Органічна хімія і забруднення навколишнього середовища

Забруднення атмосфери продуктами згорання

В атмосферу Землі попадає все більше і більше небажаних хімікатів органічного і неорганічного походження. Також забруднення являє собою велику загрозу всьому живому, тому що при досягненні певного ступеня забруднення відбудуться серйозні незворотні процеси. Наприклад, під впливом забруднення в атмосфері відбувається значне зменшення шару озону, який захищає нашу планету від ультрафіолетового випромінювання. Останнім часом вчені занепокоєні зниженням вмісту озону в озоновому шарі атмосфери. Над Антарктикою виявлено “дірку”, де вміст озону на 40-50 % менший від звичайного. Ця озонова дірка з року в рік збільшує свої розміри, і сьогодні вона вже більша за материк Антарктиду. Це має негативні екологічні наслідки для країн південної півкулі, ближчих до Антарктиди, де зареєстроване зростання захворювань на рак шкіри та катаракту. Тривожні повідомлення надходять і з північної півкулі, де виявлено озонову дірку над архіпелагом Шпіцберген, щоправда менших розмірів, ніж антарктична. Зниження вмісту озону в атмосфері загрожує зменшенням врожаїв сільськогосподарських рослин, підвищенням кількості захворювань людей і тварин, частоти шкідливих мутацій.

Розвиток автомобільного транспорту пов’язаний з використанням великої кількості атмосферного кисню, скороченням сільськогосподарських земель за рахунок будівництва автомагістралей, автокатастрофами. Але найбільша небезпека – забруднення атмосфери вихлопними газами. Встановлено, що кількість шкідливих продуктів, які викидають автомобілі, перевищує кількість токсичних викидів всіх інших джерел (теплові електростанції, теплоцентралі, промислові підприємства, об’єкти побуту). Це такі токсичні викиди як чадний газ СО, залишки вуглеводнів, які не згоріли, нітроген оксиди, сульфур (IV) оксид SO₂, галогенорганічні сполуки, важкі метали, аерозолі тощо. Наприклад, у 1998 році автотранспортом було викинуто в атмосферне повітря 1884, 5 тис. т. шкідливих речовин, що становило 31% від загального обсягу викидів по Україні. Понад 63% свинцю, 54% СО, 36% С_хН_у, 25% оксидів нітрогену від загальної кількості цих речовин надходить від автотранспорту. У багатьох областях України викиди автотранспорту в 1998 році перевищували 60% від загального обсягу викидів. Викиди забруднювальних речовин від автотранспорту у 1998 році збільшились порівняно з 1997 на 32%.

Небезпечність складових викидів автотранспорту

Карбон (ІІ) оксид, чадний газ – дуже отруйний газ, який є продуктом неповного згоряння палива. Його токсичність зумовлена здатністю міцно зв’язуватися з гемоглобіном крові і, як наслідок, в організмі порушуються процеси дихання. Не дивлячись на те, що в великих містах концентрація чадного газу збільшується внаслідок розвитку автомобільного транспорту, сумарний його рівень у природі залишається постійним, завдяки тому, що деякі організми грунту здатні окиснювати його до вуглекислого газу:

2СО + О₂ = 2СО₂

В останні роки проводяться досліди з виведення вихлопних газів автомобілів крізь пальники з каталізаторами, у яких відбувається повне згоряння СО.

Сульфур (IV) оксид – частина SO₂ при горінні перетворюється в SO₃, який з водою утворює сульфатну кислоту:

2SO₂ + О₂ = 2SO₃

SO₃ + Н₂О = Н₂SO₄

Сульфур оксиди і сульфатна кислота негативно впливають на рослини, а у людини викликають захворювання органів дихання. Ці сполуки відносяться до найбільш шкідливих і корозійних забруднювачів атмосфери.

Нітроген оксиди – це продукти висококомпресійних двигунів. Вони утворюються з азоту і кисню у процесі спалювання бензину в циліндрах:

N₂ + O₂ = 2NO

2NO + O₂ = 2NO₂

Нітроген оксиди разом з оксидами сульфуру сполучаються з атмосферною вологою і утворюють дрібні крапельки сульфатної або нітратної кислот, які переносяться у вигляді кислотного туману і випадають кислотними дощами, що вкрай негативно впливають на навколишнє середовище. При цьому знижується врожайність більшості сільськогосподарських культур внаслідок ушкодження листя кислотами; вимиваються з грунту кальцій, калій, магній, що викликає деградацію фауни і флори; отруюється вода озер і ставків, де гине риба й зникають птахи і тварини, що харчуються комахами; гинуть ліси в гірських районах, що викликає зсуви й сольові потоки; збільшується кількість захворювань серед населення (подразнення очей, хвороби дихальних шляхів тощо).

Вуглеводні викидаються в атмосферу при неповному згорянні палива у двигунах, при випаровуванні з ємностей з паливом або з двигунів. Разом з оксидами нітрогену і сульфуру приймають участь в утворенні фотохімічного смогу.

Вже вказувалося, що один з способів підвищення якості палива для двигунів внутрішнього згоряння – додавання тетраетилсвинцю. При цьому додають ще етилендибромід BrCH₂CH₂Br для того, щоб свинець не осаджувався у циліндрах, а випаровувався у вигляді PbBr₂. Сполуки плюмбуму токсичні і викликають розлади нервової системи (насамперед у дітей), а ступінь небезпечності цього забруднення зрозуміла з того факту, що з 1923 року, коли почали використовувати Pb(С₂Н₅)₄, у циліндрах було спалено більше 3 млн. т цієї сполуки. Єдине рішення цієї проблеми – заборона використання Pb(С₂Н₅)₄ та пошук іншого метода покращення якості бензину. Так, однією з речовин, яка підвищує октанове число бензину, є трет-бутилметиловий етер CH₃ОС(СН₃)₃, який вже використовується в деяких європейських країнах.

Розглянуті вище забруднення, насамперед оксиди карбону, сульфуру, нітрогену і вуглеводні, називаються первинними. За певних умов разом з такими забрудненнями як сажа і інші частинки, вони утворюють смог. До таких умов відносять:

- інверсію шарів повітря, внаслідок чого теплий шар повітря оточений зверху і знизу більш холодними шарами, що перешкоджає природній циркуляції повітря, а відповідно, і виносу забруднень;

- певні місцеві географічні умови і високу концентрацію забруднень, наприклад у великих містах.

Крім смогу, що складається з первинних забруднень, утворюється ще вторинний або фотохімічний смог. Під дією ультрафіолетової складової сонячного випромінювання відбувається розклад кисню та оксидів нітрогену і тим ініціюється ланцюгова радикальна реакція продуктів цього розпаду з присутніми в атмосфері вуглеводнями. Ця реакція призводить до небезпечного вторинного забруднення атмосфери, а саме – до пероксиацилнітратам RCO–O–O–NO₂ і озону. Проміжні продукти цієї реакції – альдегіди і кетони.

Для того, щоб розпочалося утворення фотохімічного смогу, потрібна певна концентрація оксидів нітрогену і вуглеводнів; кінцевими продуктами реакції є дуже агресивні пероксиацилнітрати і озон – дуже сильні окисники. Утворення фотохімічного смогу можна попередити, якщо знизити вміст вуглеводнів і оксидів нітрогену у вихлопних газах.

Як первинний, так і вторинний, смог впливає на здоров’я людей, особливо з порушеннями обміну речовин і дихальних органів. Смог знижує видимість, і місцевість, що вражена смогом, має безрадісний вигляд: барви неяскраві, особливо колір неба. У сухому, загазованому й теплому повітрі виникає синюватий туман, що неприємно пахне, подразнює очі, горло, спричиняє задуху, викликає приступи бронхіальної астми тощо. Листя на деревах в’яне, стає плямистим, жовкне. Прискорюється корозія металу, руйнування мармуру, фарб, гуми, швидко псується взуття.

Забруднення атмосфери органічними речовинами

Атмосфера забруднюється не тільки продуктами горіння вугілля та палива для двигунів. На жаль, в цьому приймають участь і деякі хімікати, що широко використовуються. Типовими прикладами таких хімікатів є фреони і поліхлоровані біфеніли.

Фреони (хладоагенти) – це флуоровані похідні алканів, молекули яких містять також атоми інших галогенів: CCl₂F₂, CCl₃F тощо. Це леткі, негорючі, хімічно інертні сполуки. Використовуються як газонаповнювачі в аерозольних пристроях, хладоагенти, розчинники, засоби хімчистки, протипожежні засоби.

Невеликі кількості фреонів попадають в атмосферу при використанні аерозольних та протипожежних засобів. У атмосфері фреони вступають в реакції з озоном. При цьому шар озону зменшується, що призводить до вищерозглянутих наслідків.

Поліхлоровані біфеніли (ПХБ) – це суміш різних хлоропохідних біфенілу. ПХБ використовують як пластифікатор, наповнювач трансформаторів і теплообмінників тощо. Використовуються у дуже великій кількості внаслідок своєї хімічної стабільності. ПХБ – це рідини, що завдяки своїм властивостям (стійкість і розчинність у жирах) представляють таку ж небезпеку, як хлоровані інсектициди. Внаслідок широкого використання великої кількості цих речовин, вони попали в атмосферу. Їх дія на тварин і особливо на птахів дуже схожа на дію ДДТ.

Забруднення атмосфери (як і води та грунтів) хімікатами може бути і випадковим, наприклад, внаслідок витоку великої кількості отруйних речовин у хімічній промисловості. Характерний приклад – отрута населення міста Севезо у 1976 році (Італія) речовиною ТХДД (2, 3, 7, 8- тетрахлордибензо-1, 4-діоксин), яка є побічним продуктом синтезу гербіциду 2, 4, 5-Т:

Хмара діоксину розповсюдилась по території площею 16 км². Були отруєні діти, вагітні жінки народили дітей з вродженими вадами, загинули тисячі голів отруєної худоби, земля навколо Севезо на декілька років стала неродючою.

Інший приклад: аварія на заводі по виготовленню пестицидів в м. Бхопал (Індія) у 1984 році викликала смерть приблизно 2500 людей. Це відбулося внаслідок витоку в атмосферу отруйного напівпродукту – метилізоціанату (СН₃N=C=O), який використовувався для добування пестициду севіну (С₁₀Н₇ООСNСН₃). Викид речовини відбувся з двох підземних резервуарів, де містилося приблизно 12 т отрути.

Забруднення води і грунту органічними речовинами

Забруднення води і грунтів відбувається внаслідок недостатньої очистки стічних вод промислових підприємств. Ці забруднення можуть бути найрізноманітніших типів: основи, кислоти, розчинники, феноли, солі. Крім того у річки потрапляє велика кількість детергентів, використання яких дуже поширилося.

Сировиною для виробництва синтетичних поверхнево-активних речовин є алкілбензени:

Натрієва сіль додецилбензенсульфокислоти – основний компонент багатьох детергентів. Якщо аліфатичний ланцюг миючого засобу розгалужений, то такі сполуки важко піддаються біологічному розкладу (біологічно жорсткі) і створюють багато проблем у зв’язку з забрудненням зовнішнього середовища.

Таким чином, значну негативну роль відіграють детергенти, які важко розкладаються у природних умовах, а не класичні мила (солі натрію чи калію вищих карбонових кислот), які розкладаються легко.

Присутність таких речовин сильно змінює поверхневий натяг води, що в свою чергу загрожує життю водяних рослин і тварин (наприклад, детергенти розчиняють природнє жирове покриття пір’я птахів). У деяких місцях забруднення детергентами зайшло так далеко, що поверхня річок покривається шаром піни.

Крім солей алкілбензенсульфокислот і інших подібних їм речовин до складу детергентів входять неорганічні фосфати, пероксоборати, сульфати, відбілювачі. Для оточуючого середовища найбільш негативне значення має присутність фосфатів у миючих засобах, тому, що ці солі стимулюють ріст водяної флори, що в свою чергу порушує рівновагу водної системи.

В останній час все більші розміри приймає небезпечність, яка пов’язана з катастрофами великих танкерів, що транспортують нафту.

Широке використання у сільському господарстві пестицидів призводить до забруднення цими речовинами води та грунту. За функціями пестициди поділяють на декілька категорій: інсектициди діють на комах, гербіциди використовують у боротьбі з бур’янами, фунгіциди знищують грибки і плісняву, родентициди – гризунів.

Класичним прикладом інсектицидів є ДДТ:

Цей препарат має легкий і дешевий спосіб добування. Результат його використання – підвищення врожайності та зменшення кількості хворих на малярію, тиф, сонну хворобу за рахунок знешкодження комах.

ДДТ малореакційний і розчиняється в жирах. Тому він накопичується в живих організмах по ланцюгу живлення. Концентрування ДДТ по цьому ланцюгу можна показати на прикладі. Безпосередньо після оприскування водяної поверхні вода містила 0, 02 млн. ч. ДДТ (1млн. ч. = 0, 0001%). Через деякий час мікрофлора і мікрофауна містила вже 5 млн. ч. ДДТ, тобто у 250 разів більше, і, наприкінці, риби – 2000 млн. ч. ДДТ. А птахи, які споживали цю рибу, гинули сотнями внаслідок отруєння ДДТ. Зараз, після багаторічного використання ДДТ, у кожного з нас у жировому шарі міститься не менше 12 млн. ч. цього інсектициду.

З біохімічної точки зору ДДТ представляє собою нервову отруту. Він впливає на метаболізм кальцію, що може привести до порушення розвитку кісток і зубів. І хоча у людини це не виявлено, але для птахів порушення метаболізму кальцію мають фатальні наслідки. Наприклад, шкаралупа яєць стає такою тонкою, що у період висиджування птахи їх роздавлюють.

Хоча використання ДДТ заборонено, але у світі постійно відчуваються наслідки його використання у кількості декількох сотень мільйонів тон.

Прикладами інших інсектицидів класу ДДТ (тобто класу хлорованих вуглеводнів) є альдрин, дильдрин, линдан.

Інша велика група інсектицидів є органічні фосфати – складні похідні фосфатної кислоти. Сюди відносять малатіон і паратіон:

Ці сполуки з плином часу гідролізуються. Деякі з них дуже токсичні для людини (як і інші органічні фосфати).

Гербіциди використовуються у боротьбі з бур’янами.

Це 2, 4-дихлорофеноксиоцтова кислота (2, 4-Д), атразин і симазин – похідні 1, 3, 5-триазину. Це селективні гербіциди, бо діють лише на бур’яни:

Дефоліанти – речовини, що призводять до опадання листя. Мова йде про бутилові естери 2, 4-дихлоро- та 2, 4, 5-трихлорофеноксиоцтових кислот (agent orange). Їх дію посилює ТХДД, який, як вказувалося вище, високотоксичний для людини і тварин.

Ці речовини використовувались у В’єтнамі багато років потому, але природа ще не відновилась.

Небезпечними можуть стати такі сполуки, використання яких не викликає залишкової токсичності (як у ДДТ). У якості приклада наведемо паракват. Це диметилдипіридинова сіль:

У 1981 р. Таїланд імпортував 4 тис. т параквату для винищення бур’янів на плантаціях каучуку та рисових полях. Це призвело до високої концентрації параквату (разом з іншими пестицидами) у річках та каналах Таїланду; виникла загроза екології: гинули мільйони риб, а риба – основний компонент їжі населення.

При хлоруванні фенолу утворюється пентахлорофенол:

Пентахлорофенол – це дезинфікуючий, інсектицидний та гербіцидний засіб. Крім того фенол широко використовують для синтезу фенопластів і епоксидних смол, синтетичних волокон, дезинфікуючих засобів – герміцидів.

Герміциди – це речовини, які мають дезинфікуючу і антисептичну дію.

До герміцидів відносять і сам фенол, але фенол зараз не використовують у якості дезинфікуючого засобу, так як він токсичний і при попаданні на шкіру викликає опіки.

За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, тільки у розвиваючих країнах щорічно більше як 0, 5 мільйона чоловік отруюється внаслідок розповсюдження отрутохімікатів у навколишньому середовищі. Не менше 5 тисяч з них помирає.

Багато пестицидів, які заборонені у Західній Європі, США, Японії, продаються розвиваючим країнам. Як результат, у Західній Африці за останні роки у 5 разів збільшилась кількість випадків онкозахворювань шлунку та кишечника.

Використання пестицидів і гербіцидів пов’язано з ще однією дуже серйозною проблемою: невмілим його застосуванням. Більше всього від цього страждає населення країн, що розвиваються, наприклад, у 1972 році на ці країни приходилося біля половини з 250 000 відомих нещасних випадків отруєння пестицидами, з яких 6700 закінчилися смертю. Між тим в цих країнах використовувалося менше 15 % від загальної кількості пестицидів, що використовувалась у всьому світі. До числа пестицидів, які викликають отруєння, відносяться пакват, ДДТ, поліхлорований фенол та альдрин. Так альдрин викликає онкологічні захворювання, сприяє розвитку нервових хвороб.

У США пестицидами щорічно отруюються 45 тис. чоловік, 200 з яких вмирають. Аналіз проб продуктів харчування у супермаркетах США виявив у 50 % досить високі концентрації пестицидів.

Ще один негативний приклад ролі пестицидів – руйнування захисних ферментів рослин, гибель бджіл і інших комах, які опилюють рослини. Відомі випадки, коли пестициди сприяли розмноженню шкідників сільського господарства.

Вочевидь, що сучасні пестициди повинні відповідати наступним стандартам:

1) специфічна дія до шкідників сільського господарства;

2) відсутність токсичності для людей і корисних тварин;

3) здатність до біоруйнування;

4) дешевизна;

5) нездатність вироблення стійкості у шкідників.

Хіміки активно розглядають проблему використання пестицидів природного походження (кофеїн, нікотин, піретрум, ротенони, ротеноїди тощо).

Наведемо приклад. Екстракт піретруму, який виділено з хризантем, містить 6 інсектицидних компонентів. Інсектицидну дію піретринів збільшує кунжутна олія. Піретрум не діє на бджіл, птахів, риб, великих тварин та людей. Практично невідомі випадки виникнення стійкості до природніх піретринів. Мала стабільність пестицидів природнього походження може бути збільшена хіміками-синтетиками.

Інший приклад. Основним компонентом “лазерного” гербіциду є амінокислота – дельта-амінолевулінова. Це складова хлорофілу. Принцип дії цього гербіциду базується на тому, що він стимулює накопичення рослиною світлочутливої сполуки. У подальшому під впливом сонячного світла починається ланцюгова реакція розкладу цієї сполуки, тобто рослина здійснює самогубство.

Науково-технічна революція та пов’язаний з нею інтенсивний ріст хімічного виробництва, металургічної промисловості, нафтахімічної промисловості паливно-енергетичний комплекс, транспорт та ін. викликали різноманітні негативні зміни в наколишньому середовищі: отруєння та забруднення прісних вод, забруднення Світового океану, забрудненя земної атмосфери, порушення земного покриву Землі, спустошення надр, знешкодження радючого шару Землі, який називається ґрунт, винищування тварин та птахів до повного зникнення багатьох біологічних видів. Кількість хімічних речовин, що забруднюють оточуюче середовище, постійно збільшується. І хоча хімічні підприємства дають меншу кількість викидів у атмосферу, ніж енергетика і транспорт, але за асортиментом забруднювачів та їх токсичністю вони посідають чи не перше місце.

Гаворячи, про шкоду хімічної та ін. промисловостей для навколишнього середовища, необхідно мати на увазі не тільки функціонуючі хімічні виробництва, але й цільові хімічні речовини, матеріали на їх основі та вироби з них.

Основний шлях для захисту природи від шкідливого впливу промислових виробництв – це створення екологічно нешкідливих технологічних процесів та безвідходних хімічних виробництв.

Безвідхідна технологія – це такий спосіб виробництва, при якому раціонально використовуються всі компоненти сировини та енергії в циклі (рис.4.1).

 

Рис. 4.1. Схема безвідходного виробництва

 

Головними причинами кризового техногенно-екологічного стану в Україні є надмірне техногенне навантаження (рівень техногенного навантаження на природне середовище в країні перевищує аналогічний показник розвинутих держав у 4-5 разів), висока концентрація потенційно небезпечних виробництв, значна зношеність основних виробничих фондів; зростання кількості випадків порушень техніки безпеки та експлуатації небезпечних виробничих об’єктів; незадовільний стан збереження, утилізації, захоронення відходів та експлуатації наявних очисних споруд, їхнє перевантаження, а в ряді регіонів їх повний вихід з експлуатації; низький рівень культури виробництва та порушення проектних технологічних режимів; фінансові труднощі, які обмежують можливості підприємств виконувати природоохоронні заходи та недостатність бюджетних асигнувань.

Промислові відходи в Україні розподіляються за чотирма класами небезпеки, які розрізняються за ступенем небезпечності та фізичними, хімічними і біологічними властивостями.

Відходи першого, другого і третього класів небезпечності вважаються найбільш небезпечними.

Основними джерелами утворення відходів в Україні є гірнична, хімічна, металургійна, машинобудівна, енергетична, целюлозно-паперова і сільськогосподарська промисловості.