Антропогенные источники

Антропогенные факторы предопределяют существенные из­менения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Изменения, вызванные человеком, значительны, хотя иногда и неуловимы в глобальном масштабе. Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а вместе с тем и серьезные нарушения экологического равновесия в биосфере. По своим масштабам заслуживают внимания транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта приходится 60% общего количества загрязнений, поступающих в атмосферу, промышленности – 17, энергетики – 14, на отопление и уничтожение отходов -9%.

Если говорить о транспорте, и прежде всего автотранспорте, то примерное содержание основных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может быть представлено табл. 3.

Таблица 3

Содержание основных компонентов выхлопов двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Компонент	Двигатель
бензиновый	дизельный
Моноксид углерода	0,5 - 12,0 об. %	0,001 - 0,05 об. %
Водород	0,1-5,0об.%	-
Кислород	0,3-8,0 об. %	2,0-18 об. %
Азот	74-77 об. %	76 -78 об. %
Оксиды азота в пересчете на NOх,	0,001-0,8 об. %	0,0005 -0,5 об. %,
Пары воды	3,0-5,5 об. %	0,5-4,0 об. %
Сажа	0,0-0,04 г/м3	0,01-1,1 г/ м3
Альдегиды	0,0-0,2 г/м3	0,001-0,01 г/ м3
Углеводороды	0,2 - 3,0 г/м3	0,01-0,5 г/м3
Бензпирен	10-20г/ м3	5-10 г/м3

Индустрия вносит большой вклад в загрязнение атмосферы. Анализ состава промышленных выбросов в 100 городах показал, что 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый газ, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15% специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая – на аммиак, сероводород, фенол, хлор, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту. Рассматривая вопросы, связанные с аэрозолями антропогенного происхождения, нельзя не упомянуть о смогах.

Смоги

Смог (англ. smoke - дым, fog — густой туман) - видимое загрязнение воздуха любого характера. Смог возникает при определенных условиях: большом количестве пыли и газов в воздухе и длительном существовании антициклонных условий погоды (областей с высоким атмосферным давлением), когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы. Смог вызывает удушье, приступы acтмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждение растительности, зданий и сооружений.

Выделяют три типа смога: ледяной (аляскинского типа); влажный (лондонского типа); сухой, или фотохимический (лос-анжелесского типа).

Наиболее изучен влажный смог. Он обычен для мест с высоко относительной влажностью воздуха и частыми туманами. Это способствует смешиванию загрязняющих веществ, их взаимодействию химических реакциях. Эти загрязняющие вещества, непосредственно выброшены в атмосферу, они называются первичными загрязнителями. Главными токсичными компонентами влажного смога являются чаще всего СО₂ и SO₂. Печально знаменит случай, когда в 1952 г. влажный смог в Лондоне унес более 4 тысяч жизней.

Фотохимический смог - вторичное загрязнение воздуха, возникающее в процессе разложения первичных загрязняющих веществ солнечными лучами. Главный ядовитый компонент - озон.

Ледяной смог возникает при очень низких температурах и антициклоне. В этом случае выбросы даже небольшого количества за­грязняющих веществ приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и, например, серной кислоты.

Топливо обычно состоит из углеводородов и обычный процесс сгорания его идет согласно уравнению:

«4СН» +5О₂ → 4СО₂(г) + 2Н₂О(г) (1.13)

топливо + кислород → диоксид углерода + вода.

Этот процесс не производит впечатления особо опасной дея­тельности, поскольку ни С0₂, ни вода не являются токсичными. Рас­смотрим, однако, ситуацию, когда в процессе сжигания имеет место недостаток кислорода, что может случиться внутри двигателя или котла. Теперь уравнение можно записать так:

«4СН» +3О₂ → 4СО(г) + 2Н₂О(г) (1.14)

топливо + кислород → моноксид углерода + вода.

Здесь образуется оксид углерода (СО), ядовитый газ. Если кислорода еще меньше, можно получить углерод (т. е. сажу):

«4СН» + О₂ → 4С(г) + 2Н₂О(г) (1.15)

топливо + кислород → «сажа» + вода.

При низких температурах и в случаях относительно небольшого количества О₂ реакции пиролиза (т. е. реакции, когда разрушение происходит в результате нагревания) могут вызвать изменения в рас­положении атомов, приводящие к образованию полициклических ароматических углеводородов в процессе сжигания. Наиболее печально известен — бензо(а)пирен, соединение, вызывающее рак.

Таким образом, несмотря на то, что сжигание топлива перво­начально кажется безвредным, оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода.

Кроме того, загрязнение воздуха могут вызвать вещества, входящие в состав топлива. Наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера (S), частично представленная в виде минерала пирита, FeS₂. В некоторых углях может содержаться до 6% |серы, которая превращается при сжигании в SO₂

4 FeS₂ (тв) + 11 О₂ (г) → 8 SO₂(г) + 2Fe₂О₃. (1.16)

В топливе присутствуют и другие примеси, но сера всегда считалась наиболее типичным промышленным загрязнителем воздуха. Сажа, СО, СО₂ и SO₂ являются первичными загрязнителями.

Диоксид серы хорошо растворим и поэтому может растворять­ся в атмосферной воде, которая конденсируется вокруг частиц, на­пример, дыма:

SO₂ (г) + H₂О(ж) ↔ H⁺(водн) + HSO^-₃(водн) (1.17)

Следы металлов-загрязнителей железа (Fe) или марганца (Мп), катализируют переход растворенного SO₂ в H₂S0₄:

2HSO^-₃(водн)+ О₂₍водн) ↔ 2H⁺(водн)+2SO^2- ₄(водн)(1.18 )

Серная кислота обладает большим сродством к воде, поэтому образовавшаяся капелька дополнительно адсорбирует воду. Капельки постепенно растут и «туман-убийца», влажный смог, сгущается достигая очень низких значений рН.

Переход в XX в. к топливам, получаемым из бензина, привел квозникновению совершенно нового вида загрязнения воздуха, связанного с более высокой летучестью жидких топлив. Автотранспор как важнейший потребитель жидкого топлива стал основным источ­ником современного загрязнения воздуха. Однако загрязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами по себе не выбрасываются автотранспортом. Они образуются в атмосфере в результат реакций первичных загрязнителей, таких, как NO, с несгоревшим топливом, поступающим непосредственно из автомобилей. Химические реакции, приводящие к образованию вторичных загрязнителей протекают наиболее эффективно при солнечном свете, поэтому возникающее загрязнение воздуха называется фотохимическим смогом.

Воздух - в основном смесь О₂ и N₂. При высокой температуре пламени молекулы в воздухе могут распадаться и даже молекулы сравнительно инертного N₂ подвергаются реакциям:

О(г) + N₂(г) → NO + N(г) (1.19)

N(г) + О₂(г) → NO(г) + О(г). (1.20)

Согласно уравнению (1.20) образуется атом кислорода, который входит в уравнение (1.19). Однажды возникший в пламени атом кислорода будет воссоздаваться и участвовать во всей цепочке реакций, приводящих к образованию NO. Если просуммировать эти две реакции, получим

N₂(г) + О₂(г) → 2NO(г (1.21)

Уравнения показывают, как оксиды азота образуются в пламени. Они появляются потому, что топливо сжигается в воздухе, а не в О₂. Кроме того, некоторые топлива содержат соединения азота в качестве примесей, ив результате продукты сгорания этих примесей, служат источником появления других оксидов азота. Окисление ок­сида азота в смоге дает диоксид азота, бурый газ. Этот цвет означает, что газ поглощает свет (с длиной волны менее 310 нм), фотохимиче­ски активен и претерпевает диссоциацию:

NО₂(г) + hν → NO(г) + О(г) (1.22)

Таким образом, согласно уравнению (1.22), вновь возникает оксид азота, но также одиночный и реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием Оз:

О(г) + О₂(г) → О₃(г) (1.23)

Озон – это единственный загрязнитель, который наиболее ясно характеризует фотохимический смог. Однако О₃, который пред­оставляет такую проблему, не выбрасывается автомобилями (или любым основным загрязнителем). Это вторичный загрязнитель.

Итак, летучие органические соединения, высвобождаемые благодаря использованию топлив на основе бензина, способствуют превращению NO в NО₂ (и лежат в основе фотохимического смога).

В процессе окисления углеводородов в атмосфере особо нужно отметить роль радикала ОН*. Рассмотрим метан (СН₄) в качестве простого примера этого процесса:

ОН(г)+СН₄(г) →Н₂О(г)+ СН^-₃(г) (1.24)

СН^-₃(г) + О₂(г) →СН₃О₂(г) (1.25)

СН₃О₂(г) + NO(г) →СН₃О(г) + NО₂(г) (1.26)

СН₃О(г) + О₂(г) → НСНО (г) + НО^-₂ (г) (1.27)

НО^-₂ (г) + NO(г) →НО^-(г) + NО₂(г) (1.28)

Эти реакции показывают превращение оксида азота (NO) в NO₂|и простого алкана типа СН₄ в альдегид, в данном случае формальдегид (НСНО). Заметим, что радикал ОН* воспроизводится в конце цепочки реакций, поэтому может считаться в некотором роде катализатором. Несмотря на то, что реакция протекает в фотохимическом смоге воздействие радикала ОН* на большие и более сложные органические молекулы достаточно быстрое. Альдегиды также могут претерпевать воздействие радикалов ОН*:

СН₃СНО(г) + oh(г) → СНзСО(г)+ Н₂О(г) (1.29)

(Ацетальдегид)

СНзСО(г)+ О₂ (г) → СНзСОО₂(г) (1.30)

СНзСОО₂(г) + NO(г) → NО₂(г) + СНзСО₂(г) (1.31)

СНзСО₂(г) → СН^-₃(г) + СО₂(г). (1.32)

Метил-радикал (СН-₃) из уравнения (1.32) может возвращаться в уравнение (1.25).

Важным дополнением к этому ряду реакций является следую­щая:

СНзСОО₂(г) + NО₂(г) → СНзСОО₂ NО₂ (1.33)

(ПАН)

приводящая к образованию раздражающего глаза пероксиацетилнитрата (ПАН).

Полный список различий влажного и фотохимического смогов приводится в табл. 4

Таблица 4 Сравнительная характеристика влажного и фотохимического смогов