Антропогенное воздействие на атмосферу. Источники и последствия загрязнений

К основным загрязняющим веществам, поступающим в атмосферный воздух, относятся следующие:

· оксид углерода (CO),

· оксиды азота (NO_x), под общей формулой NO_x, обычно подразумевают сумму NO и NO₂

· диоксид серы (SO₂),

· углеводороды (C_mH_n),

· пыль.

Эти вещества составляют 98% от массы всех остальных загрязнителей и поэтому их называют основными.

Основные загрязняющие вещества атмосферы имеют природное и антропогенное происхождение. Природное происхождение: вулканизм, почвенные процессы, поверхность морей, океанов, пыльные бури, лесные пожары и др., а для оксидов азота кроме того – грозовые разряды.

Антропогенное происхождение:

Оксид углерода (СО) – самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферыОсновная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания топлива – автотранспорт, ТЭС, котельные промышленность. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях с интенсивным движением транспорта.

СО – агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. При этом ухудшается острота зрения, нарушаются функции головного мозга, деятельность сердца, легких, возникает головная боль, сонливость, нарушается дыхание. Степень воздействия СО на организм человека зависит от длительности воздействия и содержания карбоксигемоглобина.

В атмосфере СО постепенно окисляется до СО₂.

Оксиды азота (NO_x), – образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота находящегося в атмосферном воздухе. Основными источниками выбросов NO_x являются автотранспорт, ТЭС, промышленные печи и др.

Другими источниками NO_х являются промышленные предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту, анилиновые красители, вискозный шелк и др.

При контакте оксидов азота с водяным паром, поверхностью слизистой образуются кислоты, что может привести к отеку легких.

Диоксид серы (SО₂). На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих от антропогенных источников. Основным источником является сжигание угля, мазута на ТЭС, в котельных, в промышленности. Другими источниками SО₂ являются металлургия, строительная промышленность, производство серной кислоты и другие виды промышленности.

Диоксид серы раздражает слизистую оболочку рта, глаз, во рту возникает неприятный привкус, при соединении с влагой воздуха или слизистой образуется серная кислота.

Углеводороды (C_mH_n). Основной техногенный источник – пары бензина, метан, пентан, гексан – автотранспорт. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение, кашель, неприятные ощущения в горле.

Основные источники образования пыли в атмосфере:строительная промышленность, ТЭС, черная и цветная металлургия, места складирования промышленных и бытовых отходов, автотранспорт, карьеры добычи полезных ископаемых, разработанные грунты и т. д. Размеры пылинок в воздухе составляют от сотых долей до нескольких десятков микрометров. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция, углерода, а также оксиды металлов.

Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, у людей могут возникать специфические заболевания.

Глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением атмосферы.

К глобальным экологическим проблемам в связи загрязнением атмосферы многие ученые относят:

· нарушение озонового слоя;

· парниковый эффект:

· кислотные дожди;

· смоги.

Нарушение озонового слоя. Озон (О₃) – представляет собой третью форму существования кислорода, образуется в атмосфере естественным путем при воздействии на атмосферный кислород солнечного ультрафиолетового излучения (которое можно обозначить hν):

О₂ + hν О + О; О₂ + О О.

Наибольшая концентрация молекул озона находится в стратосфере на высоте 20 – 22 км (~в 10 раз выше, чем у поверхности Земли) и распространяется она примерно на 5 км по высоте, этот слой и называют озоновым слоем. Если весь озон сконцентрировать в один слой, то толщина его составит ~ 2,9 мм.

Озоновый слой задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение, губительное для всего живого на Земле. Оно может вызвать большие изменения в организмах, чем гамма-излучение, рентгеновское излучение и привести к заболеваниям иммунной системы, раку кожи, поражению сетчатки глаза и другим заболеваниям.

В настоящее время озоновый слой нарушается, т. е. снижается концентрация озона в озоновом слое. Впервые истощение озонового слоя обнаружили в 1985 году над Антарктидой, когда над ней концентрация озона была снижена на 50%. Это пространство получило название “озоновой дыры”. С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное нарушение озонового слоя на всей планете (концентрация озона в озоновом слое снижается в разное время года на 10 – 20 %, особенно над промышленными странами).

Наука до конца не установила основные причины, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение “озоновых дыр”.

По мнению большинства ученых, главными разрушителями озонового слоя являются химические вещества, объединенные термином “хлорфторуглеводороды” (ХФУ) – так называемые фреоны, а также оксиды азота (NО_х) и углерода (СО). Фреоны начали использовать в 1930-е годы в качестве хладонов в холодильных установках, затем в системах кондиционирования воздуха, для производства полимеров, дезодорантов, лаков, красок, как растворители, распылители в аэрозольных упаковках. Они нетоксичны, инертны, стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. Эти разрушители взаимодействуют с молекулой озона и разрушают ее, их называют катализаторами, так как они только своим присутствием разрушают озон, например:

О₃ + NО О₂ + NО₂; NО₂ + О NО + О₂;

О₃ + Cl ClО + О₂; ClО + О Cl + О₂.

В соответствии с международными соглашениями (Венская конвенция об охране озонового слоя – 1985г., а также Протоколы к этой конвенции), к которым присоединилась Украина, все страны-участницы этой Конвенции должны прекратить производство и использование практически всех озоноразрушающих веществ.

Собственного производства ХФУ Украина не имеет. Потребности промышленности в этих веществах обеспечиваются поставками из России. Основными потребителями ХФУ в Украине являются заводы бытовой химии, холодильной техники, а также они используются в пожаротушении.

Парниковый эффект – это способность атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать земное тепловое длинноволновое излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей.

Солнечная энергия проникает сквозь атмосферу, поглощается поверхностью Земли, нагревает ее и выделяется в виде инфракрасного или теплового длинноволнового излучения. Однако некоторые газы атмосферы его задерживают, поглощают, нагреваются и тем самым нагревают атмосферу в целом. Эти газы называют парниковыми.

Парниковый эффект существует в природе вне деятельности человека, и без него жизнь на Земле была бы невозможна. Если бы не было этого явления, на Земле наблюдались бы сильные суточные и сезонные колебания температуры.

Основным парниковым газом является углекислый газ, на его долю приходится до 60% парникового эффекта. Другими парниковыми веществами являются хлорфторуглеводороды, метан, оксиды азота, тропосферный озон, а также аэрозоли, пары воды.

Экологическая проблема парникового эффекта заключается в том, что содержание парниковых газов в атмосфере растет в связи с антропогенной деятельностью. В природной биосфере содержание углекислого газа в воздухе поддерживалось на одном уровне, так как его поступление равнялось удалению. В связи с вырубкой лесов и сжиганием ископаемого топлива это равновесие нарушается.

В настоящее время из-за парникового эффекта средняя температура на нашей планете увеличилась, в среднем на 0,6 С. Если в дальнейшем будет сохранено существующее положение с вырубкой лесов и сжиганием топлива, то концентрация углекислого газа к 2050 году может удвоиться. Климатологи прогнозируют среднее потепление в таком случае на 1,5 – 4,5 С. Такое потепление вызовет таяние полярных льдов и горных ледников, подъем уровня мирового океана (уровень мирового океана может подняться на 1,5 м), что приведет к затоплению обширных прибрежных территорий суши.

Влияние потепления также скажется на режиме осадков, по прогнозам в северных районах их количество может снизиться на 40%, это может привести к развитию пустынь.

Кислотные дожди. Одной из важнейших экологических проблем, с которой связано закисление природной среды, являются кислотные дожди.

Основными источниками кислотных дождей являются промышленные выбросы диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоту.

Природные осадки имеют подкисленный характер, при отсутствии загрязнителей рh дождевой воды равно 5,6. Кислотными называют любые осадки, кислотность которых, выше природной, т. е. при рh < 5,6. В последнее время среднее значение рh осадков составляет 4 – 4,5, а иногда оно опускается до 3 и даже ниже. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе – рh = 2,3 (для сравнения, домашний уксус имеет рh = 2,8).

Кислотные дожди выпадают во всех промышленных районах мира и воздействуют в целом на экосистемы:

Нарушают восковой покров листьев, что делает их уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов.

Выщелачивают биогенные вещества из листьев, ветвей, почв и истощают их. Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость деревьев к засухам, болезням, загрязнением, что приводит к еще более выраженной деградации их как природных экосистем.

Кислотные дожди выщелачивают также из почвы токсичные металлы – свинец, кадмий, алюминий и др., растворяют их, а в последствии они усваиваются живыми организмами, передаются по пищевой цепи и негативно на них воздействуют. Растворенные загрязнители легко проникают в подземные и поверхностные воды.

Кислотные дожди воздействуют на почвенные организмы, замедляют их активность, почвообразовательные процессы разложения и минерализации детрита.

Под действием кислотных дождей происходит закисление пресных вод. Особенно интенсивно происходит закисление озер в Швеции, Норвегии, Финляндии, где коренные породы, слагающие их ложе, обычно представлены гранито-гнейсами и гранитами не способными нейтрализовать кислотные осадки, в отличие от осадочных пород, которые создают щелочную среду и препятствуют закислению. Повышение кислотности влияет на популяции различных видов рыб, приводит к гибели фитопланктона, различных видов водорослей и других его обитателей.

Кислотные дожди разрушают предметы, конструкции из металла (в городах коррозия металла в десятки раз быстрее происходит, чем в сельской местности), также они воздействуют на здания, сооружения, памятники архитектуры. Памятники и здания простоявшие сотни и даже тысячи лет, сейчас разрушаются и рассыпаются в крошево.

Смоги. Слово смог происходит от английского smoke – дым, fog – туман. Смог -атмосферное явление накопления в воздухе нижней тропосферы первичных антропогенных загрязнителей и последующее вторичное загрязнение этих же масс воздуха продуктами реакций на основе первичных загрязнителей и солнечной радиации. Смоги образуются в воздушном пространстве больших городов, а в связи с развитием автомобильного и авиационного транспорта, стали захватывать даже отдельные регионы.

Образуются смоги в безветренную погоду, при наличии большого количества загрязнителей в атмосфере.

Различают следующие виды смогов: влажный, ледяной, фотохимический.

Влажный смог – ядовитая смесь в атмосфере газообразных продуктов сгорания твердого и жидкого топлива (NО_х, SO₂, CO, в основном диоксида серы), частичек пыли, сажи и тумана. Наблюдается чаще в осенне-зимний период и характерен для умеренных широт с влажным морским климатом при неблагоприятных погодных условиях.

Этот смог называют лондонским т. к. в 1952 г. в Лондоне от смога с 3-го по 9-е декабря погибло более 4 тыс. человек, до 10 тыс. человек тяжело заболели. Влажный смог вызывает отек слизистой, бронхов, легких, удушье, приступы бронхиальной астмы, хронического бронхита, раздражение глаз и др. Благодаря принятым мерам по ограничению пылегазовых выбросов, загрязнение атмосферного воздуха в Лондоне значительно снизилось. Сильный туман, который образовался в декабре 1972 г., на этот раз не имел серьезных последствий для населения. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) от смога погибло за 3 дня 156 человек.

Рассеять смог может только ветер, а улучшить ситуацию – сокращение выбросов загрязняющих веществ.

Ледяной смог – смесь газообразных загрязнителей (в основном диоксида серы), частичек пыли, сажи и мельчайших кристалликов льда. Он образуется в городах, расположенных в северных широтах, при температурах ниже – 30⁰С и наличии высокой влажности воздуха. Капельки водяного пара превращаются в мельчайшие кристаллики льда (размером 5 – 10 мкм) и впитывают загрязнители. Образуется белый густой туман, при таком тумане дышать практически невозможно. Образованию высокой влажности в атмосфере способствуют аварии на теплотрассах, незамерзающие водохранилища из-за сброса не достаточно охлажденных промышленных сточных вод, которые при такой температуре постоянно парят.

Фотохимический или Лос-анжелесский смог не менее опасен, чем лондонский. Он образуется в районах с сухим и жарким климатом при интенсивном воздействии солнечной радиации.

Основными первичными загрязнителями этого смога являются оксиды азота и углеводороды (автотранспорт, ТЭС, промышленность). При безветрии в атмосфере происходят сложные реакции с образованием новых загрязнителей – фотооксидантов (органические перекиси, нитраты, тропосферный озон и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких, бронхов, органов зрения.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях в течение длительного времени наносят большой вред не только человеку, но и отрицательно влияют на животных, птиц, состояние растений и экосистем в целом. В экологической литературе описаны случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах веществ большой концентрации.

Защита атмосферы от вредных выбросов и выделений сводится к обеспечению концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны и приземном слое атмосферы, равным или менее ПДК.

Это достигается применением следующих методов и средств:

* рациональное размещение источников вредных выбросов по отношению к населенным зонам и рабочим местам;

* рассеиванием вредных веществ в атмосфере для снижения концентраций в её приземном слое, удалением вредных выделений от источника образования посредством местной или общеобменной вытяжной вентиляции;

* применением средств очистки воздуха от вредных веществ;

* применением СИЗ.

Рациональное размещение предусматривает максимально возможное удаление промышленных объектов − загрязнителей воздуха от населенных зон, создание вокруг них санитарно − защитных зон; учет рельефа местности и преобладающего направления ветра при размещении источников загрязнений и жилых зон по отношению друг к другу.

В частности, промышленное предприятие необходимо располагать по отношению к жилому массиву с учетом направления ветра и расположением предприятий на возвышенных, хорошо продуваемых местах.

Системы очистки. Основными параметрами систем очистки воздуха (газа) являются эффективность и гидравлическое сопротивление.

Эффективность определяет концентрацию вредной примеси на выходе из аппарата, а гидравлическое сопротивление − затраты энергии на пропуск очищаемых газов через аппараты.

Чем выше эффективность и меньше гидравлическое сопротивление, тем лучше.

Номенклатура существующих газоочистных аппаратов значительна, а их технические возможности позволяют обеспечивать высокие степени очистки отходящих газов практически по всем веществам.

Для очистки отходящих газов от пыли имеется широкий выбор аппаратов, которые можно разделить на две большие группы: сухие и мокрые (скрубберы), орошаемые водой.

Рассмотрим лишь некоторые из них, получившие наибольшее распространение в технике пылеулавливания.

Пылеуловители сухого типа. Широкое распространение получили циклоны различных видов:

* одиночные;

* групповые;

* батарейные.

Существует много различных типов циклонов, но наибольшее распространение получили циклоны типов ЦН и СК − ЦН (СК − сажевые конические), с помощью которых можно решить большинство задач по пылеулавливанию.

Разработана номенклатура стандартных циклонов с диаметром цилиндрической части от 200 до 3000 мм.

Все размеры, необходимые для изготовления циклона, представлены в

Циклоны с диаметром более 1 м применять не рекомендуется.

Лучше применять групповые циклоны, в которых несколько одиночных циклонов (как правило, 4 или 6) сгруппированы в один блок обычно с единым пылевым бункером и выходной камерой.

Для очистки больших объемов газа с высокой эффективностью применяют батарейные циклоны, у которых в общем корпусе располагается большое число циклонных элементов.

Циклоны можно применять при концентрациях пыли на входе до 400 г/м3, при температурах газов до 500оС.

Однако существуют проблемы при улавливании слипающихся и пожаровзрывоопасных пылей.

В технике пылеулавливания широко применяют фильтры, которые обеспечивают высокую эффективность улавливания крупных и мелких частиц.

Процесс очистки заключается в пропускании очищаемого газа через пористую перегородку или слой пористого материала.

Перегородка работает как сито, не пропуская частицы с размером, большим диаметра пор.

Частицы же меньшего размера проникают внутрь перегородки и задерживаются там за счет инерционных, электрических и диффузионных механизмов улавливания, некоторые просто заклиниваются в искривленных и разветвленных поровых каналах.

По типу фильтровального материала фильтры разделяют на тканевые, волокнистые и зернистые.

У тканевых фильтров фильтровальная перегородка может быть хлопчатобумажная, шерстяная, лавсановая, нейлоновая, стеклянная, металлическая и т. д. с регулярной структурой переплетения нитей (саржевой, полотняной и т. д.).

Основной механизм фильтрования у таких фильтров − ситовый, при котором фильтрует не только и даже не столько фильтровальная ткань, сколько пылевой слой, образующийся на ее поверхности.

Такие фильтры можно регенерировать путем сброса слоя пыли с поверхности ткани.

Наибольшее распространение в технике очистки промышленных выбросов нашли тканевые рукавные фильтры.

Газ очищается при прохождении через ткань каждого рукава.

В процессе фильтрования на ткани накапливается слой пыли, который уплотняется.

Фильтровальные рукава регенерируются посредством их встряхивания и обратной продувки.

Волокнистые фильтры − это слой тонких и ультратонких волокон с нерегулярной, хаотичной структурой (например, войлок).

Частицы пыли проходят внутрь слоя и задерживаются там, т. е. механизм фильтрования объемный. Такие фильтры плохо регенерируются.

Зернистые фильтры представляют собой свободные засыпки зерен (гранул), например кварцевого песка, различной крупности или перегородки связанных (спеченных) между собой зерен, через которые пропускают очищаемый воздух.

Зернистые фильтры в технике очистки отходящих газов применяют реже, чем тканевые и волокнистые.

Для очистки больших объемов газа с высокой эффективностью применяют электрофильтры.

Наибольшее применение они нашли в металлургии и теплоэнергетике, использующей угольное топливо.

Сущность работы электрофильтра состоит в следующем.

При высоких напряжениях у коронирующего электрода возникает коронный разряд и начинается ионизация воздуха − образуются отрицательные и положительные ионы.

Через пространство между электродами пропускают очищаемый газ, ионы адсорбируются на поверхности частиц пыли, заряжая их.

Отрицательно заряженные частицы пыли начинают перемещаться к положительному осадительному электроду и прилипают к нему, удерживаясь электрической силой.

Электроды выполняют различной формы.

Затраты электроэнергии в электрофильтрах на единицу объема очищаемого газа невелики, они конкурируют и даже превосходят по этому критерию другие типы пылеуловителей.

Однако, сложное электрическое хозяйство, опасность очень высоких напряжений требуют специально подготовленного обслуживающего персонала.

Поэтому их применяют на крупных промышленных объектах и при необходимости очистки больших объемов отходящего и сильно запыленного газа.

Пылеуловители мокрого типа. Их целесообразно применять для очистки высокотемпературных газов, улавливания пожаровзрывоопасных пылей и в тех случаях, когда наряду с улавливанием пыли требуется улавливать токсичные газовые примеси и пары.

Аппараты мокрого типа называют скрубберами.

Номенклатура типов аппаратов разнообразна.

Их недостатком является наличие систем водоснабжения и рециркуляции воды.

Для удаления из отходящих газов вредных газовых примесей применяют следующие методы:

* абсорбции;

* хемосорбции;

* адсорбции;

* термического дожигания;

* каталитической нейтрализации.

Абсорбция − явление растворения вредной газовой примеси сорбентом, как правило, водой.

Методом абсорбции можно улавливать только хорошо растворимые газовые примеси и пары. Так, хорошей растворимостью в воде обладают аммиак, хлороводород, фтороводород, пары кислот и щелочей.

Для проведения процесса абсорбции используют аппараты мокрого типа, применяемые в технике пылеулавливания.

Хемосорбцию применяют для улавливания газовых примесей, нерастворимых или плохо растворимых в воде.

Метод хемосорбции заключается в том, что очищаемый газ орошают растворами реагентов, вступающих в химическую реакцию с вредными примесями с образованием нетоксичных, малолетучих или нерастворимых химических соединений.

Адсорбция заключается в улавливании поверхностью микропористого адсорбента (активированный уголь, селикагель, цеолиты) молекул вредных веществ.

Метод обладает очень высокой эффективностью, но жесткими требованиями к запыленности газа − не более 2...5 мг/м3.

Одним из лучших адсорбентов является активированный уголь, у которого в 1 г содержится до 1600 м2 поверхностей.

Адсорбция широко применяется для улавливания паров растворителей, неприятно пахнущих веществ, органических соединений и множества других газов.

Адсорбционная способность адсорбента тем выше, чем меньше его температура и существенно снижается с ее повышением.

Это используется в работе адсорберов и при их регенерации.

Термическое дожигание − процесс окисления вредных веществ кислородом воздуха при высоких температурах (900...1200 °С).

С помощью термического дожигания окисляют токсичный угарный газ СО до нетоксичного углекислого газа СО2, углеводороды СпНm до углекислого газа и воды.

Процесс термического окисления при низкой температуре отходящих газов энергоемок, так как требует использования дополнительного топлива для нагрева газов до высоких температур.

Термическое дожигание применяют для очистки отходящих raзов от органических веществ, например, паров растворителей и красок в лакокрасочных производствах, очистки выбросов испытательных станций двигателей, работающих на органических горючих.

Каталитическая нейтрализация достигается применением катализаторов − материалов, которые усиливают протекание реакции или делают их возможными при значительно более низких температурах (250…400оС).

Термокаталитические реакторы широко применяют для очистки отходящих газов окрасочных цехов, сушильных камер и т. д.

Каталитические нейтрализаторы используют для очистки выхлопных газов.

При сильном и многокомпонентном загрязнении отходящих газов применяют сложные многоступенчатые системы очистки, состоящие из последовательно установленных аппаратов различного типа.

В загрязненном воздухе в качестве индивидуальных средств защиты применяют респираторы и противогазы.

Поиск по сайту: