Неорганические, органические компоненты атмосферы. Аэроионы

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ АТМОСФЕРЫ.

Сернистый газ. Сернистый газ (сернистый ангидрид, диоксид серы) представляет собой соединение серы с кислородом и имеет формулу SO₂. Сера в этом соединении положительно четырехвалентная.

SO₂ встречается в природе в составе газообразных продуктов вулканических извержений, лесных пожаров, морской пены, микробиологических превращений серусодержащих соединений. Антропогенными источниками загрязнения окружающей среды SO₂ являются процессы обжига и плавления сернистых руд, работы в кузнечных, литейных, плавильных, прокатных и других цехах металлургического производства, химические процессы производства серной кислоты, получения сульфитов, при отбеливании шерсти, очистка нефтепродуктов, изготовление резины, производство удобрений, получение доменного, коксового, светильного газов и др промышленные процессы.

Образуется SO₂ при горении серы, при обжиге железного колчедана и сульфидов цветных металлов по следующим формулам:

S+O₂ = SO₂ + Q

4FeS₂ + 11 O₂ = 2Fe₂O₃ +8 SO₂

Имеются такие данные о содержании SO₂ в отходящих дымовых газах при сжигании топлива, содержащего серу: если в угле 4% серы, то в дымовых газах около 0,35% SO₂, при 2% серы в мазуте – около 0,12%, а при 5% серы в мазуте – около 0,31% SO₂ в дымовых газах. Если в газе 0,1% SO₂, то в 1л этого газа содержится 1мл SO₂, который весит 64 г: 22400 = 2,85 мг, то есть в 285 раз больше предельно допустимой концентрации в воздухе рабочих помещений и приблизительно в 20 000 раз больше среднесуточной допустимой концентрации SO₂ в атмосферном воздухе населенных пунктов.

Сернистый ангидрид представляет собой при нормальных условиях бесцветный газ с резким характерным запахом горящей серы. Молекула SO₂ полярна: она представляет собой равнобедренный треугольник с атомом серы в вершине. Время пребывания в атмосфере – 2 недели, легко растворим в воде, переносится воздухом. Страны импортеры (получают больше, чем производят) - – Норвегия, Швеция, Финляндия, Австрия, Швейцария. Страны экспортеры SO₂ (выпускают больше) – Дания, Нидерланды, Бельгия, Великобритания, Германия, Франция. Во время переноса SO₂ и другие кислотные выбросы лишь в очень малой степени теряют свою активность. Нейтрализация происходит только в том случае, если в воздухе одновременно находится и пыль, содержащая гидроксиды щелочных и щелочноземельных элементов. Атмосфера очищается главным образом при вымывании кислых газов водой или снегом, а также при их «сухом» осаждении, т.е. в виде самого газа или адсорбированного на мельчайших частицах пули.

У людей SO₂ раздражает слизистую оболочку вызывает сильный кашель. Физиологическое действие SO₂ в первую очередь связано с образование Н₂SО₃ на влажной слизистой бронхов. Аналогично действуют и аэрозоли Н₂SО₄. При длительном воздействии SO₂ пропадает чувствительность к запахам и вкусам. В организме Н₂SО₃ окисляется в Н₂SО₄ и выводится почками.

Оксид углерода. СО – вещество очень токсичное, попадая в легкие вытесняет кислород из его соединения с гемоглобином крови и дает карбоксигемоглобин. Склонность к реакции присоединения СО у гемоглобина Hb в 300 раз выше склонности к реакции присоединения кислорода. Эта реакция обратима.

СО + HbО₂ ↔ СОHb + О₂

При повышении концентрации или парциального давления СО равновесие смещается вправо.

Когда организм не получает достаточного количества кислорода, нарушается процесс тканевого дыхания. В первую очередь это нарушение сказывается на органах центральной нервной системы, кислородная недостаточность поражает кору головного мозга, начинается расстройство высшей нервной деятельности.

СО является низшим оксидом углерода и при нормальных условиях представляет собой газ без цвета и запаха. СО – горючий газ и может давать с воздухом взрывоопасные смеси, При сгорании превращается в СО₂, выделяя при этом тепло.

2 СО + О₂ = 2СО₂ + Q

СО присуща восстановительная функция. При высоких температурах этот газ может отнимать от других веществ кислород и тем самым восстанавливать другие элементы в их соединениях с кислородом.

Природными источниками поступления СО в окружающую среду являются: вулканизм, процессы окисления метана (с помощью ОН- радикала). Антропогенными – неполное сгорание топлива, получение искусственного топлива, генераторного, водяного газа, газа переработки сланцев, газа подземной газификации, выхлопные газы автомобилей, углеобогатительные фабрики, заводы по нефтепереработке, металлургическая промышленность.

Одним из главных источников загрязнения атмосферного воздуха СО является сжигание топлива как в промышленности, так и в быту.

В печи при сжигании угля или других твердых и жидких топлив протекают поочередно процессы:

 

С + О₂ = СО₂ + Q (1)

СО₂ + С = 2 СО – Q (2)

2 СО + О₂ = 2 СО₂ + Q (3)

 

Считается, что при сжигании 1 т топлива в окружающую среду выделяется около 20 кг СО. Во многих видах искусственно получаемых топливных газов содержится СО. К ним относится генераторный газ, газ полученный от подземной газификации угля, водяной газ, газ от переработки сланцев. Генераторный газ получают в специальных печах при неполном сжигании угля по реакции 2С + О₂ = 2 СО. Его состав в среднем характеризуется содержанием горючей части, то есть СО (от 25 до 34 %), а остальное – негорючие составляющие (азот, углекислый газ). Водяной газ получают пропуская водяной пар через слой накаленного угля. Протекает реакция С + Н₂О = СО + Н₂. Водяной газ нередко используется как топливо, а на заводах синтеза аммиака из него получают водород. Он служит сырьем для получения синтетического бензина, для этого осуществляется процесс гидрирования СО

2Н₂ + 2СО = СН₂ + Н₂О + СО или

2Н₂ + 2 СО = СН₂ + Н₂ + СО₂

с последующей полимеризацией метиленовой группы при участии катализаторов.

В металлургической промышленности многочисленны процессы, при которых выделяется СО. Доменный процесс основан на восстановлении железа из руды действием СО. СО образуется здесь при вдувании в домну воздуха, проходящего через раскаленный в домне кокс. Реакции идут последовательно: сначала С + О₂ = СО₂, а затем СО₂ + С = 2СО. Восстановление оксидов железа в свободное железо требует наличия некоторого избытка СО. Поэтому выходящий из доменной печи газ содержит 28-32% СО и как горючий газ используется в промышленном процессе для подогрева поступающего в домну воздуха. Чугун является возможным источником образования СО, т.к. содержит более 1,7% углерода. При переработке чугуна на сталь и на ковкое железо, например в мартеновских печах СО может выделяться и проникать в помещение цеха.

В литейных цехах различных производств при заливке расплавленного металла в формы, а также в ходе приготовления оболочек имеет место выделение СО как продукта неполного сгорания.

СО загрязняет воздух в кузнечных цехах, при ряде операций термической обработки металлов, а также в помещениях котельных. Опасаться отравления СО следует при обжиге кирпича, извести, шихты для производства цемента. Особо необходимо отметить загрязнение воздуха СО при работе двигателей внутреннего сгорания на автомобилях, тепловозах, тракторах. Всего в отработавших газах автомобиля обнаружено более 200 компонентов, из которых явно неядовиты только 5. До 1% СО содержит табачный дым. Так у горожанина курильщика в крови содержится 5% карбоксигемоглобина, а у некурящих рабочих – 1,5 %.

Диоксид углерода В отличие от монооксида углерода диоксид углерода образуется при полном окислении углеродсодержащего топлива, Атмосферный СО₂ находится в состоянии постоянного обмена с почвой, водами и живыми организмами, в результате чего создается постоянный кругооборот его в природе. Природными источниками поступления СО₂ в атмосферу являются – вулканические извержения, выветривание содержащих углерод горных пород, микробиологический распад органических соединений над почвой и в почве, дыхание животных и растений, лесные пожары. Выбросу СО₂ противостоят процессы его фиксации из атмосферы: фотосинтез растений, растворение в морской воде, накопление соединений, богатых углеродом и отложение богатых углеродом залежей горючих ископаемых.

Увеличение количества сжигаемого природного топлива с развитием индустриализации, особенно в течение последних 100-200 лет, привело к заметному повышению содержания СО₂ в атмосфере. Так, за период с 1860г. По 1978 г. Ежегодный прирост выделяемого углерода составил около 1 млрд. т. В результате интенсивной обработки земли и создания новых пашен идет быстрое разрушение слоя гумуса почвы и ускоренный переход углерода в атмосферу. К этому добавляется вырубка лесов, особенно ликвидация тропической растительности, в которой издавна накопились огромные запасы углерода. Эти вырубки в значительной мере способствуют нарушению равновесия между связыванием и выбросом углерода.

Попавший в атмосферу СО₂ остается в ней в среднем 2-4 года. За это время СО₂ повсеместно распространяется, входя в состав атмосферы. Влияние СО₂ выражается не только в токсичном действии на живые организмы, но и в способности поглощать ИК- лучи (вызывать «парниковый эффект»). Согласно такой модели при удвоении содержания СО₂ в атмосфере среднее глобальное увеличение температуры составляет 0,8- 2,9 ⁰С. В тропиках потепление меньше среднего глобального, в полярных зонах – больше. При удвоении содержания СО₂ в тропосфере изменение климата с повышением температуры становится вполне вероятным, если не происходит никаких компенсирующих процессов – усиленное поглощение и рассеяние излучения в стратосфере из-за загрязнений в виде пыли и аэрозолей.

Оксиды азота. Природные поступления оксидов азота в атмосферу связаны в основном с электрическими разрядами, при которых образуется NO, а в последствии – NO₂. В очень небольших количествах NO₂ может выделяться в процессе ферментации силоса. Основная часть NO_х перерабатывается в почве микроорганизмами, причем образуется N₂O.

Постоянный выброс NO_х за последние годы связан главным образом с развитием автотранспорта. Кроме того, тенденция к более полному использованию топлива также приводит к увеличению выбросов NO_х, так как повышение эффективности работы мотора связано сростом температуры.

Образующийся главным образом естественным путем N₂O безвреден для человека, что позволяет использовать его для наркоза. Его роль в загрязнении воздуха заключается в способности его при химических изменениях в стратосфере способствовать разрушению озона.

Роль NO и NO₂ оценивается совместно, так как в атмосфере эти газы встречаются только вместе. Эти газы в дальнейшем приходят в равновесие с N₂O₃ и N₂O₄. NO не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не чувствовать. При вдыхании NO образует с гемоглобином нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при этом Fe²⁺ переходит в Fe³⁺. Ион Fe³⁺не может обратимо связывать О₂ и, таким образом, выходит из процесса переноса О₂.

По мере удаления от источника выброса все большее количество NO переходит в NO₂. Этот последний желто-коричневый газ особенно сильно раздражает слизистые оболочки. При контакте с влагой в организме образуется азотистая и азотная кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких, подобно многим другим кислотам.