Экология и окружающая природная среда

Тема 10. Характеристика основных газообразных, жидких и твердых загрязнителей и высокотоксичных соединений

1. Общие положения

Загрязнители - это материальные субстанции, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, которые создают концентрации или уровни их воздействия, выходящие за рамки предельных естественных колебаний и оказывающие вредное влияние на природные экосистемы и человека. Отсюда следует, что нет субстанций, которые во всех случаях были бы только загрязнителями или относились к числу безвредных. Так, вредно употребление в больших количествах воды (водянка), пищи (ожирение и инвалидность первой группы), но змеиный яд как ценный ингредиент входит в состав многих лекарственных рецептур.

По виду материальной субстанции загрязнители, в соответствии с изложенным выше, можно разделить на вещественные и энергетические.

Вещественные загрязнители по генезису (происхождению) можно разделить на естественные и антропогенные. Естественные возникают в результате мощных природных процессов (извержение вулканов, лесные пожары, выветривание и др.) без участия человека. Техногенные загрязнения являются результатом человеческой деятельности. По масштабам воздействия они во многих случаях близки к естественным и даже превосходят их.

Вещественные техногенные загрязнители по уровню структурирования вещества можно разделить на химические (неживые) и биологические (живые организмы).

Более опасными в настоящее время признаны химические загрязнители. В народном хозяйстве используют 2 млн. химических веществ, подавляющее количество которых даже не с чем сравнивать, так как для них не разработаны экологические нормативы, и их присутствие не контролируется. Особенно опасны химические вещества, созданные человеком и не имеющие аналогов в природе.

Биологические загрязнители - это случайные или связанные с деятельностью человека загрязнители и чуждые ему, эксплуатируемым им экосистемам, технологическим устройствам растений, животных и микроорганизмов. Они являются результатом деятельности некоторых предприятий промышленного биосинтеза (антибиотиков, ферментов, вакцин и кормовых белков).

По характеру воздействия на живые организмы выделяют химические загрязнители общетоксического и специфического действия. Первые вызывают общие, а вторые - характерные заболевания, например наркотические, аллергенные, мутагенные и др. В ряде случаев загрязнители обладают как общетоксическим, так и специфическим действием, поэтому граница между рассматриваемыми группами зачастую достаточно условна.

2. Химические загрязнители общетоксического действия

Рассмотрим наиболее характерные и масштабные на данном этапе технического прогресса газообразные, жидкие и твердые загрязнители.

1.Газовые и жидкие загрязнители.

К загрязнителям этого типа относятся соединения азота, серы, галогены, оксиды углерода и озон.

а)Оксиды азота и аммиак.

Азот образует шесть соединений с кислородом: N₂О, NO, N₂О₃, NO₂, N₂О₄, N₂О₅. Как загрязнители атмосферы имеют значение лишь NO и NO₂.

В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота NО₂ - газ бурого цвета, с острым запахом, ядовитый, раздражающе действующий на органы дыхания, легкие, поражающий сердце. Оксид азота NO (II) - бесцветный газ без запаха, негорючий, слабо растворим в воде, оказывает непосредственное воздействие на центральную нервную систему.

Концентрации других оксидов азота в атмосфере малы. Из них интересен по свойствам N₂O - оксид азота (I) - безвредный бесцветный газ со слабым сладковатым запахом и вкусом. Он возбуждающе действует на нервную систему, поэтому его еще называют «веселящим газом». Используется в медицине для общей анестезии.

Смесь оксидов азота так же опасна, как и индивидуальных NO и NО₂, особенно в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов, образуют фотохимический туман - смог. Их действие начинается с легкого кашля, который усиливается при повышении концентрации NO_X и сопровождается рвотой, иногда головной болью. Вредное действие NO_X основано на контакте его с влажной поверхностью слизистой оболочки, что приводит к образованию азотной и азотистой кислот и, как следствие, к поражению внутренних органов, в частности отеку легких.

Источники соединений азота могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные источники:

1.Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота;

2.Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота;

3.Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров;

4.Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоят высокотемпературные процессы горения при избытке воздуха. Наибольшее содержание NO_X отмечается в дымовых выбросах котельных установок и автотранспорта.

Аммиак NНз - бесцветный газ с удушливым резким запахом, очень хорошо растворим в воде. Водный раствор аммиака называют нашатырным спиртом. Помимо промышленных производств (удобрения, мочевина, азотная кислота), аммиак образуется при сжигании нечистот, в стоках кожевенных, сахарных и животноводческих комплексов.

Наиболее специфическое свойство аммиака - сильный запах, который чувствуется на расстоянии 3-5 км от крупных животноводческих и свиноводческих комплексов. При остром отравлении им наблюдаются слезотечение, сильные приступы кашля, головокружение, мучительные боли в желудке и рвота. При хроническом отравлении регистрируются значительные сдвиги высшей нервной деятельности.

б)Соединения серы.

Диоксид серы SO₂ - бесцветный газ с резким, удушливым запахом. Уже в малых концентрациях он создает неприятный кисловатый вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. При продолжительном воздействии сернистого ангидрида развиваются бронхиты, хронические гастриты и другие заболевания, включая рак легких.

Диоксид серы при растворении в воде образует существующую только в водном растворе сернистую кислоту, также обладающую токсическими свойствами. Кроме того, он и вторичные образованные им вещества активно коррозируют металлические, цементные, бетонные и другие конструкции.

Существуют четыре основных источника загрязнения окружающей среды соединениями серы:

1.Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Наиболее важными источниками этих газов являются болота и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ;

2.Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера;

3.Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остаётся морская соль, содержащая соединения серы - сульфаты;

4.Техногенные источники выделения сернистого ангидрида многочисленны: сжигание всех видов топлива, как правило, включающих примеси серы, черная и цветная металлургия, цементные заводы, химическая промышленность, производство целлюлозы и синтетических волокон.

Сероводород H₂S - бесцветный газ с запахом тухлых яиц, образует сероводородную кислоту с относительно слабыми кислотными свойствами. Газ поражает нервную систему, действует на дыхательные пути и глаза с возможными острым и хроническим отравлениями. Последствия перенесенного острого отравления - параличи, хронический менингит, желудочно-кишечные заболевания и воспаление легких.

Промышленные источники выделения сероводорода: коксохимия, производство искусственных волокон, газовые выделения угольных шахт, нефтепромыслов и нефтеперерабатывающих предприятий. Кроме того, повышенное содержание сероводорода отмечается в месторождениях природного газа с углубленным залеганием. Так, Оренбургский природный газ содержит около 4% Н₂S.

в)Галогены.

Из группы галогенов (хлор, фтор, бром, йод) соединения первых двух элементов наиболее масштабны по объему промышленного производства.

Хлор Сl - газ желто-зеленого цвета с резким запахом, образует хлорную воду. Вдыхание хлора вызывает раздражение дыхательных путей и при больших количествах приводит к летальному исходу из-за торможения дыхательных центров.

Источники выброса хлора: титаномагниевые заводы, участки травления гальванических производств, выпуск соляной кислоты, пестицидов, органических красителей, хлорной извести и соды.

Хлористый водород НС1 - бесцветный газ с резким запахом, одно из важнейших соединений хлора, близкое к нему по токсическим свойствам. Газ великолепно растворяется в воде, образуя соляную кислоту.

При вдыхании хлористый водород раздражает дыхательные пути и вызывает удушье. При хроническом отравлении им наблюдают катар верхних дыхательных путей, разрушение зубов, желудочно-кишечные расстройства и воспалительные заболевания кожи.

Фтор F - зеленовато-желтый газ с сильным запахом, активнейший окислитель. При соприкосновении с кожей вызывает термические ожоги, раздражает глаза и нос.

Фтористый водород HF - бесцветный газ, растворяется в воде с образованием очень сильной плавиковой кислоты, разъедающей стекло. Симптомы острого и хронического отравления: носовые кровотечения, сухой удушливый кашель, бронхиты и потеря голоса.

г)Оксиды углерода.

Оксиды углерода представлены двумя формами: монооксидом СО и диоксидом СО₂. В техногенных процессах они образуются как продукты неполного (СО) и полного (СО₂) сгорания углеродсодержащих топлив.

Монооксид углерода - бесцветный газ без запаха и вкуса, воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье. Последнее обусловлено тем, что он связывает гемоглобин крови, ответственный за снабжение организма кислородом. При хроническом отравлении отмечаются аритмия, учащение пульса, неустойчивое кровяное давление, стенокардия. Токсичность монооксида углерода возрастает при наличии в воздухе оксидов азота (эффект суммации). В этом случае нормативы ПДК для СО в воздухе необходимо снижать в 1,5 раза.

Диоксид углерода - бесцветный газ кисловатого вкуса и запаха. В общем он не относится к числу ядовитых, является естественным компонентом воздуха, однако в больших концентрациях опасен для жизни. При содержании в рабочей зоне 4-6% СО₂ дыхание и пульс учащаются, появляется шум в ушах, при концентрации 10% наступает обморочное состояние, а при 20-25% полное отравление организма достигается через несколько секунд.

д)Озон О₃ - бесцветный резко пахнущий газ, из всех присутствующих в загрязненной атмосфере сильных окислителей он наиболее распространен. При повышенных концентрациях озон поражает у человека органы дыхания (першение в горле, головные боли и снижение кровяного давления). Отмечается также раздражение слизистых глаз.

Источниками попадания озона в атмосферу служат процессы дезинфекции, очистки промышленных стоков, отбеливания тканей, органического синтеза жирных кислот и смол. Вместе с тем наличие озона в стратосфере спасительно для человечества, так как он поглощает смертельно опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение, избыточная интенсивность которого вызывает ожоги кожи и раковые заболевания.

2)Твердые аэрозоли.

Вредное действие аэрозолей определяется способом их контакта с организмом, размерами частиц и степенью их токсичности. Попадая на глаза человека, аэрозоли вызывают раздражение, сопровождаемое слезоточивостью и ослаблением зрения. В этом плане наиболее опасны пыли негашеной извести, каменноугольного песка, карбида кальция, цемента, действие которых имеет щелочной характер. Оседая на коже, частицы аэрозолей проникают в нее, закупоривают отверстия сальных и потовых желез, вызывают воспаление и разъедание кожного покрова.

При вдыхании, с течением времени пыль превращает легочную ткань в фиброидную (пневмокониоз), которая не участвует в кислородном и углекислотном обменах. Различают следующие заболевания легких в зависимости от вида пыли, их вызывающей: силикоз (кварцевая пыль), антракоз (угольная пыль), асбестоз (асбестовая пыль) и т.д.

Наибольший вред наносят пыли и дымы, попадающие внутрь организма с дыханием и пищей. При вдыхании запыленного воздуха часть пыли задерживается слизистыми оболочками и вызывает воспаление носоглотки и бронхов, часть оседает в легких. Более всего опасны частицы крупностью сверх 5 мкм (задерживаются в верхних дыхательных путях) и 0,5-5,0 мкм (осаждаются в легких), а также аэрозоли с острыми режущими краями, легко травмирующие ткани. Частицы менее 0,2-0,3 мкм удаляются из легких вместе с выдыхаемым воздухом.

Специфический вид аэрозолей представляет сажа. Сажа - дисперсный порошок с размером частиц 0,03-0,09 мкм. Она образуется при неполном сгорании топлива и на 90-95% представлена частицами углерода. Сама по себе сажа нетоксична. Однако вследствие очень большой дисперсности она обладает высокой адсорбционной емкостью, в том числе и по отношению к тяжелым токсичным и канцерогенным углеводородам, включая бенз(а)пирен, что делает ее весьма опасной для человека.

3)Тяжелые металлы.

Одними из наиболее токсичных являются соединения цветных металлов, особенно тяжелых. Рассмотрим наиболее вредные соединения.

а)Свинец, Рb. Этот элемент и большинство его соединений относятся к первому классу опасности. Свинцовые интоксикации занимают первое место среди профессиональных заболеваний, составляя в них 11,6%. Основным источником промышленного загрязнения свинцом служит металлургия, дающая 87% выбросов предприятий. В еще больших масштабах загрязняет окружающую среду транспорт (4000 т/год), использующий так называемый этилированный бензин, который содержит тетраэтил свинца (С₂Нз)₄Рb.

В организм человека свинцовая пыль проникает через органы дыхания и с пищей примерно в равных количествах. Под действием свинца нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы, сужаются сосуды. Он также может активно накапливаться в костях.

б)Ртуть Hg - металл с уникальными свойствами. Он единственный из металлов находится в жидком состоянии при обычных условиях, имеет низкую температуру кипения (327°С), достаточно тяжел. Ртуть попадает в атмосферу при сжигании угля, торфа, из неутилизированных ртутьсодержащих приборов.

Ртуть, особенно ее пары, и соединения ртути, твердые при обычных температурах, весьма ядовиты. Прежде всего они поражают центральную нервную систему, что происходит при их вдыхании, всасывании через кожный покров или попадании с пищевыми продуктами. При тяжелых отравлениях наблюдают резкие изменения в почках и летальный исход через 5-6 суток.

в)Кадмий Cd поступает в атмосферу из гальванических и красильных цехов, при сжигании отходов и мусора, при работе автотранспорта. Из атмосферы кадмий мигрирует в гидросферу и почву, а из них переходит в растения, накапливается там и вместе с растительной пищей попадает в организм человека.

Соединения кадмия весьма ядовиты, действуют на органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, поражают сердце, почки, печень, костную и мышечную ткани. При острых производственных отравлениях 15% из них заканчиваются летальным исходом.

г)Мышьяк As попадает в окружающую среду при сжигании топлива, переработке руд цветных металлов, использовании некоторых ядохимикатов.

Мышьяк ядовит главным образом в соединениях. Попадая в организм через пищеварительный и дыхательный тракты, он действует на нервную систему, стенки сосудов, вызывает некробиотическое поражение печени, почек и кишечника.

4)Специфические химические загрязнители

Помимо рассмотренных веществ, оказывающих общетоксическое действие на человека, имеются и другие, обладающие, кроме токсического, дополнительным узконаправленным влиянием (наркотическим, канцерогенным, мутагенным, тератогенным и аллергенным).

1.Наркотики - сильнодействующие вещества, вызывающие возбужденное состояние и парализующие центральную нервную систему, преимущественно растительного происхождения или изготовляемые специально. К ним относятся широко известные морфий (алкалоид опиумного мака), опиум (высушенный млечный сок незрелых коробочек мака, содержащий различные алкалоиды, в том числе морфий), героин (продукт глубокой переработки опиумного мака), кокаин (алкалоид, находящийся в листьях южноамериканского кустарника коки), марихуана (получают из индийской конопли), гашиш (смолистые вещества, выделяемые женскими соцветиями индийской конопли), анаша и др. Однако наркотическими свойствами обладают и некоторые вещества - загрязнители окружающей среды, прежде всего углеводороды.

2.Канцерогены - химические вещества или физические факторы, способные вызывать в живых организмах развитие злокачественных образований. Из организма канцерогенные вещества не выводятся. Канцерогены подразделяются на:

а)химические канцерогены - многие органические соединения, в частности полициклические ароматические углеводороды; яды (четыреххлористый углерод, хлороформ и др.), соединения металлов, например, оксиды бериллия, шестивалентного хрома.

б)к физическим канцерогенным факторам относят рентгеновские лучи, радиоактивное загрязнение атмосферы, а также большие дозы ультрафиолетовых излучений.

3.Мутагены - химические вещества, вызывающие наследственные изменения в организме (мутации). Часть мутаций приводит к летальному исходу, бесплодию или врожденным уродствам. Под влиянием мутаций могут возникать новые виды болезнетворных бактерий, по отношению к которым человек, фауна и флора не имеют иммунитета. Мутагенным действием обладают многие пестициды, выхлопные газы автомобилей, углеводороды. Мутации могут быть также вызваны физическими факторами.

4.Тератогены - химические вещества, влияющие на внутриутробное развитие, способные вызвать врожденные аномалии, пороки развития и уродства человека, животных и растений. Тератогенное воздействие выявлено у ртути, свинца и стирола.

5.Аллергены - вещества, вызывающие измененную реактивность организма к повторным воздействиям различных раздражителей (микробов, чужеродных белков и др.). Изменение реактивности обусловливает понижение иммунитета организма, повышение его чувствительности к отдельным факторам внешней среды, что приводит к ряду заболеваний (сенная лихорадка, бронхиальная астма, крапивница). К контактным аллергенам относится 1000 химических веществ, важнейшими из которых являются металлы, красители, клеи, некоторые растительные продукты, а также пыльца растений, яды пчел и ос (при укусах), шерсть животных (кошек) и пестициды.

5)Диоксины.

Под диоксинами понимают не какое-то конкретное вещество, а несколько тысяч дибензопроизводных. В структуру диоксина входят два хлорированных бензольных кольца, соединенных через один или два атома кислорода.

Наиболее опасен 2,3,7,8-ТХДД (тетрахлордибензо-пара-диоксин). Его токсическое действие многократно превосходит эффективность других сильных ядов: цианида калия (в 1000 раз), стрихнина (в 500 раз), а также кураре и зарина.

В нормальных условиях 2,3,7,8-ТХДД не разлагается до 750°С, химически инертен. Период полураспада соединений в почве составляет 1-9 лет, в организме человека - 6-7 лет. Диоксины могут годами накапливаться в организме, не вступая в нем ни в какие взаимодействия, а затем дают знать о себе, подавляя иммунные возможности организма. Как следствие, возникают злокачественные опухоли, врожденные уродства и психические расстройства.

Основными источниками синтеза диоксинов являются: металлургия, химические предприятия, сжигание мусора и захоронение химических отходов, места использования гербицидов, целлюлозно-бумажные комбинаты, двигатели внутреннего сгорания при добавлении в бензин дихлорэтана для очистки от копоти.

6) Полициклические ароматические углеводороды.

К полициклическим ароматическим углеводородам относят вещества с циклической группировкой из шести атомов углерода (бензольных колец). Свое название они получили в самом начале их открытия, поскольку первые из ПАУ, действительно, обладали приятным запахом. В настоящее время выявлено, что ароматические углеводороды оказывают канцерогенное, мутагенное, тератогенное и токсическое действие.

Источниками поступления ПАУ являются сжигание топлива, производство анодов, асфальтовые заводы и автотранспорт. Основное их количество образуется в коксохимическом производстве, на долю которого приходится более 70% всех канцерогенных выбросов металлургии. Особое место среди ПАУ занимают бенз(а)пирен, наиболее активный канцероген воздушного бассейна, бензол - самый крупнотоннажный из ПАУ и их производные.

ПАУ поражают нервную и сосудистую системы, почки и в наибольшей степени - кроветворение (костный мозг), накапливаются в жирах и липидах. При действии на кожу обжигает ее, образуя волдыри и язвы. При хроническом отравлении вызывает раздражение дыхательных путей и расстройство пищеварения.

Размещено на Allbest.ru