Кислотни дожди. Состав и образование кислотных дождей
Одной из важнейших экологических проблем является повышение кислотности среды, ведет к гибели рыбы и лесов, подкисление почвы, коррозии сооружений и зданий.
Собственно говоря, кислотный дождь представляет собой следствие взаимного влияния друг на друга различных сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы и т.д.) из-за дисбаланса в круговороте веществ в них. Причем, следует отметить, что эти вещества могут оставлять атмосферу не только с влажными осадками, но и "сухим" методом - путем выпадения дисперсных частиц, образовавшихся (седиментации). Таким образом, понятие "кислотный дождь" включает влагу (выпадение осадков или сам дождь) и сухую (частички пыли) седиментацию.
При анализе соединений, которые являются предшественниками кислотных дождей, необходимо учитывать не только антропогенные источники, то есть обусловленные сознательной деятельностью человека, но и природные источники, например, лесные массивы, поскольку они в процессе газообмена выделяют значительное количество органических веществ. Имеет значение и степень урбанизации отдельных регионов, например, выделенный аммиак может влиять на нейтрализацию кислотных компонентов.
Рис. 5.3. Влияние различных сфер Земли на образование кислотного дождя
Источниками кислотных дождей являются микроорганизмы, содержащие серу и азот. Рассмотрим, как эти вещества и их соединения поступают в атмосферу. Они частично попадают в атмосферу естественным путем (через поверхность суши, океанов, морей), а частично антропогенным.
Есть три вида источников природной эмиссии серы.
1. Процессы разрушения биосферы - с помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят процессы разрушения органических веществ, благодаря чему сера, содержащаяся в них, образует газообразные соединения. Выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн. Тонн в год, что составляет 1/3 всего количества серы, выделяется.
2. Вулканическая деятельность выбрасывает в атмосферу (более всего в тропосферу) двуокись серы, сероводород, сульфаты и элементарную серу. Это составляет около 2 млн. Тонн соединений в год, содержащие серу.
3. Поверхность океанов - при испарении капель воды в атмосферу остается морская соль, содержащая наряду с каплями натрия и хлора соединения серы - сульфаты, что составляет 50-200 млн. Тонн серы в год. С этих сульфатов не может образоваться серная кислота, поэтому их влияние распространяется только на регулирование образования облаков и осадков.
В результате деятельности человека в атмосферу поступает значительное количество соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси.
Источниками антропогенного образования серы являются:
- Сжигание угля;
- Металлургическая промышленность;
- Предприятие по производству серной кислоты;
- Переработка нефти;
- Сжигание мазута;
- Транспорт.
Таким образом в атмосферу ежегодно поступает 60-70 тонн серы (таблица 5.1).
В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровещества, из которых наиболее распространены закись азота Nfi. В то же время в воздухе являются кислотные оксиды азота, например, окись азота NO (оксид азота) и двуокись азота N0 2.
Кислотные оксиды азота имеют следующий состав:
- Закись азота - N 2 0;
- Окись азота - NO;
- Азотистый ангидрид - N 2 0 3;
- Двуокись азота - N0 2;
- Оксид азота - N 2 0 5.
При нормальных атмосферных условиях принимается во внимание только окись, двуокись и закись азота, потому шо в результате реакций, протекающих в атмосфере, образуется азотистая кислота.
Если азотная кислота, находящаяся в воздухе, нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, находящийся в атмосфере в виде аэрозолей. Природные и антропогенные источники соединений азота и количество выбросов приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.1 Природные и антропогенные источники образования атмосферных соединений серы
Источники |
Количество выбросов млн. Т. Серы в год |
% |
Природные процессы разрушения биосферы |
30-40 |
29-39 |
Вулканическая деятельность |
2 |
9 |
Антропогенные |
60-70 |
59-69 |
Всего |
92-112 |
100 |
Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения. Источником атмосферного аммиака является почва, распад мочи домашних животных, внесение удобрений, производство и сгорания угля (таблица 5.3) альдегиды и кетоны 8% (формальдегид, ацетон и др.) И их выбросы составляют 43800000. Тонн в год, и поступают в атмосферу из естественных источников.
Таблица 5.2 Природные и антропогенные источники соединений азота
Источники |
Количество, млн. Т. |
Отходы деятельности человека |
1 * 8 |
Производство удобрений |
0,22 |
Использование жидкого аммиака |
0,1 |
Выбросы катионов щелочных и щелочно-земельных веществ осуществляются, в основном, из природных источников, чаще при эксплуатации дорог без покрытий и грунтов. К промышленным источникам относится производство магния, стали, чугуна, добыче угля и минералов, изготовления и использования цемента и бетона, сульфатный варки целлюлозы, производство керамических изделий. Они существенно влияют на кислотность осадков, выпадающих нейтрализуя их.
Таблица 5,3 Структура выбросов аммиака из антропогенных источников
Источники |
Количество выбросов N в год |
|
млн. т. |
% |
|
Естественная грунтовая эмиссия |
8 |
14 |
Грозовые разряды |
8 |
14 |
Горение биомассы |
12 |
21 |
Другое |
2-12 |
4-21 |
Антропогенная: сжигание топлива |
12 |
21 |
Транспорт |
8 |
14 |
Промышленность |
1 |
2 |
Всего |
51-61 |
100 |
Летучие органические соединения имеют следующий состав: реакционно способны алканы - 50% (пропан, бутан), алефины - 23% (этилен, пропилен и др.), Ароматические углеводороды 18% (бензол, ксилол и др.), Хлорид и фторид водорода образуются в основном при сжигании угля, производстве оксида пропилена, фторида водорода и фосфатных удобрений. Ежегодно выбрасывается около 1200000. Тонн хлорида и 0160000. Тонн фторида водорода.
Процессы, протекающие в атмосфере, можно разделить на следующие группы:
- Перенос выбросов втором в зону осадков одновременно с незагрязненным воздухом:
- Химические и физические процессы в газовой среде, приводящие к изменению концентрации и химического состава воздушного потока;
- Поглощение веществ антропогенного происхождения облаками и каплями дождя, их химические реакции в жидкой фазе и последующее выпадение загрязнений в виде осадков;
- Сухое выпадение (адсорбция на грунте, кронах деревьев).
Многие стадий процессов, протекающих в атмосфере, могут быть обратными, в результате чего молекула загрязняющего вещества может претерпеть несколько циклов трансформации до достижения им поверхности Земли.
Анализ показал, что 25-30% S0 2 и 15-25% N0 2 переносится ветрами от промышленных предприятий на расстоянии более 200 км.
Выпадение кислотных дождей на поверхность Земли может осуществляться двумя путями: вымыванием осадков и выпадением осадков.
Вымывание осадков - намыв кислотных веществ из атмосферы происходит во время образования облаков и осадков. При перенасыщенности воздуха водяными парами (более 100%) происходит выпадение капель облаков, промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью Земли. Таким образом, дождь выпадающего вовсе не является дистиллированной водой.