Источники загрязнения атмосферы и ее защита

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ВОЗДУХА

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ

ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Словами «воздух» и «атмосфера» обычно называют газовую оболочку, окружающую Землю. Общая масса воздуха составляет 5,13Т0¹⁵т. Земная атмосфера подразделяется на слои в соответствии с их температурой

Самый ближний к поверхности Земли слой называется тропосферой. Высота меняется в зависимости от местонахождения на Земле: над экватором она составляет 16-18 км, а над полюсами - 8-10 км. В слое тропосферы в основном и происходят все те явления, которые называют «погодой». Именно в этой части атмосферы образуются все осадки в виде дождей, формируются облака почти всех видов и возникает подавляющее число разновидностей гроз и штормов. По мере увеличения высоты температура в тропосфере понижается. Выше тропосферы располагается стратосфера. В стратосфере температура сначала сохраняется постоянной, но с определенного уровня начинает повышаться с высотой. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, который и вызывает повышение температуры, так как поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца. В наиболее высоких концентрациях озон находится на высоте 25-30 км. 11а высоте более 50 км от поверхности Земли начинается мезосфера - зона, где температура опять понижается. На высоте более 80 км расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы. В этой зоне температура с высотой вновь возрастает. На высоте выше 400 км находится экзосфера.

По мере удаления от поверхности Земли воздух становится все разреженнее, атмосферное давление снижается, 90% массы атмосферы сосредоточено в пределах 16 км над земной поверхностью. Затруднение дыхания высоко в горах связано с уменьшением содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. В тропосфере существуют различные формы жизни. Нижнюю часть тропосферы относят к биосфере. В контакте с тропосферой ведут свою жизнь обитатели суши.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Химический состав чистого сухого воздуха в основном состоит из азота N₂ (78,08%), кислорода 0₂ (20,95%), значительно меньшего количества инертного газа аргона Аг (0,93%) и еще меньшего - углекислого газа СО, (0,03%). Помимо этих постоянных компонентов воздуха, важным компонентом является также водяной пар, содержание которого меняется от 0% в сухом воздухе до ~4.% во влажном воздухе. Основная масса водяных паров содержится в нижних слоях (до 6 км) атмосферы, в стратосфере они практически отсутствуют. Все остальные имеющиеся и атмосфере газы содержатся лишь и заведенных количествах, составляющих в сумме 0,02%. Количество инертных газов (неона, гелии, криптона, ксенона) в воздухе колеблется от тысячных до миллионных долей процента. В атмосферном воздухе содержится также незначительное количество водорода.

Примесями атмосферного воздуха природного происхождения, образующимися в результате химических и биологических процессов, являются такие газообразные вещества, как аммиак, оксиды азота, метан, сероводород и др. Гниение органических веществ способствует поступлению в воздух сероводорода, аммиака. В результате брожения углеродистых веществ выделяется метан. Оксиды азота в небольших количествах образуются во время грозы при взаимодействии азота с кислородом.

Атмосферный воздух служит источником для получения таких промышленных газов, как аргон, диоксид углерода, азот и кислород. Гелий и водород в настоящее время получают из природного газа, жидких углеводородов и угля, т. е. ресурсов, которым угрожает возможное истощение. Потребность в резервах кислорода в атмосфере намного больше из-за естественных и искусственных процессов сгорания.

Время жизни следовых газов в атмосфере колеблется от нескольких суток до 100 лет. Гак, в ряду 0₃, СО, СН₄, Н₂, N,0 время жизни возрастает.

Пылевые частицы от промышленных и природных источников также оказываются весьма существенным компонентом воздуха, хотя обычно они присутствуют в относительно небольших количествах. Природными источниками пыли являются действующие вулканы, ветровая эрозия почв, биологические процессы (пыльца растений), лесные пожары, выносы с поверхностей морей и океанов, а также космическая пыль (поступление веществ из космического пространства).

В воздухе содержатся также микроорганизмы (бактерии, вирусы, плесневые грибки и др.). Патогенные микроорганизмы среди них встречаются редко и в ничтожных количествах, однако в воздухе закрытых помещений могут обнаруживаться возбудители инфекций.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ВОЗДУХА

Наличие воздуха - это первое жизненно необходимое условие существования человека в окружающей среде. Вдыхаемый воздух доставляет в организм кислород, а выдыхаемый выводит из организма все газообразные продукты обмена. От качества воздуха зависит здоровье человека. Максимальное количество воздуха, проходящего через легкие человека за сутки, составляет 11 520 л, или соответственно 480 л/ч.

Кислород (O) с биологической точки зрения является важной составной частью воздуха. Без него жизнь на Земле невозможна, он необходим для дыхания растений, животных и человека. В больших количествах кислород расходуется в процессах окисления и горения. Одновременно происходят и обратные процессы, восстанавливающие нормальное содержание кислорода в атмосферном воздухе. Важнейший из этих процессов - фотосинтез, осуществляемый зелеными растениями на свету (в присутствии хлорофилла). Исходными веществами для него служат углекислый газ и вода. Растения, поглощая углекислый газ, расщепляют его, усваивая углерод для синтеза органических веществ. Освобождающийся кислород выделяется в атмосферу. За счет жизнедеятельности растений ежегодно в атмосферу выделяется -0,5 * 10'² трлн. т кислорода.

Азот (N₂) является инертным разбавителем кислорода атмосферы. В чистом кислороде жизнь невозможна. Азот играет важную роль в биосфере. В виде органических соединений он содержится во всех организмах, входит в состав белков и нуклеиновых кислот, т. е. относится к жизненно важным элементам. Большинство организмов не способно усваивать свободный азот (N₂) из воздуха. В растения азот поступает из почвы с неорганическими веществами - солями аммония и нитратами. Животные усваивают органически связанный азот при потреблении растительной или животной пищей.

Вовлечение атмосферного азота (N,) в биологический круговорот начинается с азотофиксиции - образования аммиака, а потом и других соединений азота (нитритов и нитратов) в результате деятельности почвенных и водных азотфиксирующих микроорганизмов:

В природных условиях свободный азот фиксируют сине-зеленые водоросли, а также азотобактерии, живущие в клубеньках на корнях ольхи, облепихи, белой акации, бобовых растений (соя, люцерна, горох, фасоль, клевер, земляные орехи). Процесс превращения азотсодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями, называется нитрификацией.

Аммиак образуется не только при фиксации атмосферного азота, но и выделяется также в процессе экскреции и разложения растительных и животных организмов. В результате деятельности бактерий из него впоследствии образуются сначала нитриты, а попом нитраты.

Небиологическим путем химически связанный азот образуется при электрических разрядах в атмосфере, а также при высоких температурах (выхлопные газы, выбросы промышленных предприятий). Оксид азота при взаимодействии с водой может образовывать азотную кислоту которая впоследствии дает нитраты.

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Природный химический состав воздуха в естественных условиях изменяется очень незначительно. Однако в результате хозяйственной и производственной деятельности человека может происходить существенное изменение состава атмосферы. Особенно изменяется концентрация второстепенных газовых примесей (диоксида серы S0₂, оксидов азота N0 и N0₂, оксида углерода СО2, метана СН₄ и др.). Увеличивается также концентрация твердых взвешенных частиц. Происходит загрязнение атмосферного воздуха. Оно особенно проявляется в больших городах и промышленных центрах. Были случаи, когда люди теряли сознание вследствие отравления угарным газом (СО), попадая в районы интенсивного автомобильного движения. В результате сильного загрязнения воздуха центральные районы некоторых городов абсолютно непригодны для жилья.

К загрязнителям воздуха относятся вещества, присутствующие в атмосфере в концентрациях, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду. Большинство таких веществ, как диоксид серы, оксиды азота и другие, обычно присутствуют в атмосфере в низких (фоновых), не представляющих опасности концентрациях. Они образуются как в результате природных процессов, так и из антропогенных источников. Доля природных источников этих веществ значительно больше антропогенных. Таким образом, к загрязнителям воздуха следует относить вещества в высоких (но сравнению с фоновыми значениями) концентрациях, которые возникают в результате химических и биологических процессов, используемых человеком.

В проблеме антропогенного (техногенного) изменения окружающей среды загрязнение атмосферы занимает особое место. Во-первых, это обусловлено тем, что увеличение концентрации некоторых газов, зачастую второстепенных, приводит к глобальным экологическим последствиям, как то: кислотные дожди (SO, NO, N0₂), разрушение озонового слоя (фреоны), парниковый эффект (С0₂, СН₄, фреоны, N₂0). Во-вторых, из-за высокой скорости движения воздушных масс выбросы вредных веществ могут переноситься в течение короткого времени на расстояния в сотни и тысячи километров. Это приводит к глобальному загрязнению других компонентов биосферы: поверхностных вод, почв, растительности. Кроме того, содержание в атмосфере различных веществ, в том числе токсичных, приводит к непосредственному быстрому попаданию их при дыхании в организм человека и к последующему накоплению в нем, ведь в сутки через легкие человека проходит 11,5 м³ воздуха.

Конечно, в атмосфере происходят фотохимические процессы, с помощью которых перерабатываются загрязняющие вещества и восстанавливается баланс. Однако за период с начала XX в. человек выбросил в атмосферу такое количество загрязнителей, что они уже нарушили природные процессы и равновесие в биосфере.

Основные антропогенные источники загрязнения это прежде веет производство энергии, автотранспорт, черная и цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, предприятия по производству строительных материалов.

ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ

атмосфера воздух химический загрязнение

Увеличение концентрации некоторых веществ в атмосфере Земли сопряжено с далеко идущими последствиями. Возможно возникновение экологических проблем мирового значения. К таким глобальным экологическим проблемам относятся парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные осадки.

Парниковый эффект (глобальное потепление)

История глобального потепления. Гипотеза о возможном изменении климата при увеличении концентрации углекислого газа возникла давно - на рубеже XIX-XX вв. Уже около 100 лет ведутся регулярные наблюдения за климатом на Земле. Шведский физик-химик, лауреат Нобелевской премии исследовал физическую природу парникового эффекта и некоторые свойства газов, сохраняющих тепло в атмосфере. В 1908 г. в своей книге «Образование миров» он писал: «Если бы содержание угольной кислоты (СО, - прим. авт.) в воздухе удвоилось, то температура земной поверхности повысилась бы на 4 °С». Но фактических и точных измерений содержания СО2 в атмосфере было сравнительно немного вплоть до первою Международного геофизического года (1957 г.). С этого времени стали проводиться систематические измерения в различных регионах мира, и эти измерении в течение ряда лет показали, что концентрация углекислого газа в воздухе возрастает.

По климатическим условиям 80-е гг. XX в. были жаркими, что дало повод ученым заявить, что «парниковый эффект» уже ощутим. В 80-х гг. наблюдались засухи, наводнения, ураганы как следствие потепления климата. Последующие 1990-е гг. тоже были очень жаркими.

В 1988 г. Организацией Объединенных Наций была создана Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата (IPCC), в которую вошли 300 ведущих ученых-климатологов мира.

На международной встрече в Торонто (Канада) в 198« г. ученые и политики обсуждали пути возможного уменьшения выбросов углекислого газа.

Сорок девять ученых - лауреатов Нобелевской премии - в 1990 г. заявили, что «глобальное потепление является наиболее серьезной экологической угрозой XXI столетия, и только принимая меры уже сейчас, мы можем быть уверены, что грядущие поколения не столкнутся с этой угрозой».

Независимая международная экологическая организация «Гринпис» в 1990 г. издала доклад «Глобальное потепление» (на русском языке книга опубликована в 1993 г. в изд-ве Ml У). Доклад написан ведущими учеными в области энергетики из CI11A, Великобритании, Швеции, Бразилии и Индии.

На Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 г. была принята Конвенция об изменении климата. В ней говорится о необходимости объединения международных усилий с целью предотвращения неблагоприятных последствий потепления климата.

В 1997 г. в Киото (Япония) состоялась Третья конференция ООН по изменению климата, на которой представители правительств 171 страны подписали соглашение (Протокол Киото). По этому документу всем странам необходимо сократить выбросы парниковых газов, обеспечивающих потепление климата.

22-23 ноября 2000 г. в Гааге (Голландия) прошла климатическая конференция, организованная ООН и Всемирной организацией здравоохранения, на которой рассматривалась проблема парникового эффекта. Поданным, приведенным в докладе на этой конференции Л. Карнауховым, из-за увеличения концентрации С0₂ в атмосфере через 100-200 лет неминуема парниковая катастрофа. Температура достигнет нескольких сотен градусов, и жизнь на планете исчезнет.

Что должно сделать человечество, чтобы этою не произошло? Возможные варианты рассмотрены далее, в подразделе «Пути решения проблемы глобальное) потепления климата».

В первую очередь ученые и политики уделяют большое внимание проблеме глобального потепления климата. Рассмотрим теперь, почему это название называется «парниковым эффектом», какова его природа.

Представим себе застекленный парник (цветочную оранжерею или теплицу), который нагревается на солнце. Нагрев вызван тем, что световая энергия, проникающая внутрь парника через стекло, поглощается и превращается при этом в тепловую, т. е. в инфракрасное (ИК) излучение, которое не может пройти через стекло наружу. Таким образом, тепло как бы улавливается, и температура в парнике повышается.

Аналогично нагревается атмосфера Земли. Солнечное излучение падает на Землю. Большая его часть проникает сквозь атмосферу и, поглощаясь, нагревает поверхностный слой Земли. Землей испускается невидимое инфракрасное излучение, в результате чего Земля охлаждается. Однако часть этого излучения поглощается парниковыми газами в атмосфере, которые играют роль «одеяла», удерживающего тепло.

Чем выше концентрация этих газов, тем заметнее парниковый эффект.

Парниковые газы - это газы, создающие в атмосфере экран, задерживающий инфракрасные лучи, которые в результате нагревают поверхность Земли и нижний слой атмосферы. Многие из этих газов почти на всем протяжении истории Земли присутствовали в атмосфере в незначительном количестве. К наиболее значимым из-за количества природным парниковым газам относятся пары воды Н₂0. Следующим в ряду парниковых газов стоит углекислый газ С0₂. В отсутствие С0₂ температура поверхности Земли была бы примерно на 33°С ниже, чем в настоящее время, т. е. условия для жизни животных и растений были бы крайне неблагоприятными. Углекислый газ попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путем. Следовательно, необходимо делать различие между естественным парниковым эффектом и антропогенным, усиленным парниковым эффектом. Далее будут рассматриваться проблемы парникового эффекта, вызванные деятельностью человека.

В настоящее время основными парниковыми газами являются углекислый газ СО,, метан СН₄, хлорфторуглероды (фреоны) и оксид азота(\) N₂Q По докладу специалистов «Гринпис» доля влияния основных "парниковых газов на глобальное потепление длительное время составляла: СО, - 55% (0,5%), фреонов и родственных им газов - 24% (4%), СН₄ - 15% (0,9%), N₂0 - 6% (0,8%) (в скобках указан уровень среднегодового прироста этих газов). Тропосферный озон О, тоже относится к парниковым газам, но его трудно оценить количественно. Возникает- он в тропосфере в результате химических реакций под действием солнечного света между углеводородами и оксидами азота, образовавшимися при сжигании ископаемого топлива (подробнее это обсуждалось в разд. 2.5.3).

К 2000 г. доля влияния этих основных парниковых газов на глобальное потепление изменилась. Табл. 2.16 составлена на основе данных, опубликованных в журнале «Химия в России» (2000, №8) по материалам статьи американского ученого Кевина Гурни. По сравнению с 1990 г. возросла доля углекислого газа с 55 до 64% и метана - с 15 до 20%, уменьшилась доля фреонов (в связи с их запретом) с 24 до 10%, на прежнем уровне осталась доля N₂0 (6%).

Антропогенный парниковый эффект на 57% обусловлен добычей и потреблением энергии, на 9% - исчезновением лесов, на 14% - сельскохозяйственной деятельностью и на 20% - остальным промышленным производством, не связанным с энергетическим циклом (в том числе и производством фреонов).

Разрушение озонового слоя

Ежегодно наша планета Земля теряет около 0,5% озонового слоя. За последние 10-15 лет его содержание уменьшилось примерно на 7%, и отмечается нарастающая интенсивность этого процесса. Наибольшие потери стратосферного озона раньше приходились на каждую антарктическую весну (октябрь), но сейчас и в северных широтах исчезает около 10% озона зимой и весной и около 5% летом и осенью. В первой половине 1997 г. возникла громадная по своим масштабам озоновая «дыра» площадью ~30 млн. км² над всей Арктикой, включая север Европы, Канады, Гренландию, Балтийское море, северные области Сибири вплоть до Урала и Байкала. Среднемесячное уменьшение озона весной достигало здесь 30-40%. Над Южным полушарием за 5 лет (1993-1998) «дыра» увеличилась в два раза, достигнув площади 22 млн. км². Полученные данные полностью подтверждают теорию химического разрушения озонового слоя.

К настоящему времени установлено, что практически единственным источником озона в стратосфере является кислород. Согласно Чемпенсу, образование озона начинается с фотохимического разложения молекулярного кислорода на два свободных атома кислорода под действием коротковолнового УФ излучения :

0,-^*0 + 0.

За этим следует присоединение образующихся атомов к молекулам кислорода и образование двух молекул озона:

О + О, > О,; О + 0₃ -*¦ О-.

Таким образом, результирующий процесс можно представить в виде уравнения

30₂-^20,.

Было установлено, что фотодиссоциация О, на атомы происходит под действием УФ излучения с длиной волны X < 242 нм, причем этот процесс развивается на высоте более 30 км, поскольку ниже коротковолновое солнечное излучение не проникает.

ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Наилучшим способом защиты атмосферы и биосферы в целом является, конечно, совершенствование промышленных производств с целью создания безотходных или малоотходных технологий, при которых вредные вещества практически не должны поступать в окружающую среду. Однако большинство промышленных производств пока используют открытые технологические процессы, связанные с выбросом в атмосферу твердых частиц и отходящих газов. Необходимо строгое ограничение выбросов, а в перспективе - их полное исключение.

Комплекс мер с целью защиты атмосферы от загрязнения включает: совершенствование технологии производства для снижения выбросов; сокращение наиболее вредных производств; создание санитарно-защитных зон около предприятий; рассеяние химических соединений в атмосфере; создание более эффективных очистных сооружений на предприятиях; рациональную планировку зеленых насаждений, обладающих пылеулавливающей и газопоглотительной способностью.

Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий установлено, что предприятия, являющиеся источником выделения в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ или источниками ионизирующих излучений, должны быть отделены от жилой застройки санитарно-защитными зонами (СЗЗ). Санитарно-защитной зоной следует считать пространство между промышленной площадкой, на улице которой концентрации вредных веществ не должны превышать 0,3 ПДК (для воздуха рабочей зоны), и границей, на которой обеспечивается соблюдение ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов (ПДК* _п). Границы СЗЗ при одном источнике выброса устанавливают непосредственно от этого источника; при группе источников, сводящихся в одну точку, - от этой точки (центра). Промышленные предприятия подразделяют на пять классов в зависимости от их опасности для окружающей среды по санитарно-гигиеническим критериям. Наиболее опасен I класс, наименее опасен - V. Каждому классу предприятий соответствует своя санитарно-защитная зона: для предприятий класса I - 1000 м, класса 11 - 500 м, класса 111 - 300 м, класса Г/ - 100 м и класса V - 50 м. СЗЗ предприятий при необходимости может быть увеличена по решению соответствующих федеральных органов, но не более чем в три раза.

Как правило, на каждом предприятии для отвода газов и удаления пыли используют трубы высотой 200-350 м. Применение высоких труб позволяет распределять загрязняющие вещества на большие расстояния отточки выброса и, следовательно, разбавлять выброс в большем объеме атмосферного воздуха, снижая тем самым их концентрацию. Так из трубы высотой 200 м пылегазовые потоки расходятся на 20 км, а из трубы высотой 250 м - на 75 км. Рассеяние вредных веществ позволяет снизить их концентрацию в непосредственной близости от источника выброса, однако загрязнение распространяется на большие расстояния и вместо локального загрязнения может наблюдаться региональное, хотя и с меньшей концентрацией вредных веществ.

Таким образом, рассеяние вредных веществ в атмосфере не является эффективным средством ее защиты от загрязнений. Основное внимание при проектировании промышленных предприятий или реконструкции действующих должно уделяться как можно более полной очистке и обезвреживанию атмосферных выбросов от токсичных веществ, созданию эффективных очистных сооружений. Рассмотрим процессы пылеотчистки и очистку выбросов от газообразных компонентов.

Аппараты для очистки воздуха и газов от пыли подразделяются на следующие типы.

1. Механические обеспыливающие устройства, в которых пыль отделяется под действием гравитационных, инерционных или центробежных сил.

2. Электрофильтры, в которых осаждение пыли осуществляется за счет ионизации газа и сообщения электрического заряда пылинкам.

3. Гидравлические аппараты, в которых твердые частицы улавливаются жидкостью (мокрый способ).

4. Пористые фильтры, удерживающие тонкодисперсную пыль.

Пылеосадительные камеры, являясь простейшими аппаратами механического способа очистки отходящих газов, применяются для освобождения газов от пыли (размер частиц 500-50 мкм) и обеспечивают степень очистки 40-50%. Способ очистки в данных аппаратах основан на действии гравитационных сил. При движении потока воздуха или газа между перегородками его скорость снижается, и частицы пыли оседают.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нормативные данные по предельно допустимым угрозам загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды: Справочный материал. - СПб.: Научно-технический центр «АМЕКОС». АО НИН «Буревестник», 1993.

2. Обухов А.В. Контроль чистоты воздушного океана. - М.. 1982.

3. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов / Под. ред. Ю. А Ершова. - М.: Высшая школа, 1993.

4. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности: Учебник для вузов / А. С. Бобков, А. А. Блинов, И. А. Роздин. L. И. Хабарова. - М.: Химия, 1997.

5. Панов Б.С. О проблеме защиты озонового слоя Земли // http://www.nmie.dgtu.doncisk.una/fm/cco891/5 html.

Размещено на Allbest.ru