Загрязнение атмосферы

Загрязнение атмосферы. АТМОСФЕРА, газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.

Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом.(Советский энциклопедический словарь, 1988г.) Атмосфера это та среда, в которой зарождается земной климат и погода со всеми их особенностями.

Атмосферный воздух, кроме постоянного состава, содержит различные вредные для природной среды примеси, концентрации которых изменяются в значительных пределах в зависимости от места поступления этих веществ в атмосферу. При этом загрязняющие атмосферу вещества могут быть в виде газов, паров или твердых частиц. По величине размеров частиц твердые выбросы подразделяются на выбросы в виде пыли (5-50 мкм) и выбросы в виде аэрозолей дыма и тумана (0,1-5 мкм). Источниками загрязнения атмосферного воздуха являются природные и антропогенные процессы (источники, возникающие в результате жизнедеятельности человека). По объему природные выбросы вредных веществ могут превосходить антропогенные в несколько раз. Однако, как уже было отмечено, природные выбросы распределяются в атмосфере равномерно и образуют лишь фоновые концентрации.

В то же время антропогенные выбросы образуются постоянно и имеют локальный характер, вследствие чего создают опасные концентрации вредных веществ в природной среде.

Объемы выбросов загрязняющих атмосферу вредных веществ могут быть большими или сравнительно небольшими. В зависимости от этого загрязняющие атмосферу вещества подразделяются на массовые и специфические. К массовым загрязнителям атмосферного воздуха относятся: диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и пыль. (Новиков Ю.В 1991г.) Диоксид серы, его свойства и источники выбросов в атмосферу Сера является одним из распространенных элементов земной коры, ее содержание составляет 0,02% от массы Земли. Являясь биогенным элементом, сера входит в состав белковых тел. В то же время газообразные соединения серы, образующиеся в природных условиях и вследствие производственной деятельности человека, являются вредными, токсичными веществами.

Среди них важное место занимает диоксид серы. Диоксид серы SО2 представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Температура плавления диоксида серы составляет -75 °С, а температура кипения равна -10 °С. При обычных условиях в одном объеме воды растворяется 40 объемов диоксида серы. Предельно допустимая концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе составляет 0,05 мг/м3. Диоксид серы пагубно действует на некоторые породы деревьев, в частности на хвойные.

При концентрациях диоксида серы в атмосферном воздухе 0,24 млн1 начинается увядание листьев сахарной свеклы, люцерны и красной смородины. В природных условиях диоксид серы выделяется при извержениях вулканов, гейзеров и окислении серы и ее соединений, рассеянных в Мировом океане.

Общая масса природных выбросов диоксида серы составляет порядка 150 млн. т. Выбросы диоксида серы антропогенного происхождения в основном находятся в составе дымовых газов, образующихся при сжигании сернистых топлив (мазута и угля).Ежегодно в мире в составе дымовых газов в атмосферу попадает около 140 млн. т диоксида серы, в составе отходящих газов промышленных предприятий порядка 10 млн. т. В атмосферном воздухе диоксид серы под действием солнечных лучей окисляется кислородом до сернистого ангидрида, который, взаимодействуя с влагой, образует серную кислоту: SО2 + 0.5 О2 > SО3 ,SО3 + Н2О > H2SО4 Пары серной кислоты растворяются в дождевой воде и повышают ее кислотность.

Вероятность выпадения диоксида серы в виде кислотных дождей составляет 0,6, то есть 60% диоксида серы от всего количества выбросов в атмосферу. В результате таких дождей понижается урожайность зерновых, гибнут леса, в водоемах ухудшаются условия для разведения рыб. По уровню вредного влияния на окружающую природную среду диоксид серы входит в число пяти наиболее крупнотоннажных загрязняющих веществ глобального масштаба.

При высоких концентрациях диоксида серы в воздухе в условиях высокой влажности и температуры порядка 0 °С образуется так называемый восстановительный смог, или смог лондонского типа. Механизм его образования следующий: твердые частицы (летучая зола, сажа) в воздухе действуют как зародыши конденсации паров воды с образованием микрочастиц тумана; диоксид серы растворяется в капельках тумана с образованием сернистой кислоты; сернистая кислота окисляется в серную кислоту кислородом, растворенным в капле.

Так образуется кислый, разъедающий все туман. Оксиды азота, их некоторые свойства и источники В природе известны следующие оксиды азота. Оксид азота (I) N2О. Он представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. Известен как «веселящий газ», выделяется из почвы при внесении азотных удобрений.

Оксид азота (I) довольно хорошо растворяется в воде, однако химически с ней не взаимодействует. Он не реагирует также с кислотами и щелочами. При высоких концентрациях N2О вызывает удушье вследствие вытеснения кислорода из легких. Оксид азота (I) малотоксичен, вдыхание его в смеси с воздухом вызывает характерное состояние опьянения, сопровождающееся ослаблением болевых ощущений. Поэтому смесь оксида азота (I) с кислородом может применяться для наркоза (80% N2О и 20%О2). При температурах выше 500°С оксид азота (I) разлагается с образованием молекул азота и кислорода: 2N2О = 2N2 + О2. Оксид азота (II) NО. Соединение двухвалентного азота с кислородом представляет собой бесцветный токсичный газ. Его ПДКс.с. = 0,06 мг/м3. Фоновые концентрации N0 достигают 7,4 мкг/м3. Диоксид азота (IV) NО2. В обычных условиях он представляет собой газ бурого цвета, раздражающе действует на дыхательные пути. Более токсичен, чем N0, ПДКс.с. = 0,04 мг/м3. Фоновые концентрации NО2 изменяются в пределах 0,4-9,4 мкг/ м3. Один моль воды растворяет два моля диоксида азота, при этом происходит химическое взаимодействие с образованием азотной и азотистой кислот: 2NO2 + Н2О > НNO3 + HNО2. Оксиды азота N0 и NО2 в атмосфере и в составе газовых выбросов всегда присутствуют вместе, и поэтому обобщенно обозначаются как NОх. Они относятся к массовым загрязнителям атмосферы.

Установлено, что даже сравнительно небольшие концентрации оксидов азота в воздухе при постоянном воздействии на организм человека вызывают неблагоприятную реакцию с гемоглобином крови. При концентрациях 1000 - 5000 мг/м3 оксид азота токсичнее диоксида азота.

Особую опасность представляет взаимодействие оксидов азота с кислородом и находящимися в воздухе углеводородами, приводящее в присутствии солнечного излучения и при температурах 20 - 25 °С к протеканию реакций.

В результате образуется фотохимический смог (смог лос-анджелесского типа), вызывающий резь в глазах, раздражающий легочную ткань и влияющий на сердечно-сосудистую систему людей. Для озонового слоя оксиды азота представляют опасность в связи с тем, что они попадают в стратосферу.

Под действием мягкого УФ-излучения Солнца, которое в стратосфере озоном почти не задерживается, диоксид азота разлагается с выделением оксида азота, а последний окисляется озоном. В результате ряда последовательных реакций одна молекула оксида азота способствует уничтожению в среднем 10 молекул озона. В природных условиях оксиды азота образуются в количествах порядка 700 млн. т/год в результате извержений вулканов, лесных пожаров, грозовых разрядов молний, а также в почве и поверхностных слоях океана вследствие протекания анаэробных процессов.

Однако такое количество оксидов азота равномерно распределяется в атмосфере и образует лишь фоновые концентрации, не представляющие опасности для растений и живых организмов. Наиболее опасны для окружающей среды и человека оксиды азота, образующиеся в результате производственной деятельности человека.

Общая масса антропогенных выбросов оксидов азота составляет около 75 млн. т/год, то есть примерно в 10 раз меньше природных выбросов. Несмотря на это, антропогенные выбросы представляют серьезную опасность для растений и живых организмов из-за образования локальных высоких концентраций, превышающих предельно допустимые в десятки и более раз. Антропогенные выбросы оксидов азота образуются: в процессах горения топлива на тепловых электростанциях, в котельных агрегатах, двигателях внутреннего сгорания.

Ежегодно в составе дымовых газов в атмосферу выбрасывается порядка 50 млн. т оксидов азота: в процессах получения и применения азотной кислоты, при производстве взрывчатых веществ, алифатических и ароматических нитросоединений, азотных удобрений, серной кислоты нитрозным способом, анилиновых красителей, вискозного волокна, травления металлов и др а также в газовых выбросах химической промышленности, где объем оксидов азота составляет порядка 25 млн. т в год. (Снакин В. В 2000.) Оксид углерода, его свойства и источники Оксид углерода является одним из сильнейших загрязнителей атмосферного воздуха, особенно в приземном слое. Природными источниками оксида углерода являются лесные пожары, выделения океанов и неполное окисление органики.

Общий объем природных выбросов составляет около 32 млн. т в год и не представляет опасности для человека и животного мира. Основными антропогенными источниками оксида углерода являются автомобильный транспорт и тепловые электростанции.

Установлено, что мировой автопарк в настоящее время насчитывает более 500 млн. автомобилей, которые ежегодно в составе выхлопных газов выбрасывают порядка 460 млн. т оксида углерода. Кроме того, оксид углерода попадает в атмосферу в количестве более 150 млн. т ежегодно в составе дымовых газов при сжигании топлива, отходящих газов металлургической и химической промышленности. Предельно допустимая концентрация оксида углерода составляет 1 мг/м3 воздуха, что в 20 раз больше, чем ПДК диоксида серы и оксидов азота.

Однако в последние годы установлено, что постоянное действие даже небольших концентраций оксида углерода на организм человека вызывает сердечно-сосудистые заболевания, стенокардию, поражение коронарных сосудов и атеросклероз. Кроме того, он действует на нервную систему. При содержании в воздухе больших концентраций оксида углерода уменьшается доступ кислорода к тканям человеческого организма, что вызывает кислородное голодание и смерть.

Это происходит даже в том случае, если концентрация кислорода в воздухе остается неизменной. Углеводороды и их источники В природных условиях углеводороды поступают в атмосферу за счет разложения органики, лесных пожаров и другими путями. Так, метан попадает в воздух из месторождений каменного угля и природного газа, а также выделяется из болот, рисовых полей, свалок и при жизнедеятельности жвачных животных. Углеводороды, входящие в состав нефти и попутного газа, выделяются при миграции нефти к поверхности Земли в виде нефтяных ключей, что имеет место в нефтяных районах Республики Татарстан.

Полагают, что ежегодно от природных источников в атмосферу поступает около 2 млрд. 600 млн. т углеводородов. К антропогенным источникам углеводородов относятся нефтяная, газовая, нефтехимическая отрасли промышленности и автомобильный транспорт. Ежегодно из этих источников в атмосферный воздух поступает более 80 млн. т углеводородов. В атмосфере алифатические углеводороды не представляют серьезной опасности для человека, поскольку их предельно допустимая концентрация лежит в пределах 150-300 мг/м3 воздуха.

Однако метан способствует усилению парникового эффекта из-за того, что он поглощает инфракрасное излучение нагретой земной поверхности. Другие углеводороды, реагируя с озоном и диоксидом азота, образуют альдегиды, кетоны и пероксиацилнитраты, которые являются основными компонентами фотохимического смога. Пыль и ее источники Пыль образуется и попадает в атмосферу различными путями. Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое происхождение и образуются в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений, лесных, степных и торфяных пожаров и пыльных бурь над безводными пустынями.

Количество пыли, образующееся при производственной деятельности человека, составляет 2,40 млрд. т/год. Основными источниками пыли при этом являются предприятия горнорудной, металлургической и угольной промышленности, тепловые электростанции.

Так, при сжигании одной тонны каменного угля образуется 70 - 110 кг летучей золы в виде пыли. Предельно допустимая концентрация пыли составляет 0,5 мг/м3 воздуха. Отрицательное действие пыли на природную среду вызвано физическим загрязнением ею растений, поверхности почвы и т. д. (Мухумутдинова А.А 1998г.) Специфические загрязнители атмосферного воздуха. Вредные газо- и парообразные вещества, выбрасываемые в атмосферу в сравнительно небольших количествах, называются специфическими загрязнителями атмосферы.

К ним относятся аммиак, бенз(а)пирен, сероводород, сероуглерод, галогены (хлор, фтор) и их соединения, пары ртути, меркаптаны, диоксины. Эти соединения обычно обнаруживаются в атмосферном воздухе около промышленных предприятий, которые либо применяют эти вещества в технологических процессах, либо они образуются при производстве других химических соединений. Рассмотрим более подробно источники специфических загрязнителей и влияние этих загрязнителей на здоровье человека.

Аммиак (NH3). По объему выбросов аммиак занимает первое место среди специфических загрязнителей атмосферного воздуха. Он попадает в воздух в составе выбросов производства аммиака, азотной кислоты, азотных удобрений, металлургических предприятий, различных химических производств. Аммиак представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Он хорошо растворяется в воде. При комнатной температуре один объем воды растворяет 700 объемов аммиака.

Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе населенных мест не должна превышать 0,2 мг/м3. При высоких концентрациях в воздухе аммиак раздражает слизистые оболочки. Острое отравление аммиаком вызывает поражение глаз, дыхательных путей, одышку и воспаление легких. Бенз(а)пирен. Это соединение относится к канцерогенным, ПДК бенз(а)пирена составляет всего 1 нг/м3 (1 г содержит 109 нг). Он поступает в атмосферный воздух при сжигании мазута, угля и бензина, с выбросами алюминиевых, сталеплавильных и нефтеперерабатывающих заводов.

Длительное воздействие концентраций бенз(а)пирена выше 3 нг/м3 приводит к увеличению заболеваемости раком легких среди общих групп населения. Сероводород. Основными источниками выбросов сероводорода являются газо- и нефтеперерабатывающие производства, заводы синтетических волокон, целлюлозно-бумажные комбинаты, коксохимические производства. Сероводород представляет собой бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц. При 20 °С один объем воды растворяет 2,5 объема сероводорода.

Сероводород очень ядовит, его ПДК в атмосферном воздухе равна 0,008 мг/м3. Общий характер действия сероводорода на теплокровных заключается в том, что он оказывает раздражающее и удушающее действие, вызывает поражения нервной системы, дыхательных путей и глаз. Сероуглерод. Чистый сероуглерод представляет собой легколетучую жидкость с довольно приятным запахом. Однако он обычно содержит незначительные примеси продуктов частичного разложения, сообщающие сероуглероду желтый цвет и отвратительный запах.

В воде сероуглерод растворяется около 0,15% масс. В атмосферный воздух сероуглерод попадает в составе газовых выбросов предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, коксохимических заводов и заводов по производству искусственных волокон. ПДК сероуглерода составляет 0,005 мг/м3. Пары сероуглерода являются ядовитым газом, вызывающим острые и хронические отравления. Вдыхание воздуха с содержанием 0,3% об. сероуглерода приводит к тяжелым заболеваниям.

Диоксины. Эти вещества обычно поступают в атмосферу: при производстве органических веществ на основе ароматических соединений и хлора; в составе выбросов предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий металлургической промышленности и дымовых газов мусоросжигательных заводов. В России был утвержден норматив содержания диоксинов в атмосферном воздухе, равный 0,5 пг/м3 (1 г содержит 1012 пг). Такое низкое значение ПДК обусловлено тем, что диоксины характеризуются чрезвычайно высокой токсичностью.

Высокая опасность диоксинов заключается в том, что даже ничтожные концентрации этих веществ вызывают подавление иммунной системы у человека и ослабляют способность организма адаптироваться к условиям окружающей природной среды. Кроме того, диоксины поражают печень и пищевой тракт человеческого организма. Хлор. ПДК хлора в атмосферном воздухе составляет 0,03 мг/м3. Хлор и его соединения попадают в атмосферный воздух в составе выбросов производства хлорорганических соединений, целлюлозно-бумажной промышленности, где он применяется в качестве отбеливателя бумаги. Хлор также находит широкое применение для обеззараживания питьевой воды, сточных вод и вод плавательных бассейнов.

Один объем воды растворяет около двух объемов газообразного хлора. (Некрасов Б.В 1973г.) 1.3 Способы уменьшения загрязнения атмосферы. Пассивные способы уменьшения загрязнения атмосферы Эти способы предназначены для уменьшения вредного воздействия газообразных выбросов на растительный и животный мир. При этом абсолютное количество вредных выбросов не уменьшается, происходит только их разбавление в атмосферном воздухе и снижение опасных концентраций до уровня предельно допустимых.

Наиболее распространенными пассивными способами уменьшения вредного влияния газообразных выбросов являются следующие. Размещение предприятий с учетом розы ветров. Ветер представляет собой движение воздуха относительно земной поверхности, вызванное неравномерным распределением атмосферного давления.

Обычно такое движение воздуха направлено от высокого к низкому давлению. Ветер характеризуется скоростью (м/с, км/час) и направлением. Проектирование и строительство промышленных предприятий осуществляется с учетом розы ветров. Она представляет собой векторную диаграмму, которая характеризует режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям. Учет розы ветров позволяет строить промышленное предприятие так, чтобы его вредные газообразные выбросы уносились ветром в противоположном направлении от города или населенного пункта.

Создание санитарно-защитных зон в виде лесопосадок и парков. Санитарно-защитные зоны вокруг промышленных предприятий не только способствуют разбавлению вредных газообразных выбросов в воздухе, но и поглощают их. Установлено, что 1 гектар леса в возрасте 20 - 30 лет за вегетационный период поглощает листьями 500 - 700 кг диоксида серы, 400 кг серного ангидрида, 180 кг оксидов азота, 100 кг хлора, 40 кг фтора, 20 кг фенола, задерживает до 18 т пыли. Таким образом, благодаря дыханию и автотрофному питанию, растения способны очищать значительный объем воздуха.

При этом устойчивые виды растений не погибают, а накапливают и обезвреживают достаточно большое количество токсичных веществ. Введение режимных условий работы предприятий. Режимные условия работы промышленных предприятий заключаются в следующем. В ветреную погоду производство работает на полную мощность, а в безветренную мощности производств, в которых образуются вредные выбросы, уменьшают.

Использование высоких труб. Для рассеивания вредных выбросов на большие площади используют высокие дымовые или выхлопные трубы. Известно, что дымовая труба высотой в 200 метров рассеивает вредные выбросы на площади радиусом в 25 км, тогда как трубы высотой в 250 метров увеличивают радиус площади рассеивания до 75 км. В то же время при частом расположении дымовых труб эффект рассеивания не достигается из-за перекрывания площадей рассеивания однотипных вредных выбросов из различных труб, например, диоксида серы в составе дымовых газов в городах Западной Европы.

Расположение промышленных предприятий с учетом рельефа местности. Обычно промышленные предприятия располагаются на возвышенных местах, а населенные пункты в низменных, что позволяет рассеивать вредные газообразные выбросы в высоких слоях атмосферы даже с территории предприятий. Активные способы уменьшения загрязнения атмосферы Активные способы уменьшения загрязнения атмосферы предназначены для сокращения абсолютных количеств выбросов вредных газообразных веществ в окружающую среду.

Наиболее широкое применение находят следующие активные способы: строительство предприятий по проектам, прошедшим экологическую экспертизу; совершенствование уже существующих технологий с повышением их экологической безопасности; строгое соблюдение технологического регламента рабочими и служащими предприятий; повышение экологической безопасности сырья перед его применением.; строительство газоочистных установок для улавливания и последующей утилизации или обезвреживания вредных газообразных выбросов.

Однако это не всегда возможно из-за того, что стоимость газоочистных установок порой достигает 70% стоимости самих предприятий; создание малоотходных и безотходных технологий с газооборотным циклом. Классификация способов очистки газовых потоков По назначению все процессы очистки газовых потоков подразделяются на две группы: технологическую и санитарную. Технологическая очистка газов.

Целью технологической очистки газовых потоков является получение чистого газообразного сырья для производства товарной продукции. Технологическая очистка газовых потоков также находит широкое применение в производстве синтетических каучуков и пластических масс для разделения насыщенных и ненасыщенных углеводородов. Аппараты или установка для технологической очистки газов располагаются в основной технологической линии либо в начале ее, либо в середине. Санитарная очистка газов.

Она предназначена для уменьшения содержания вредных пылевидных, газообразных и парообразных веществ в газовых потоках, выбрасываемых в атмосферу. Процессы санитарной очистки газовых потоков широко применяются в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Наиболее типичные примеры использования санитарной очистки газов это улавливание летучей золы, диоксида серы и оксидов азота из дымовых газов тепловых электростанций, оксидов азота в производстве азотной кислоты, диоксида серы в производстве серной кислоты.

По принципу действия способы очистки и обезвреживания газовых выбросов от вредных примесей подразделяются на: физические; физико-химические; термические и термокаталитические. Эти способы получили широкое распространение во всех отраслях промышленного производства и потребления как при технологической, так и санитарной очистке газов. Поэтому рассмотрим их в отдельности более подробно. ( Мухумутдинова А.А 1998г.) 1.4