 26 %
Метан
CH4
4 – 9 %
Озон
O3
3 – 7 %
Парниковый эффект создают углекислый газ, оксид азота, метан, хлорфторуглероды (таблица 2). Все эти газы – результат деятельности человека.
Таблица 2. Основные парниковые газы атмосферы Земли
Последствиями парникового эффекта являются:
1. Повышенная испаряемость воды в океанах.
2. Увеличение выделения углекислого газа, метана, а также за-
киси азота в результате промышленной деятельности человека.
3. Быстрое таяние ледников, смена климатических зон, что при-
водит к уменьшению отражающей способности поверхности Земли,
ледников и водоемов.
4. Разложение соединений воды и метана, которые находятся
возле полюсов.
5. Замедление течений, в том числе и Гольфстрима, что может
вызвать резкое похолодание в Арктике.
6. Нарушение структуры экосистемы, сокращение площади тро-
пических лесов, исчезновение популяций многих животных, расширение среды обитания тропических микроорганизмов.
1.6. Разрушение озонового слоя
Атмосферный озон играет важную роль для всего живого на
планете. Образуя озоновый слой в стратосфере, он защищает растения
и животных от жёсткого ультрафиолетового излучения. Поэтому проблема образования озоновых дыр имеет особое значение. Однако сле-
13
дует отметить, что тропосферный озон является загрязнителем, который может угрожать здоровью людей и животных, а также повреждать растения.
Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.
Реакции образования озона следующие:
О2 + hν → 2О.
О2 + O → О3.
Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере
под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175–
200 нм и до 242 нм.
Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с
атомарным кислородом:
О3 + hν → О2 + О.
О3 + O → 2О2.
Разрушению озонового слоя могут способствовать антропогенные и природные факторы (последние вносят лишь небольшой
вклад, как правило, косвенный).
Антропогенными факторами являются, в первую очередь, выбросы ХФУ, бромфторуглеродов (БФУ) и хлорфторуглеводородов. Эти
вещества активно используются, например, в производстве хладагентов для холодильных установок и кондиционеров, в качестве аэрозольных вытеснителей, пенообразователей и чистящих средств, а также в огнетушителях. Другими источниками веществ, способствующих
разрушению озонового слоя, являются выхлопы двигателей самолетов, содержащие оксиды азота (NOx), водяной пар, не полностью сгоревшие углеводороды, угарный газ (CO), углекислый газ (CO2) и двуокись серы (SO2).
Природные источники включают: крупные пожары и определенные морские биотопы (поставляющие определенные хлорсодержащие соединения, устойчиво переносящие "путешествие" к стратосфере); крупные извержения вулканов, косвенно влияющие на истощение озона (в процессе извержения выбрасывается большое количество мелких твердых частиц и аэрозолей, которые повышают эффективность разрушительного воздействия хлора на озон). Однако аэрозоли способствуют разрушению озонового слоя только тогда, когда в
нем присутствуют хлорфторуглероды.
14
16 сентября 1987 г. в Монреале (Канада) представители
46 стран подписали Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (англ. The Montreal Protocol on
Substances That Deplete the Ozone Layer). Международный протокол к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года,
разработан с целью защиты озонового слоя с помощью снятия с
производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой. В связи с тем, что к этому времени роль,
как хлора, так и брома в воздействии на стратосферный озон
уже была доказана, в приложения к Протоколу были включены
хлорфторуглероды (ХФУ) и бромсодержащие галоны, подлежащие регулированию его Сторонами посредством обязательств
по ограничению потребления, производства, импорта и экспорта. По состоянию на 25 сентября 2013 г. Сторонами Монреальского протокола являются 197 стран. Российская Федерация является Стороной Монреальского протокола с 31 декабря 1991 г.
1.7. Причины и последствия кислотных дождей
Окиси серы и азота, которые выбрасываются в атмосферу
вследствие работы тепловых электростанций и автомобильных двигателей, соединяются с атмосферной влагой и образуют мелкие капельки серной и азотной кислот, которые переносятся ветрами в виде кислотного тумана и выпадают на землю кислотными дождями.
В состав кислотных дождей, как правило, входят слабые
растворы серной и азотной кислот, образующихся в результате
реакции атмосферной влаги с оксидами серы и азота.
Формулы кислотного дождя (основные реакции, приводящие к образованию кислот), таковы:
H2O + SO2 H2SO3;
H2SO3 + O3 H2SO4 + O2
Впрочем, и без «грозового» озона сернистая кислота со
временем окисляется до серной кислоты.
15
Кроме того, часть диоксида серы при фотохимическом
окислении превращается в сернистый ангидрид (SO3), реакция
которого с водой приводит к образованию серной кислоты:
2NО2 + Н2О НNО3 + НNО2
Существуют и другие виды кислотных дождей. Причиной
возникновения одних является хлор, попадающий в атмосферу при
фотохимическом разложении фреонов. Соединяясь с метаном, он
образует хлороводород, который при контакте с атмосферной влагой превращается в аэрозоль соляной кислоты. Представляют
опасность и дожди, представляющие собой раствор плавиковой
кислоты, образующейся из-за загрязнения атмосферы фторводородом.
Кроме того, дождевая влага и сама по себе представляет собой слабокислую среду – из-за угольной кислоты, результата взаимодействия воды и углекислого газа.
Водородный показатель – pH – кислотных дождей составляет менее 5,6. Эти дожди крайне вредно действуют на окружающую
среду (рис. 3):
снижается урожайность большинства сельско-
хозяйственных культур вследствие повреждения листвы
кислотами;
вымывается из грунта кальций, калий, магний, который вы-
зывает деградацию фауны и флоры;
гибнут леса, отравляется вода озер и прудов, где гибнет ры-
ба, исчезают насекомые;
исчезают водоплавающие птицы и животные, которые пи-
таются насекомыми;
гибнут леса в горных районах, что вызывает селевые пото-
ки;
ускоряется разрушение памятников архитектуры и жилищ-
ных зданий;
увеличивается количество заболеваний у людей.
16
Рис. 3. Образование кислотных дождей и их воздействие на окружаю-
щую среду
1.8. Смог
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога
входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.
Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и
других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрие или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при
мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии.
Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся
17
инверсиями, необходима для создания высокой концентрации
реагирующих веществ.
В сухом, загазованном и теплом воздухе возникает прозрачный синеватый туман, который неприятно пахнет, раздражает глаза,
горло, вызывает удушье, бронхиальную астму, эмфизему легких.
Листва на деревьях вянет, покрывается пятнами, желтеет. Смог вреден
не только для живых организмов, губителен он и для конструкционных материалов.
Так, в августе 2010 года в Москве сложилась чрезвычайная
экологическая ситуация – в городе наблюдался сильнейший смог, разовые концентрации загрязняющих веществ на территории Москвы
превышали предельно допустимые концентрации (ПДК) в несколько
раз: по угарному газу – почти до 7 раз, по взвешенным веществам – до
16 раз, по диоксиду азота – более, чем в 2 раза. Причиной смога являлись природно-торфяные пожары плюс безветренные летние дни.
Смог бывает следующих типов.
Влажный смог лондонского типа – сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.
Ледяной смог аляскинского типа – смог, образующийся при
низких температурах из пара отопительных систем и бытовых газовых
выбросов.
Радиационный туман – туман, который появляется в результате радиационного охлаждения земной поверхности и массы влажного
приземного воздуха до точки росы. Обычно радиационный туман возникает ночью в условиях антициклона при безоблачной погоде и легком бризе. Часто радиационный туман возникает в условиях температурной инверсии, препятствующей подъему воздушной массы. В промышленных районах может возникнуть крайняя форма радиационного
тумана – смог.
Сухой смог лос-анджелесского типа – смог, возникающий в
результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых
выбросах под действием солнечной радиации; устойчивая синеватая
дымка из едких газов без тумана.
Фотохимический смог – смог, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы.
Автомобильные выхлопные газы и загрязняющие выбросы
предприятий в условиях инверсии температуры вступают в химическую реакцию с солнечным излучением, образуя озон.
18
Различают «черный смог» – облако вредных газов, результат
усиленной работы сотен котельных, в топках которых сгорает уголь,
мазут и соляр, и «белый смог», причиной возникновения, которого
является автотранспорт.
Содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей в значительной степени зависит от условий эксплуатации двигателей. Двигатель, работающий на бензине, практически не оказывает
какого-либо влияния на содержание в атмосферном воздухе диоксида
углерода. Но он является непосредственным источником загрязнения
воздуха такими веществами, как оксид углерода (образуется в результате неполного сгорания бензина в цилиндрах двигателя), газообразные углеводороды парафинового и олефинового ряда и неизменившиеся составные части топлива, высококипящие полициклические ароматические углеводороды и сажа, продукты неполного окисления
топлива (например, альдегиды), галогенуглеводороды, тяжёлые металлы (например, свинец) и оксиды азота, образованию которых способствуют процессы процессы, происходящие при сгорании топлива.
Выхлопные газы, содержащие реакционноспособные олефиновые углеводороды и оксиды азота, под воздействием солнечной радиации
способны вступать в фотохимические реакции в атмосфере, приводящие к образованию токсичного смога.
1.9. Защита атмосферы
Защита атмосферы включает комплекс технических и административных мер, прямо или косвенно направленных на прекращение,
или, по крайней мере, уменьшение возрастающего загрязнения атмосферы, являющегося следствием промышленного развития.
Территориально-технологические проблемы включают как вопросы местоположения источников загрязнения атмосферы, так и
ограничения или устранения ряда отрицательных эффектов. Поиск
оптимальных решений по ограничению загрязнения атмосферы данным источником интенсифицировался параллельно с ростом уровня
технических знаний и промышленным развитием, – разработан ряд
специальных мер по защите атмосферы. Кроме того, начинается интегрирование процесса поиска оптимальных решений по ограничению
эффектов загрязнения атмосферы с комплексным подходом к защите
атмосферы, которое и учитывает взаимосвязи между отдельными со-
19
ставляющими окружающей среды. Таким образом, исследование эффектов загрязнения атмосферы становится все более зависимой, но не
менее важной частью в области защиты атмосферы.
Придание исследованиям по защите атмосферы целенаправленного характера должно включать борьбу против ее загрязнения,
особенно промышленного, а также от транспортных средств и других
источников. Они не могут проводиться, например, только ради постановки задач, но должны указывать пути улучшения существующего
положения. Таким образом, эта область исследований не может пассивно комментировать сложившуюся ситуацию и делать прогнозы,
основывающиеся на данных самих “поставщиков загрязнений”, она
должна разрабатывать концепции, промежуточные и долговременные
планы, а также конкретные программы, направленные на активное
ограничение неблагоприятного хода событий, используя при этом локальную кратковременную тактику и долговременную общенациональную стратегию.
Защита атмосферы не может быть успешной при односторонних и половинчатых мерах, направленных против конкретных источников загрязнения. Наилучшие результаты могут быть получены лишь
при объективном, многостороннем подходе к определению причин
загрязнения атмосферы, вкладу отдельных источников и выявлению
реальных возможностей ограничения этих выбросов.
В городских и промышленных конгломератах, где имеются
значительные концентрации малых и больших источников загрязняющих веществ, лишь комплексный подход, базирующийся на конкретных ограничениях для конкретных источников или их групп, может привести к установлению приемлемого уровня загрязнения атмосферы при сочетании оптимальных экономических и технологических
условий. Исходя из этих положений, необходим независимый источник информации, который располагал бы сведениями не только о степени загрязнения атмосферы, но и видах технологических й административных мер.
Объективная оценка состояния атмосферы совместно со сведениями обо всех возможностях уменьшения выбросов позволяет создать реальные планы и долговременные прогнозы загрязнения атмосферы применительно к наихудшим и наиболее благоприятным обстоятельствам и формирует твердую основу для выработки и укрепления программы защиты атмосферы.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]