Химический состав антропогенных загрязнений

Вопрос 6

Наибольшее количество загрязнений антропогенного происхождения попадает в атмосферу в результате сжигания различных видов топлива, основу которого составляют органические вещества — нефть и нефтепродукты, каменный и бурый угли, горючие сланцы, газ, дрова, торф. Кроме основных горючих компонентов — восстановленных углерода и водорода, дающих при соединении с кислородом в процессе горения углекислый газ и воду, все они, кроме газа, содержат негорючие минеральные примеси, образующие при сгорании топлива пылевые частицы различного состава, или горючие вещества, например серу, дающие окислы, которые в больших концентрациях могут быть достаточно опасны. Кроме того, в высокотемпературном пламени частично окисляется азотвоздуха, добавляя к выбросам окислы азота. Наиболее чистое топливо — газ, как природный, так и получаемый при переработке нефти или в процессах метанового брожения органических веществ. Больше всего минеральных частиц образуется при сжигании горючих сланцев, бурого угля и торфа. Использующие эти виды топлива тепловые электростанции выбрасывают в атмосферу особенно много загрязнений.

Для уменьшения концентрации вредных примесей в приземном слое воздуха котельные тепловых электростанций и крупных промышленных предприятий оборудуют высокими, до 100-200 и более метров, дымовыми трубами. Чем в более высокие слои воздуха выбрасываются загрязнения, тем ниже их концентрация в приземном слое, но на тем большую площадь они рассеиваются. Крупные промышленные центры создают сверхфоновую концентрацию взвешенных частиц, окислов серы и азота, окиси углерода на десятки километров вокруг себя, а при устойчивом ветре постоянного направления — и на сотни километров.

Кроме создания концентрации загрязнений, многократно превышающей фоновую для природных примесей, промышленность и транспорт выбрасывают в воздух множество веществ, вообще не встречающихся в природных примесях. К таким веществам у живых организмов нет выработанных эволюцией механизмов обезвреживания или использования. Некоторые из них высокотоксичны, например многие промежуточные продукты химических производств. Аварийный выброс одного из таких веществ, диоксана, на химическом заводе в городе Бхопал в Индии в начале 80-х годов привел к гибели и серьезным отравлениям нескольких тысяч человек. Постоянные выбросы производственной пыли, содержащей бактериальные белки, на некоторых биохимических производствах приводили к распространению среди живущего поблизости населения острейших аллергических заболеваний.

Десятки миллионов двигателей внутреннего сгорания, работающих на всех видах транспорта, выбрасывают в атмосферу огромные количества окислов азота и серы, особенно дизельныедвигатели, использующие дешевое «тяжелое» топливо. Автомобильные моторы выбрасывают также много продуктов неполного сгорания углеводородов, многие из которых обладают высокой канцерогенной активностью, и окиси углерода — угарного газа. В больших городах и вблизи автомагистралей основной источник загрязнения приземных слоев воздуха — автотранспорт.

Вклад сельского хозяйства в загрязнение воздуха относительно невелик, хотя в тех случаях, когда не налажена переработка отходов животноводства, в воздух попадает значительное количество летучих органических соединений азота и серы, которые создают устойчивый неприятный запах и небезразличны для здоровья людей. Но если эти загрязнения оказываются существенными только в отдельных местах, то загрязнения от промышленности, энергетики и транспорта настолько значительны по объему, что влияют не только на сугубо местные условия, но иногда способны изменить весь ход биосферных процессов.

В общей массе антропогенных загрязнений воздуха наиболее значительную долю составляют окислы углерода. Большая часть углерода различных видов органического топлива окисляется до двуокиси углерода, меньшая — до окиси углерода, или угарного газа. Количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу промышленностью, транспортом, тепловыми электростанциями и системами отопления, превышает 7 миллиардов тонн в год, или более 2 миллиардов тонн в расчете на углерод.

Это всего около 2% от массы углерода, поступающего из естественных источников и связываемого растениями в процессе фотосинтеза. Однако эти добавочные 2% оказываются в значительной мере избыточными и не успевают связываться растениями планеты. Дело тут, очевидно, не столько в возможностях самого процесса фотосинтеза, который в нормальных условиях существования растений активируется при повышении концентрации углекислого газа и автоматически мог бы привести концентрацию С0₂ в состояние исходного равновесия. Изымается из круговорота углерода, что ведет к снижению концентрации С0₂ в воздухе, только углекислый газ, который связывается водными организмами, строящими свои скелеты из углекислого кальция, и вошедший в восстановленном виде в состав органического вещества, «захораниваемого» в обширных болотах самого разного типа. Осушение болот, повышение кислотности вод, ведущее к разложению карбонатов, подавление фотосинтеза разнообразными загрязнениями — вот только некоторые причины нарушения равновесия между поступлением в атмосферу углекислого газа и его связыванием. В результате в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция повышения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Так, болота только Западной Сибири ежегодно связывают в виде торфа и захораниваемой под слоем воды древесины не менее 50 млн. тонн углерода или 180 млн. тонн углекислого газа.

Именно общая концентрация углекислоты в атмосфере имеет наибольшее значение, поскольку этот газ эффективнее всех других «парниковых» газов экранирует тепловое излучение Земли, и повышение его содержания в атмосфере ведет к повышению средней температуры поверхности планеты. И для растений, и для животных углекислый газ становится вредным в значительно более высоких концентрациях, чем те, которые обычно встречаются даже в экстремальных условиях горячих цехов и плохо проветриваемых помещений. Окись углерода (угарный газ), напротив, очень токсична даже в небольших концентрациях, поскольку она прочно связывается с гемоглобиномкрови, лишая его способности переносить кислород. Опасные концентрации окиси углерода могут возникать не только при неправильной топке печей или в некоторых производственных помещениях, но и на улицах городов при отсутствии ветра и обилии автотранспорта. Содержание СО₂ в выхлопе считается одним из важнейших показателей качества регулировки автомобильного двигателя.

Наиболее распространенные соединения азота антропогенного происхождения — его окислы, от закиси до двуокиси азота, образующиеся при сжигании любого топлива в потоке воздуха. При температуре пламени азот воздуха частично окисляется, связываясь с кислородом. Чем выше температура пламени, тем, как правило, выше КПД устройства, преобразующего тепловую энергию, что повышает экономичность соответствующей технологии и способствует ее внедрению в практику. Но чем выше эта температура, тем больше в топке образуется окислов азота. И хотя такое окисление азота делает его доступным для растений, полезные или хотя бы безвредные концентрации этих окислов в воздухе много ниже тех, которые возникают в зоне выпадения осадков крупных промышленных центров. Растворяясь в каплях тумака, в дождевой воде, окислы азота образуют азотную и азотистую кислоты, которые в значительной мере определяют кислотность дождей и могут серьезно повлиять на равновесие в экосистемах.

Многие виды топлива содержат в некотором, иногда значительном, количестве серу. Образующиеся при сжигании такого топлива окислы хорошо растворяются в атмосферных осадках, образуя слабые серную и сернистую кислоты. Действуя вместе с азотной и азотистой кислотами, они обусловливают иногда очень высокую, вплоть до рН 2,0, кислотность осадков и являются причиной «кислых дождей», сильно обеднивших экосистемы многих озер и рек Европы и Северной Америки. Ливневые дожди оказываются менее кислыми, чем слабые моросящие. Это естественно — при той же исходной концентрации окислов в воздухе, в последнем случае они растворяются в меньшем количестве воды. Такие слабые дожди, проходящие в подветренной по отношению к крупным промышленным центрам стороне, иногда вызывают повреждение листьев растений, снижают их устойчивость к вирусным и грибковым заболеваниям. В самих промышленных центрах, многочисленные дымовые трубы которых выбрасывают особенно много окислов азота и серы, слабые моросящие дожди иногда оказываются настолько кислыми, что повреждают не только городскую растительность, но и некоторые виды синтетических тканей одежды людей, вызывают сильное раздражение дыхательных путей и кожи, ускоряют коррозию металлических конструкций и разрушают мраморные скульптуры и детали произведений архитектуры многих исторических памятников, например в Италии.

Особую категорию загрязнений воздушного бассейна составляют вещества, не свойственные природным экосистемам и потому особенно опасные как для их состояния, так и непосредственно для здоровья человека. Среди них есть как неорганические, так и органические вещества. Например, чистый хлор, широко применяемый в ряде химических производств, в природе, за исключением незначительной примеси в вулканических газах, не встречается. Хлор ядовит, к тому же он имеет большую, чем воздух, плотность, и при авариях или утечках «растекается» по поверхности, скапливаясь в понижениях рельефа. Человека, если опасность утечки хлора учтена заранее, может спасти противогаз, а животные и растения оказываются беззащитными.

Развитие химической промышленности, в частности органического синтеза, привело к тому, что в природную среду попадает ежегодно 2-3 тысячи новых веществ, никогда прежде не существовавших в природе. Среди них есть и относительно безвредные, и такие высокотоксичные, как уже упоминавшийся в связи с трагедией в Бхопале диоксан.

Многие высокомолекулярные вещества, попадающие в природную среду при работе химических и биохимических производств, в частности микробные белки, обладают высокой аллергенной активностью и способны вызывать массовые аллергические заболевания у людей, живущих в зоне распространения таких выбросов.

Хотя для некоторой части низкомолекулярных органических веществ техногенного происхождения установлены относительно безопасные концентрации в воздухе, взаимодействие нескольких вредных веществ, каждое из которых присутствует в как будто бы безвредных концентрациях, может вести к заметным нарушениям здоровья людей и разрушительно влиять наэкосистемы. Ввиду обилия самых различных загрязнений в воздушном бассейне крупных городов, особенно имеющих мощные химические производства, механизмы их взаимоусиливающего действия очень слабо изучены. Однако анализ заболеваемости людей в таких промышленных центрах часто позволяет однозначно определить высокий уровень вредности того «коктейля» вредных веществ, который содержится в воздухе этих городов.

Дата добавления: 2013-12-13