logo
Pidrychnuk

1.5. Основні хімічні домішки, що забруднюють атмосферу

Як відомо розрізняють природні домішки, обумовлені природними процесами, і антропогенні, такі, що виникають в результаті господарської діяльності людства (рис. 1.2). Рівень забруднення атмосфери домішками від природних джерел є фоновим і має малі відхилення від середнього рівня в часі.

Рис. 1.2. Схема процесів викидів речовин в атмосферу і трансформації початкових речовин в продукти з подальшим випаданням у вигляді опадів

Антропогенні забруднення відрізняються різноманіттям видів домішок і численністю джерел їх викиду. Найбільш стійкі зони з підвищеними концентраціями забруднень виникають в місцях активної життєдіяльності людини. Встановлено, що кожні 10...12 років об’єм світового промислового виробництва подвоюється, а це супроводжується приблизно таким же зростанням об’єму забруднень, що викидаються, в навколишнє середовище. По ряду забруднень темпи зростання їх викидів значно вище середніх. До таких відносяться аерозолі важких і рідкісних металів, синтетичні з’єднання, що не існують і не утворюються в природі, радіоактивні, бактеріологічні і інші забруднення.

Домішки поступають в атмосферу у вигляді газів, пари, рідких і твердих частинок. Гази і пари утворюють з повітрям суміші, а рідкі і тверді частинки – аерозолі (дисперсні системи), які поділяють на пил (розміри частинок більше 1 мкм), дим (розміри твердих частинок менше 1 мкм) і туман (розмір рідких частинок менше 10 мкм). Пил, у свою чергу, може бути крупнодисперсний (розмір частинок більше 50 мкм), середньодисперсний (50... 10 мкм) і дрібнодисперсний (менше 10 мкм). Залежно від розміру рідкі частинки підрозділяються на супертонкий туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсний туман (0,5...3,0 мкм), грубодисперсний туман (3...10 мкм) і бризки (понад 10 мкм). Слід зазначити, що аерозолі чаші полідисперсні, тобто містять частинки різного розміру.

Основними хімічними домішками, що забруднюють атмосферу, є наступні.

Оксид вуглецю (СО) – безбарвний газ, що не має запаху, відомий також під назвою «чадний газ». Утворюється в результаті неповного згорання викопного палива (вугілля, газу, нафти) в умовах недоліку кисню і при низькій температурі. При цьому 65% від всіх викидів доводиться на транспорт, 21% – на дрібних споживачів і побутовий сектор, а 14% – на промисловість. При вдиханні чадний газ за рахунок наявного в його молекулі потрійного зв’язку (С=О) утворює міцні комплексні з’єднання з гемоглобіном крові людини і тим самим блокує надходження кисню в кров. Це викликає головні болі, нудоту, а при вищій концентрації смерть.

При 14 мг/м3 зростає вірогідність смерті від інфаркту міокарду. Такі екстремальні концентрації часто спостерігаються в районах підвищеного антропогенного навантаження на навколишнє середовище: у годинник списів на транспорті або при інверсіях (тобто в умовах слабкого повітряного обміну), що сприяють виникненню смогу. Зменшення викидів чадного газу досягається шляхом допалювання газів, що відходять, і використання альтернативних джерел палива.

Діоксид вуглецю (СО2), або вуглекислий газ, – безбарвний газ з кислуватим запахом і смаком, продукт повного окислення вуглецю. Є одним з парникових газів.

Діоксид сірки (SO2) (сірчистий ангідрид) – безбарвний газ з різким запахом. Утворюється в процесі згорання сірковмісних викопних видів палива, в основному вугілля, а також при переробці сірчистих руд. Він в першу чергу бере участь у формуванні кислотних дощів. Загальносвітовий викид S2 оцінюється в 190 млн т в рік. Концентрація діоксиду сірки особливо велика в районах, де розташовані крупні теплові станції, металургійні і горнообогатитсльные заводи.

Тривала дія діоксиду сірки на людину приводить спочатку до втрати смакових відчуттів, обмеженого дихання, а потім – до запалення або набряку легенів, перебоїв в серцевій діяльності, порушення кровообігу і зупинки дихання. Рослини набагато чутливіше до дії діоксиду сірі, чим людина. Так, листові пластинки рослин, що виростають на відстані менше 1 км. від підприємств, що викидають діоксид сірі, зазвичай густо усіяні дрібними некротичними плямами, що утворилися в місцях осідання крапель сірчаної кислоти.

Оксиди азоту (оксид і діоксид азоту) – газоподібні речовини: монооксид азоту NО і діоксид азоту NO2 об’єднуються однією загальною формулою NOX. При всіх процесах горіння утворюються оксиди азоту, причому переважно у вигляді оксиду. Оксид азоту досить швидко окислюється до діоксиду, який є червоно-білим газом з неприємним запахом, що сильно діє на слизисті оболонки людини. Чим вище температура згорання, тим інтенсивніше йде утворення оксидів азоту.

Іншим джерелом оксидів азоту є підприємства, що проводять азотні добрива, азотну кислоту і нітрати, анілінові фарбники, нітросполуки, віскозний шовк, целулоїд. Кількість оксидів азоту, що поступають в атмосферу, складає 65 млн т в рік. Від загальної кількості оксидів азоту, що викидаються в атмосферу, на транспорт доводиться 55%, на енергетику – 28%, на промислові підприємства – 14%, на дрібних споживачів і побутовий сектор – 3%.

У літній період при інтенсивному сонячному опромінюванні тривалістю 12...14 год унаслідок високої розчинності у воді (хмари, дощ) і сорбції на зволожених поверхнях азотна кислота швидко випадає на земну поверхню. У містах найбільш високі концентрації оксидів азоту спостерігаються вранці, до початку фотохімічних процесів. При яскравому сонячному світлі оксиди азоту реагують з незгорілими бензиновими парами і іншими вуглеводнями, утворюючи низькоатмосферний озон, або зміг, тобто червоно-бурий серпанок.

При концентраціях понад 0,15 мг/м3 виникають гострі захворювання органів дихання. При гострому отруєнні діоксидом азоту може розвинутися набряк легенів. Ознаками хронічного отруєння є головні болі, безсоння, роздратування слизистих оболонок.

Озон (О3) – газ з характерним запахом, сильніший окислювач, ніж кисень. Його відносять до найбільш токсичним зі всіх звичайних домішок, що забруднюють повітря. У нижньому атмосферному шарі озон утворюється в результаті фотохімічних процесів за участю діоксиду азоту і летких органічних сполук (ЛОС). До ЛОС відносять близько 260 хімічних сполук. При утворенні озону виходять суміші із ЛОС, що складаються з сотень хімічних речовин, названі фотохімічним “смогом”. Найбільш високі концентрації озону спостерігаються в промислових районах. Проте, оскільки емісії діоксиду азоту і ЛОС почастішали навіть в сільській місцевості, то і тут зафіксовані підвищені концентрації озону.

Вуглеводні – хімічні сполуки вуглецю і водню. До них відносять тисячі різних речовин, що забруднюють атмосферу, містяться в незгорілому бензині, рідинах, вживаних в хімчистці, промислових розчинниках і так далі Багато вуглеводнів небезпечні самі по собі. Наприклад, бензол, один з компонентів бензину, може викликати лейкемію, а гексан – важкі поразки нервової системи людини. Бутадієн є сильним канцерогеном.

Свинець (Рb) – сріблисто-сірий метал, токсичний в будь-якій відомій формі. Широко використовується для виробництва припою, фарб, боєприпасів, друкарського сплаву і тому подібне Близько 60% світової здобичі свинцю, яка складає близько 4·107 т, щорічно витрачається для виробництва кислотних акумуляторів. Проте основним джерелом (близько 80%) забруднення атмосфери з’єднаннями свинцю є вихлопні гази транспортних засобів, в яких використовується этилированный бензин, в який як антидетонаційну присадку вводять тетраетилсвинець.

Свинець і його з’єднання, потрапляючи в організм людини, знижують активність ферментів і порушують обмін речовин, крім того, вони володіють кумулятивною дією, тобто здатністю накопичуватися в організмі людини. Особливо серйозну загрозу з’єднання свинцю представляють для дітей до шести років. У організмі дитини залишається до 40% з’єднань свинцю, що потрапили в нього, а це порушує розумовий розвиток, уповільнює зростання, погіршує слух і мову дитини і позбавляє його здібності зосередитися.

Фреони – група галогеносодержащих речовин, синтезованих людиною. Їх перевагою перед іншими речовинами є те, що вони не горючі, не токсичні і нейтральні. Фреони, що є хлорованими і фторованими вуглецями (ХФВ), які широко використовуються в якості холодагентів в холодильниках і кондиціонерах, піноутворюючих агентів, в установках для газового пожежегасіння, робочого тіла аерозольних упаковок (лаків, дезодорантів і т.д.), оскільки недорогі і нетоксичні гази.

Промисловий пил залежно від механізму утворення підрозділяється на наступних 4 класи:

Основний параметр, що характеризує зважені частинки, – це їх розмір, який коливається в широких межах, – від 0,1 до 850 мкм. З цієї гамми найбільш небезпечні частинки від 0,5 до 5 мкм, оскільки вони не осідають в дихальних шляхах і саме їх видихає людина.

Основними джерелами антропогенних аерозольних забруднень повітря є теплоелектростанції (ТЕС), споживаючі вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові і інші заводи. Аерозольні частинки від цих джерел відрізняються великою хімічною різноманітністю. Найчастіше в їх складі виявляються з’єднання кремнію, кальцію і вуглецю, рідше – оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селену, миш’яку, берилія, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбест. Ще більша різноманітність властива органічному пилу, що включає аліфатичні і ароматичні вуглеводні, солі кислот. Вона утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, в процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних і інших подібних підприємствах.

До постійних джерел аерозольного забруднення відносяться промислові відвали – штучні насипи з перевідкладеного матеріалу, переважно здрібнених порід, що утворюються при видобутку корисних копалин або ж з відходів підприємств переробної промисловості, ТЕС. Виробництво цементу і інших будівельних матеріалів також є джерелом забруднення атмосфери пилом.

Спалювання кам’яного вугілля, виробництво цементу і виплавка чавуну дають сумарний викид пилу в атмосферу, рівний 170 млн т/рік.

Значна частина аерозолів утворюється в атмосфері при взаємодії твердих і рідких частинок між собою або з водяною парою.

До небезпечних чинників антропогенного характеру, сприяючих серйозному погіршенню якості атмосфери, слід віднести її забруднення радіоактивним пилом. Так, при ядерних вибухах або аваріях на АЕС велика частина радіонуклідів утворюється в результаті ділення урану-235, урану-238 і плутонію-239. Встановлено, що через декілька десятків секунд після вибуху утворюються приблизно 100 різних радіонуклідів, 29 з яких вносить найбільший внесок до радіоактивного забруднення атмосфери за годину, 20 – через дві доби, а 3 – через 100 років. Особливу потенційну небезпеку для людини і тварин представляє стронцій-90 не тільки як довгоживучий елемент, але і як аналог кальцію, здатний замінювати його в кістках.

Під час ядерних вибухів радіонукліди знаходяться в газоподібному стані і у міру пониження температури конденсуються в аерозольну хмару. Найбільш крупні частинки (діаметром більше 40 мкм) випадають з атмосфери і осідають на земній поверхні. Дрібні ж частинки (діаметром від 1 до 20 мкм) потрапляють не тільки у верхні шари тропосфери, але і в стратосферу, обумовлюючи так зване глобальне забруднення, що супроводжується випаданням радіонуклідів в межах обох півкуль.

Слід зазначити, що час перебування дрібних частинок в нижньому шарі тропосфери складає в середньому декілька діб, а у верхньому – 20...40 діб. Що стосується частинок, що потрапили в стратосферу, то вони можуть знаходитися в ній до року, а іноді і більше.