Лекция 9. Экологические проблемы, связанные с природным поступлением SO2 в атмосферу, производством серной кислоты, и способы их решения

В земной коре содержится 18,8∙10⁶ Гт серы, в том числе в осадочных породах 5∙10⁶ ГтS (главным образом в виде сульфатов и сульфидов), в почве – около 25 Гт S в органическом веществе, примерно на порядок больше входит в состав минеральных компонентов. Концентрация серы в организмах составляет 0,34-1,2 % сухого вещества; в состав живых орга­низмов входит около 9 Гт серы, из них 8,5 Гт приходится на биомассу суши и 0,15 Гт – на биомассу океана. В атмосфере содержится 0,0043 Гт S (из них 0,7 Мт H₂SO₄, 0,5 Mт SO₂, 2,3 Мт COS и 0,8 Мт остальных соединений серы). В океанах находится 1,3∙10⁶ Гт S благодаря высокой растворимости сульфатов (концентрация сульфатов в морской воде составляет около 2,7 г/л) и, как следствие, большого вклада их водной миграции в глобальную циркуляцию се­ры. Основное количество серы в настоящее время поступает из верхней мантии с вулканическими газами.

Природное загрязнение серой и ее соединениями носит комплексный характер и создается преимущественно вулканической деятельностью.

Из моря сульфаты (SO₄ ^2–) поступают в атмосферу в виде капель аэрозолей морской воды в количестве 0,16 Гт S/год, но только 0,024 Гт достигает континентов и осаждается там (остальное возвращается в море).

В составе вулканических газов в атмосферу поступает до 10 Мт серы в год, в основном в виде SO₂ и в меньшем количестве в виде H₂S и COS. Во время взрывных извержений возможен заброс SO₂ даже в стратосферу в количестве 0,75-3,75 Мт S в год.

В результате сжигания биомассы (древесины, травы) выделяется 2-3,5 Мт S/год.

По некоторым оценкам, биота континентов выделяет в атмосферу 4-15 Мт S/год. До недавнего времени полагали, что из почвы в атмосферу сера поступает только в соста­ве H₂S, но в почвенных выделениях обнаружены также летучие вещества: карбонилсульфид СОS, сероугле­род СS₂, метилмеркаптан СН₃SН и диметилсульфид СН₃SСН₃.

Современные вулканы сосредоточены на Земле вдоль определенных зон (поясов), характеризующихся высокой тектонической подвижностью. В этих поясах обычно происходят разрушительные землетрясения; тепловой поток из недр Земли здесь в несколько раз выше, чем в спокойных областях.

Наиболее крупным на нашей планете является Тихоокеанское огненное кольцо, где находится 526 вулканов. Из них 328 извергалось в историческое время. На нашей территории в Тихоокеанское огненное кольцо входят вулканы Курильских островов (40) и полуострова Камчатки (28). Наиболее активными по частоте и силе извержения являются вулканы Ключевской, Нарымский, Шивелуч, Безымянный, Ксудач.

Вулканические районы Земли

Второй крупный вулканический пояс протягивается через Средиземноморье, Иранское плоскогорье к Зондскому архипелагу. В его пределах находятся такие вулканы, как Везувий (Италия), Этна (полуостров Сицилия), Санторин (Эгейское море). В этот пояс попадают и вулканы Кавказа и Закавказья. На Большом Кавказском хребте высятся два вулкана Эльбрус (5642 м) и двухвершинный Казбек (5033 м). В Закавказье, на границе с Турцией, разместился вулкан Арарат с конусом, покрытым снежной шапкой. Немного восточнее в хребте Эльбурс, обрамляющем с юга Каспийское море, расположен красивейший вулкан Демавенд. Много вулканов (63, из них 37 действующих) в Зондском архипелаге (Индонезия).

Третий крупный вулканический пояс протягивается вдоль Атлантического океана. Здесь насчитывается 69 вулканов, из них 39 извергалось в историческое время. Наибольшее число вулканов (40) на острове Исландия, расположенном по оси подводного срединно-океанического хребта, причем 27 из них уже заявляли о своей активности в историческое время. Вулканы Исландии извергаются довольно часто.

Четвертый вулканический пояс относительно невелик по размерам. Он занимает Восточную Африку (40 вулканов, из них 16 действующих). Самый известный вулкан этого пояса Килиманджаро (высота 5895 м).

Проведенное в последние два десятилетия подробное изучение рельефа океанического дна показало, что на дне всех без исключения океанов имеется огромное число крупных вулканических построек. Особенно много их обнаружено на дне Тихого океана (рис.). Самой интересной особенностью большинства подводных вулканов является то, что вершины у них плоские. Ученые установили, что такие плоские вершины вулканов образовались тогда, когда эти вулканы выступали из воды. Волны размыли торчащий из воды конус, образовав почти ровную поверхность. Впоследствии дно океана погрузилось, и эти вулканы без вершин, называемые гийотами, оказались под водой.

Рис. Вулканы на дне Тихого океана

Вулканические газы поднимаются в атмосферу и обычно не причиняют вреда, однако частично они могут возвращаться на поверхность земли в виде кислотных дождей. Газ, выделяющийся из вулканов, на 50-85% состоит из водяного пара. Свыше 10% приходится на долю углекислого газа, ок. 5% составляет сернистый газ, 2-5% - хлористый водород и 0,02-0,05% - фтористый водород. Сероводород и газообразная сера обычно содержатся в малых количествах. Иногда присутствуют водород, метан и оксид углерода, а также небольшая примесь различных металлов.

Облако пепла и вулканические газы, поднимающиеся из кратера Пуу Оо (Гавайские о-ва)

Сернистый газ поднимается из кратера Халемаумау рядом с радугой

Озеро серной кислоты

В кратере вулкана Иджен на острове Ява, расположено большое горячее озеро серной кислоты, по берегам которого местные жители в нечеловеческих условиях добывают серу. В чаше из базальтовых серых стен расположено яблочно-зеленое озеро, над поверхностью которого тянутся сернистые шлейфы. Озеро находится на высоте 2 386 метров над уровнем моря. Глубина его не велика - 212 метров. По берегам вокруг черных отверстий, напоминающих раскрытые зевы чудовищ, отливают золотом валики серы. Такие же отверстия существуют в дне озера, поэтому его температура на поверхности составляет 60 градусов, а в глубине - свыше 200 градусов по Цельсию. Озеро хранит в своей чаше 40 миллионов тонн смеси концентрированных соляной и серной кислот. "Дуновение" газов с высоким содержанием сероводорода, сернистого ангидрида и соляной кислоты не позволяет подолгу находиться в этом месте. Пары вызывают острые приступы кашля, если не одевать на лицо маску. Тем не менее, в кратере вулкана вручную добывается сера для промышленных нужд. Носильщики серы набивают по 70 - 80 кг сырья в специальные корзины, неся их в одну ходку. Дневная зарплата работника - около 5 долларов. Средняя продолжительность жизни индонезийского добытчика серы составляет 30 лет.

Залежи серы на берегах озера вулкана Иджен

Естественные залежи серы

Добыча серы

Наибольшую опасность в вулканических газах представляет не диоксид серы, а углекислый газ. Так, в Камеруне на западном берегу центральной Африки расположено озеро Ниос, оно находится в кратере действующего вулкана. 21 августа 1986 года здесь случилась трагедия, погибли более 1 700 тысяч человек. Когда люди из соседней деревни пришли сюда, их поразила необычная тишина. Зайдя в первый же дом на углу рыночной площади, они с ужасом обнаружили мертвые тела. Люди нашли смерть в тот момент, когда занимались повседневными делами, готовили еду, стирали белье. Мертвые дети сидели за партами в школе. Положение тел и искаженное ужасом выражение лиц напоминало погибших при извержении вулкана в Помпеях.

Озеро Ниос. Камерун

Были и выжившие, но они находились в состоянии шока. Они рассказали о том, что около 9 часов вечера раздался звук, напоминающий раскаты грома. Селяне увидели яркий свет, идущий от озера, и почувствовали запах тухлых яиц, какой имеет сероводород. Пастухи, которые пасли скот на склоне, расположенном над озером, рассказали, что внезапно над озером поднялась волна высотой 25 м, а цвет воды изменился на ярко-оранжевый. Что же убило людей?
Через несколько дней в селение прибыли специалисты. Ученые обнаружили, что вся растительность вокруг была уничтожена, они увидели также трупы коров и коз. Все выжившие говорили о внезапном потеплении воздуха и запахе тухлых яиц, что, возможно, свидетельствовало об извержении. Однако никто не видел дыма и лавы.
Вскрытия трупов погибших на озере Ниос показали, что причиной смерти стал именно углекислый газ, селяне умерли от удушья и отравления углекислым газом. Между тем установлено, что Ниос выделяет 15 тонн газа в день. Но по расчетам, чтобы убить 1 700 человек нужно 1 750 000 тонн газа. Геологи установили, что в трагический день не было извержения, как можно было бы предположить.
Глубина озера Ниос достигает 200 м, на глубине под высоким давлением растворено до 2 миллионов тонн газа, накопившегося там за 300 лет. Из-за высокой температуры воздуха в этом экваториальном районе газ не выделяется из воды в воздух. Именно поэтому он накапливался в озере в течение долгих лет, особенно в нижних слоях воды.
21 августа 1986 года произошло обрушение одной из скал, нависших над озером, она вытолкнула газ из глубины на поверхность. Облако углекислого газа заполнило кратер, перевалилось через край и начало стелиться по земле, так как углекислота тяжелее воздуха. Облако быстро достигло деревни, жители которой попросту задохнулись.

В 2006 году вулканический газ стал причиной трагической гибели трех туристов на Мамонтовых озерах в Калифорнии. Небольшой городок расположен в кратере действующего вулкана Лонгвелли. Здесь в воздухе всегда висят клубы газа, наиболее часто происходят выбросы смеси, состоящей из водяного пара, углекислоты и сернистого газа. Озеро Хоршу расположено неподалеку от городка Мамонтовы озера. На его берегах среди горных пород преобладает пемза, через ее поры из недр выходят вулканические газы. В начале 90-х годов на северных берегах озера начали погибать деревья. Было установлено, что причиной их гибели стала необычайно высокая концентрация углекислого газа в воздухе. Каждый день воды Хоршу выделяют около 100 тонн углекислого газа. Этот газ тяжелее воздуха и вытесняет кислород. Обычная концентрация углекислоты в воздухе 35-тысячных процента. При концентрации в 1% начинается головная боль, головокружения, галлюцинаиии. При концентрации 35% потеря сознания и смерть наступает в течение нескольких минут.

Мировое производство серы оценивается в 53 Мт/год (1984); около 50% ее используется в производстве серной кислоты, около 25% для производства сульфитов, 10-15% для борьбы с вредителями сельхоз культур, около 10% – как вулканизирующий агент в производстве резины.

Окси́д се́ры (IV) (диокси́д се́ры, се́рнистый газ, се́рнистый ангидри́д) — SO₂. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). Под давлением сжижается при комнатной температуре. Растворяется в воде с образованием нестойкой се́рнистой кислоты; растворимость 11,5 г/100 г воды при 20 °C, снижается с ростом температуры. Растворяется также в этаноле, се́рной кислоте.

Помимо вулканов к природным (естественным) источникам диоксида серы относят лесные пожары, морская пена и микробиологические превращения серосодержащих соединений. Выделяющийся в атмосферу диоксид серы может связываться известью, в результате чего в воздухе поддерживается его постоянная концентрация. Годовое поступление диоксида серы от естественных источников составляет от 70-100 млн. тонн. Диоксид серы антропогенного происхождения образуется при сгорании угля и нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд (сульфиды), при различных химических технологических процессах. Большая часть антропогенных выбросов диоксида серы (около 87%) связана с энергетикой и металлургической промышленностью. Общее количество антропогенного диоксида серы, выбрасываемое за год превышает его естественное образование в 2-3 раза. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса.

Поведение в атмосфере.
Время пребывания диоксида серы в атмосфере в среднем исчисляется двумя неделями. Этого времени мало для того, чтобы газ мог распространиться в глобальном масштабе. Поэтому, в соседних географических районах, где осуществляются как большие, так и умеренные выбросы диоксида серы, в атмосфере может наблюдаться большое различие концентраций диоксида серы. Легкорастворимый в воде, образующий кислоту газ, может разноситься мощными потоками воздуха на сотни километров (до 1500 км). При этом в облаках идет реакция образования кислот и возможно выпадение кислотных дождей. Во время переноса диоксида серы и другие кислотные выбросы лишь в очень малой степени теряют свою активность. Нейтрализация происходит только в том случае, если в воздухе одновременно с диоксидом серы находится пыль, содержащая гидроксиды щелочных и щелочноземельных элементов. Атмосфера очищается, главным образом, при вымывании кислых газов водой и снегом, а также при их «сухом» осаждении, т.е. в виде самого газа или адсорбированного на мельчайших частицах пыли. Кроме того, диоксид серы растворяется в мельчайших капельках тумана, которые после осаждения также относят к сухой части загрязнений. Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, зарубежной Европы, европейской части России, Украины. В южном полушарии оно ниже.

Загрязнение воздуха промышленных городов РФ сернистым газом

При сжигании твердого топлива в котлах ТЭС образуется большое количество золы, диоксида серы, оксидов азота. Например, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5-6,0 % серы и 30-50 % золы. Материальный баланс современной угольной ТЭС показан на рис. Перевод котлов на жидкое топливо (мазут) существенно уменьшает образование золы, но практически не снижает выбросы диоксида серы, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат 2 % и более серы.

Дата добавления: 2014-01-20