Загрязнение атмосферы углекислым газом

Чем мы дышим. Состав земной атмосферы.

В окружающем нас мире огромное количество разнообразнейших веществ  взоимодействуют друг с другом одновременно, и каждый процесс так или иначе  влияет на многие другие. Каждая частица, каждый ион живет своей "химической жизнью", которая оказывается затейливым образом связана с десятками других таких же "жителей". Земля подразделяется на сферы: атмосферу (воздух), гидросферу (природная вода во всех ее видах: реки, ледники, моря, океаны и т. д.), литосферу (то, что называется земной твердью) и пронизывающую все эти слои биосферу. В каждой сфере протекают свои химические процессы, но все они оказывают влияние на человека, на его здоровье и образ жизни.           

 Наличие атмосферы  - одно из главных условий для  существования жизни на Земле. Наша планета окружена атмосферой - воздушной оболочкой, простирающейся от поверхности Земли более, чем на полторы тысячи километров. Масса этого воздушного океана – 5 * 10^15 М.           

 Воздух представляет  собой многокомпонентный газовый "коктейль", который помимо основных составляющих - азота и кислорода - включает аргон, углекислый газ, водяные пары, мельчайшие твердые частицы (пыль), капельки воды, а так же незначительные примеси многих других веществ (SO2, CH4, NH3 , CO, HF, H2, H2S, и т. д.).           

 Важнейшей частью воздуха  является кислород, необходимый  для дыхания.

Вдыхаемый кислород идет на окисление сложных органических молекул - углеводов и жиров - до углекислого газа и воды. Эти реакции сопровождаются выделением и накоплением энергии и протекают с участием ферментов.           

 Кислород расходуется  при гниении отмерших организмов, горении. Если бы на Земле  не было источников кислорода, его запасы полностью исcякли бы за 2000 лет. Однако этого не происходит, поскольку кислород постоянно выделяется растениями в ходе фотосинтеза.

Еще один жизненно важный компонент  атмоферы - углекислый газ CO2. При фотосинтезе из CO2 образуются органические соединения: глюкоза, целлюлоза, крахмал. Из-за сжигания ископаемого топлива и уничтожения лесов содержание CO2 в атмосфере повышается.          

 Находящиеся в воздухе  азот и аргон играют роль  балласта, а содержание других  газов совсем незначительно и измеряется сотыми и тысячными долями процента.           

 Водород и  гелий не могут удерживаться  земным тяготением, поэтому, попав  в атмосферу ( водород - в результате  вулканической деятельности, гелий  - вследствие распада радиоактивных  элементов ), они довольно быстро улетают в космос. Аммиак и хлороводород с дождями попадают в почву, где аммиак усваивается растениями, а хлороводород реагирует с минеральнуми веществами. Сероводород под действием света окислятся до оксида серы (IV); 2H2S + 3O2 = 2H2O +2SO2, который в присутствии кислорода воздуха и паров воды превращается в серную кислоту. Последняя в значительной степени нейтрализуется присутствующим в воздухе аммиаком.           

 Подобным  образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.            

 Основным  источником пирогенного загрязнения  являются тепловые электростанции, металлургические и химические  предприятия, котельные установки, потребляющие более      

70 % ежегодно  добываемого твердого и жидкого  топлива. Для существования жизни  на Земле имеют значение все  свойства атмосферы: соотношение  основных компонентов, прозрачность, динамика воздушных масс, насыщенность  электромагнитными волнами, количество и качество примесей. Даже небольшие отклонения в составе атмосферы способны вызвать далеко идущие последствия.

Экологический кризис.           

 Хозяйственная  деятельность человечества в  течение последнего столетия  привела к серьёзному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую

( ПДК ).Поскольку  случаи значительного превышения ПДК достаточно часты и наблюдается рост заболеваемости, связанной с загрязнением природной среды, в последние десятилетия специалисты и средства массовой информации, а вслед за ними и население стали употреблять термин»экологический кризис» (ЭК).           

 Прежде всего  следует разделить понятия «локальный  ЭК» и «глобальный ЭК». Локальный  ЭК выражается в местном повышении  уровня загрязнений-химических, тепловых, шумовых, электромагнитных-за счёт  одного или нескольких близко  расположенных источников. Как правило, локальный ЭК может быть более или менее легко преодолён административными и(или) экономическими мерами, например за счёт совершенствования технологического процесса на предприятии-загрязнителе или за счёт его перепрофилирования или даже закрытия. Много более серьёзную опасность представляет глобальный ЭК. Он является следствием всей совокупности хозяйственной деятельности нашей цивилизации и проявляется в изменении характеристик природной среды в масштабах планеты и, таким образом, опасен для всего населения Земли. Бороться с глобальным ЭК гораздо труднее, чем с локальным, и эта проблема будет считаться решённой только в случае минимизации загрязнений, произведённых человечеством, до уровня, с которым природа Земли будет в состоянии справиться самостоятельно. В настоящее время глобальный ЭК включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикантами и так называемые озоновые дыры.                     

             Атмосфера и излучение. Озоновый слой.           

 Не менее  важную роль играет мощность  и целостность озонового слоя, отражающего ультрафиолетовое излучение  бетадиапазона, губительно действующее  на всё живое.           

 Солнце излучает  электромагнитные волны разной длины: видимый свет ( 400-740нм ), а также невидимое человеческим глазом инфракрасное, сокращённо ИК ( 740нм -1мм ), и ультрафиолетовое, или УФ ( 10 - 400нм ), излучение.           

 Ультрафиолетовые  волны обладают энергией, достаточной  для разрыва некоторых химических связей. В атмосфере коротковолновое, так называемое жёсткое УФ-излучение

(с длиной  волны меньше 242нм) вызывает диссоциацию  молекул О2: О2 à 2О. Атомы кислорода могут присоединяться к другим молекулам О2, и тогда образуется озон: О+О2=О3.           

 Озон тоже способен  поглащать УФ-излучение, только  с большей длиной волны       

(220-350нм). При  этом он распадается на атомарный  кислород и О2. Таким образом, поглащая УФ-лучи, кислород и озон не пропускают их к поверхности Земли.           

 Реакции образования и разложения озона протекают в основном на высоте 20-30км. Эта часть атмосферы получила название озонового слоя. Ниже озонового слоя жёсткие УФ-лучи почти не проходят.           

 Молекула  озона весьма неустойчива. Столкнувшись  с радикалом (т.е. частицей, содержащей неспаренный электрон ), она теряет атом кислорода, превращаясь в молекулу О2: О3+R=О2+RО. Частицы RО реагируют с атомарным кислородом, образуя молекулу О2 и исходный радикал:RО+О=R+О2. Высвободившийся радикал R разрушает следующую молекулу озона и т.д. Таким образом, свободные радикалы оказываются катализаторами разрушения озона.           

 Существует  по меньшей мере три радикала, реагирующих с атмосферным озоном: ОН, NO, Cl. Наиболее распространена точка зрения, согласно которой главные виновники появления озоновой дыры-радикалы хлора. Один атом хлора способен разрушить несколько тысяч молекул озона. Основным же источником этих радикалов в атмосфере считают фреоны-соединения углерода с фтором и хлором (например, фреон-11 CFCl3 и фреон-12 CF2Cl2). Эти вещества нетоксичны и химически инертны и потому нашли широкое применение в качестве хладагенов, вспенивателей пластмасс, сжатого газа в аэрозольных баллончиках и т.д.Однако благодаря своей устойчивости фреоны, оказавшись в атмосфере, со временем достигли озонового слоя. Под действием мощного УФ-излучения в молекулах фреонов происходит разрыв связи C – Cl, так и образуется атомарный хлор.           

 Проблема  сохранения озонового слоя озаботила  весь мир. И в 1987г. Правительства  развитых стран подписали «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Они договорились не увеличивать потребление веществ, угрожающих озоновому слою Земли, в первую очередь фреонов.

Парниковый  эффект.

Та часть солнечного излучения, которая, пройдя сквозь озоновый слой, достигает поверхности Земли, представлена мягким ультрафиолетом, видимым светом, а также инфракрасными лучами. Инфракрасное излучение называют ещё тепловым: ИК-волны воздействуют на молекулы, как бы раскачивая их, усиливают в них колебательные движения атомов, что приводит к повышению температуры вещества. Нагретая земная поверхность тоже становится источником длинноволнового ИК-излучения (с максимумом около 10км). Такое излучение поглощают пары воды, углекислый газ, метан и другие компоненты атмосферы, создавая так называемый парниковый эффект.           

 Без парникового  эффекта Земля была бы безжизненной  пустыней: поскольку всё испускаемое  ею тепло уходило бы в космос, температура у её поверхности  составляла бы

-15С, а не +18С, как сейчас. Однако увеличение промышленных выбросов и рост концентрации СО2 в атмосфере может привести к глобальному потеплению климата. Тогда за счёт таяния полярных льдов поднимется уровень Мирового океана, и часть суши окажется затоплена. Рост концентрации CO2 в атмосфере на 20% в течении последних 100 лет-строго доказанный факт. Основные источники «дополнительного» углекислого газа - это топки тепловых электростанций, автомобильные двигатели, лесные пожары, то есть источники, так или иначе связанные с техногенной деятельностью человека.

Кислотные дожди.                    

 Кислотные  дожди - это атмосферные осадки, рН которых ниже чем 5,5. Закисление  осадков происходит вследствие  попадания в атмосферу оксидов  серы и азота. Источники SO2 в основном связаны с процессами сгорания каменного угля, нефти и природного газа, содержащих в своём составе сераорганические соединения. Часть SO2 в результате фотохимического окисления в атмосфере превращается в серный ангидрид, образующий с атмосферной влагой серную кислоту. Важным источником SO2 является цветная металлургия: производство меди, никеля, кобальта, цинка, и других металлов включает стадию обжига сульфидов. Оксиды азота - предшественники азотной кислоты - попадают в атмосферу главным образом в составе дымовых газов котлов тепловых электростанций и выхлопов двигателей внутреннего сгорания. При высоких температурах, развиващихся в этих устройствах, азот воздуха частично окисляется, давая смесь моно- и диоксида азота.           Кислотные осадки (их рН иногда достигает 2,5) губительно действуют на биоту, технические сооружения, произведения искусства. Твёрдо установлено, что под действием кислотных дождей и снегов сильно понизился водородный показатель тысяч озёр, а это, в свою очередь, привело к резкому обеднению их фауны и гибели многих видов организмов. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов. При понижении рН резко усиливается эрозия почвы и увеличивается подвижность токсичных металлов.

ГЛАВА 1. Основные источники загрязнения  атмосферы.           

 Изменения в составе атмосферы могут происходить под влиянием природных катастроф, например извержения вулканов. Но основные изменения происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека: большинство современных технологических процессов, работа транспорта связаны с потреблением кислорода и выбросом пыли, газа, живой и неживой органики, электромагнитным излучением.           

 Промышленные  выбросы увеличиваются в среднем  на 2 - 5 % в год.

Воздух большого города сильно отличается от чистого  лесного воздуха. Причина этого - выбросы автотранспорта, котельных и промышленных предприятий. Автомобили и котельные выбрасывают стандартный набор газов: сернистый газ SO2, оксиды азота NOи NO2, угарный газCO, Aформальдегид HCOH, а также сажу.           

 Металлургические предприятия выбрасывают в воздух сернистый газ, угарный газ, формальдегид и циановодород HCN. В окрестностях алюминиевых заводов атмосфера обычно загрязнена фтороводородом. Целлюлозно - бумажные комбинаты «обогащают» окружающий воздух сероводородом, хлором, фенолом C6H5OH и формальдегидом. Такие предприятия сильно ухудшают качество воздуха.           

 Основными  вредными примесями пирогенного  происхождения являются следующие.

·           Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух

он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами  промышленных предприятий. Ежегодно этого  газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим  с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

·           Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработке сернистых руд (до 170 млн. т. в год)

·           Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который поднимает почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадения аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких

предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки тонн серного ангидрида.

·           Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.