Кислотные дожди
Кисло́тные дожди́ — повышение кислотности среды, вызывающей гибель рыбы и лесов, подкисление почв, коррозию сооружений и домов[1]. Термин «кислотный дождь» впервые был использован в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии» шотландского химика Роберта Смита в 1872 году. Согласно Национальному стандарту РФ ГОСТ Р 59061-2020 «Охрана окружающей среды. Загрязнение атмосферного воздуха. Термины и определения» кислотный дождь — дождь, водородный показатель (pH) которого менее 5,6[2].
Кислотные дожди — одна из самых больших современных экологических проблем. Высокие концентрации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, их миграция и участие в фотохимических реакциях в атмосферном воздухе приводят к образованию более токсичных веществ, являющихся причиной таких явлений как кислотные дожди, смог, парниковый эффект и образование озоновой дыры.
Кислотные дожди стали очень распространённым явлением, причём они могут выпадать на расстоянии многих сотен и тысяч километров от источников первичного выброса загрязняющих веществ. Выпадение кислотных дождей на поверхность Земли происходит двумя способами: вымыванием кислотных веществ из атмосферы и выпадением осадков. Во время образования облаков и осадков при условии перенасыщенности воздуха водяным паром (более 100 %) капли облаков, промывая слои атмосферы, выпадают на поверхность Земли[3].
Состав кислотных дождей[править]
Кислотный дождь появляется в результате взаимовлияния различных сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы) вследствие дисбаланса в них круговорота веществ. Эти вещества могут попадать из атмосферы не только с влажными осадками, но и «сухим» способом — выпадением образованных дисперсных частиц (седиментация). Поэтому понятие «кислотный дождь» включает влагу (различные осадки или именно дождь) и сухую седиментацию (частички пыли).
При анализе соединений, вызывающих образование кислотных дождей, необходимо учитывать не только антропогенные источники, но и естественные источники, такие как лесные массивы, потому что они в процессе газообмена выделяют значительное количество органических веществ[4]. Имеет значение и степень урбанизации отдельных регионов, например, выделяющийся аммиак, может существенно влиять на нейтрализацию кислотных компонентов.
Анализ химического состава кислотных дождей показывает, что основными их компонентами являются соединения серы и азота (сульфатная и нитратная кислоты), аммиак, органические кислоты и летучие органические соединения, некоторые галогеноводородные кислоты[5].
Сера и её соединения[править]
Соединения серы попадают в атмосферу частично естественным путем (через поверхность суши, океанов, морей), а частично антропогенным (таблица 1)[6].
Количество выбросов серы, млн. т/год | ||
Природные:
|
|
|
Антропогенные | ||
Всего |
Источниками естественной эмиссии серы являются:
1. Процессы разрушения биосферы — с помощью анаэробных микроорганизмов (действуют без участия кислорода) происходит разрушение органических веществ, из-за чего сера, которую они содержат, образует газообразные соединения. Выделение серы биологическим путем не превышает 30 — 40 млн т/год, что составляет 1/3 всего количества выделяемой серы.
2. Вулканическая деятельность, вследствие которой в атмосферу (а более всего в тропосферу) попадает двуокись серы, сероводород, сульфаты и элементная сера. Таким образом, это составляет около 2 млн т серосодержащих соединений в год.
3. Поверхность океанов — при испарении капель воды в атмосферу остается морская соль, содержащая помимо капель натрия и хлора соединения серы — сульфаты (итого 50—200 млн т серы в год). Из этих сульфатов не может образоваться серная кислота, поэтому их влияние распространяется только на регулирование образования облаков и осадков.
Значительное количество соединений серы, преимущественно в виде двуокиси серы, попадает в атмосферу вследствие хозяйственной деятельности человека. Источниками антропогенного образования серы являются:
· сжигание угля;
· металлургическая промышленность;
· предприятия по производству серной кислоты;
· переработка нефти;
· сжигание мазута;
· транспорт.
Таким образом, в атмосферу ежегодно попадает 60—70 т серы[7].
Соединения азота[править]
В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, из которых наиболее распространённой является закись азота N2O, нейтральная в нижних слоях атмосферы. В то же время в воздухе есть кислотные оксиды азота, например, оксид азота NO и двуокись азота NO2.
Состав кислотных оксидов азота:
- закись азота — N2O;
- оксид азота — NO;
- азотистый ангидрид — N2O3;
- двуокись азота — NO2.
При нормальных атмосферных условиях учитывают лишь оксид, двуокись и закись азота, которые в результате реакций в атмосфере образуют азотистую кислоту. Если азотная кислота, находящаяся в воздухе, нейтрализуется, то образуется азотно-кислая соль, находящаяся в атмосфере в виде аэрозолей[6].
Природные и антропогенные источники соединений азота, содержащиеся в атмосфере, приведены в таблице 2[7].
Природные:
|
|
|
Антропогенные:
|
|
|
Всего |
Аммиак[править]
Аммиак, имеющий свойство в водном растворе вступать в щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, поскольку он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения. Источником атмосферного аммиака является почва, разложение мочевыделений животных, внесение удобрений, производство и сжигание угля (таблица 3)[8].
Отходы деятельности человека | |
Производство удобрений | |
Использование сжиженного аммиака | |
Промышленный синтез аммиака | |
Нефтепереработка | |
Транспорт | |
Топливное оборудование | |
Производство кокса | |
Всего |
Летучие органические соединения[править]
Летучие органические соединения имеют следующий состав:
- алканы 50 % (пропан, бутан);
- олефины 23 % (этилен, пропилен и другие);
- ароматические углеводороды 18 % (бензол, ксилол);
- альдегиды и кетоны 8 % (формальдегид, ацетон и другие).
Их выбросы составляют 43,8 млн т/год и поступают в атмосферу из природных источников. В органические кислоты трансформируется ~ 5—10 % олефинов, которые попадают в атмосферу с выбросами. В городских местностях количество органических кислот в осадках увеличивается, что обусловлено значительно большими количествами диоксида азота и летучих органических соединений в городах[9].
Выбросы катионов щелочных и щелочноземельных веществ осуществляются, в основном, из природных источников, чаще при эксплуатации дорог без покрытий и грунтов. К промышленным источникам относят: производство магния, стали, чугуна, добыча угля и минералов, изготовление и использование цемента и бетона, сульфатная варка целлюлозы, изготовление керамических изделий. Они существенно влияют на кислотность осадков, нейтрализуя их.
Галогеноводородные кислоты[править]
Хлорид и фторид водорода образуются в основном во время сжигания угля, при производстве пропиленоксида, металлического алюминия, фторида водорода и фосфатных удобрений. В атмосферу ежегодно выбрасывается примерно 1,2 млн т хлорида водорода (HCl) и 0,16 млн т фторида водорода (HF), которые в результате реакций с гидроксильным радикалом НО● превращаются в кислоты — соляную (HCl) и плавиковую кислоты(HF).
Процессы образования кислотных дождей в атмосфере[править]
Все происходящие процессы в атмосфере можно разделить на следующие группы:
- перенос выбросов ветром в участок осадков одновременно с незагрязненным воздухом;
- химические и физические процессы в газовой среде, приводящие к изменениям концентрации и химического состава воздушного потока;
- поглощение веществ антропогенного происхождения облаками и каплями дождя, их химические реакции в жидкой фазе и выпадение загрязнений в виде осадков;
- сухое выпадение (адсорбция на почве, кронах деревьев).
Многие этапы процессов, происходящих в атмосфере, могут быть также и обратными, вследствие чего молекула загрязняющего вещества может претерпевать несколько циклов трансформации до достижения ею поверхности Земли. Превращение диоксида серы, оксидов азота и летучих органических соединений в соответствующие кислоты происходит вследствие химического превращения в атмосфере. Хлорид и фторид водорода попадают в состав кислотных дождей без химического превращения[10].
Атмосферу можно рассматривать как большую окислительную систему с высоким содержанием основного окислителя — кислорода. Поэтому при поступлении в атмосферу соединения, которые в своём составе содержат атомы серы, азота, углерода, водорода, превращаются в «долгоживущие» компоненты (например, диоксид углерода) или «краткоживущие» продукты кислотного характера, например, оксиды серы и азота, которые принимают участие в образовании кислот и выводятся из атмосферы в виде кислотных дождей. В этих химических превращениях загрязняющих атмосферу веществ, кроме кислорода принимают участие озон, гидроксильный радикал (НО●), гидропероксидный радикал (НО2●), органические пероксиды (ROO●) и пероксид водорода (Н2О2). Все они образуются вследствие свободнорадикальных реакций, происходящих в атмосфере. Характер протекания окислительных реакций способствует образованию кислотных дождей[1].
Наибольшей реакционной способностью к реакциям окисления обладают озон, гидроксильный и гидропероксидный радикалы. Они вступают в реакцию с диоксидом серы и оксидом азота, превращая их в кислоты:
Образованные неорганические кислоты (сульфатная — серная и нитратная — азотная) удаляются из атмосферы осадками. Кроме того, может образовываться сульфитная кислота, но время её нахождения в атмосфере недолгое, вследствие окисления её до сульфатной кислоты кислородом воздуха, особенно в присутствии NO2 как катализатора:
В процессе протекания атмосферных свободнорадикальных реакций, кроме нитратной и сульфатной кислот, образуются и органические кислоты — преимущественно муравьиная и уксусная. Источниками их образования являются летучие органические соединения, а реакцию катализирует диоксид азота[11].
Шлейф осадков кислотных дождей распространяется по направлению ветра на десятки и сотни километров от источников выбросов оксидов серы и азота. Особенно высокие концентрации кислот наблюдаются на расстоянии 25—40 км от источников загрязнения атмосферы. Однако исследования подтверждают, что 25—30 % SO2 и 15—25 % NO2 переносятся ветром от промышленных зон на расстояния более 200 км.
Воздействие кислотных осадков на окружающую среду[править]
Объектами вредного воздействия кислотных дождей являются все процессы и предметы, на которые влияет изменение рН среды, то есть изменение концентрации ионов водорода (рН). Это касается также и живых организмов, поскольку большинство биологических процессов чувствительны к изменению рН.
Вредные воздействия можно сгруппировать в зависимости от направленности действия — на предметы (разрушение памятников и домов, коррозия металлических предметов) или на живых существ (людей, растений и животных). В радиусе примерно 100 км от выброса загрязняющего вещества наблюдаются прямые местные воздействия локального значения[12].
Уровень кислотности отражается и на состоянии пресных вод и лесов. Конечно, воздействия бывают косвенными, то есть опасность составляют не сами осадки, а процессы, происходящие под их действием. В некоторых случаях (в почве, воде, иле) в зависимости от кислотности могут возрасти концентрации тяжёлых металлов, поскольку в результате изменения рН изменится их растворимость. С питьевой водой и животной пищей в организм человека также могут попасть токсичные металлы. Если под действием кислотности изменяется структура почвы, её биохимический состав, то это может вызвать гибель растений.
Косвенные воздействия — воздействие на леса и почвы. Кислотные дожди воздействуют либо через почву и корневую систему, или непосредственно (в основном — на листья).
В отличие от вод, почва имеет способность к выравниванию кислотности среды, то есть до определённой степени она предотвращает увеличение кислотности, в зависимости от химических и физических свойств слоёв почвы. Например, осадки, содержащие соединения азота, сначала благоприятствуют росту деревьев, однако затем они перенасыщаются, что приводит к вымыванию нитрата, а следовательно, к окислению почвы.
Вода, стекающая с листьев, увеличивает кислотность почвы. Ионы водорода, которые попадают в почву, могут замещать его катионы, в результате чего происходит или выщелачивание кальция, магния, калия, или их концентрация в обезвоженной форме. Тяжёлые металлы, растворённые в почве, могут привести к гибели растений; гибнут самые чувствительные к окислению существа (микроорганизмы, почвы, грибы, дубы). Растения, принимая ион аммония, отдают ионы водорода в почву, что также вызывает её окисление[13].
Значительный вред окружающей среде наносит и окисление пресных вод, которое может повлечь потерю их способности к нейтрализации.
Процесс окисления поверхностных вод состоит из трёх фаз:
- Уменьшение количества ионов гидрокарбоната — снижение способности к нейтрализации при неизменном значении рН.
- Снижение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната — самые слабые виды животных начинают умирать.
- При рН = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В такой среде способны жить только некоторые виды насекомых, растений, планктоны животных и белые водоросли.
Непосредственные (прямые) воздействия — растения погибают на расстоянии нескольких десятков километров от источника загрязнений. Основной причиной является диоксид серы, который адсорбируется на листьях и принимает участие в различных окислительных процессах. Воздействие на растения может иметь такие формы: генетические, видовые изменения, причинение непосредственного вреда[14].
Кислотные атмосферные вещества наносят значительный вред, приводя к снижению урожайности и уничтожению растительности. Наименее устойчивыми к непосредственному загрязнению являются хвойные деревья (ель, лиственница и пихта), а также бук, граб и тис.
Прямые воздействия на человека. Установлена зависимость между уровнем заболеваемости (смертности) и степенью загрязнения региона. Статистические данные свидетельствуют, что такие заболевания, как псевдокруп (ложный круп), осложнения у младенцев, заболевания верхних дыхательных путей, онкологические и сердечно-сосудистые болезни вызваны ростом загрязнений. Физиологические исследования подтвердили, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ, хотя каждое вещество имеет предельно допустимые значения[15].
Коррозия металлов, домов и памятников. Причиной разрушения металлов является увеличение концентрации ионов водорода на поверхностях металла, от которой зависит его окисление. В загородных зонах скорость коррозии металла — несколько микрометров в год, а в городах — 100 мкм в год и выше. Коррозия разрушает конструкции мостов, резервуаров, линии электропередач, машинное оборудование, транспорт. Памятники и скульптуры, построенные из песчаника и известняка, уничтожаются вследствие действия кислотных дождей, так как карбонат калия, который они содержат, легко растворяется и превращается в сульфат кальция (гипс), который вымывается дождевой водой[16].
Влияние на стойкость покрытия. Большинство красок, а также латексы пропускают газ и влагу, поэтому при повреждениях возможны гидрометрические и окислительные преобразования покрытия, что будет вызывать изменение их прочности и хрупкости. Кислотные дожди, попадая на грань между краской и покрытием, ускоряют процесс отслаивания; наполнители быстрее вымываются под действием УФ-излучений.
Снижение видимости часто связано с загрязнением атмосферы веществами антропогенного происхождения — диоксидом серы и азота, летучими органическими соединениями, сажей, минеральной пылью и тому подобное. Механизм их действия разный: диоксид серы переходит в сульфаты, мелкие частицы при наличии влаги коагулируются; оксиды азота поглощают свет в «синей» области спектра и приводят к пожелтению предметов.
Способы защиты от кислотных дождей[править]
- Снижение содержания серы в различных видах топлива[10]
Оптимальным является применение малосернистых (содержание серы менее 1 %) нефтепродуктов и угля, однако их очень мало (20 % мировых запасов нефти). Поэтому для устранения серы необходимо применять определённые меры. В частности, в результате очистки мазута от серы можно удалить только от 1/3 до 2/3 серы. При очистке угля, которое происходит под воздействием высоких температур и давления — а это очень дорогой процесс, — устраняют лишь 50 % серы. Проводят исследования и новых физических методов очистки угля, например, многоэтапная флотация, электростатическое разделение, масляная агломерация, которые обеспечивают удаление до 90 % всей пиритной серы и до 65 % от общего количества серы. Полная очистка от серы возможна в результате устранения связанной органической серы методами химической очистки (обработка угля специальными химическими реагентами или растворителями под давлением) и микробиологической очистки угля (некоторые бактерии и грибки поглощают серу). Для очистки высокосернистой нефти применяют химические методы: каталитическую гидрогенизацию и специальные химические присадки (пирролин, дисульфурол, бюхазин, корит и другие)[17]..
- Применение высотных труб уменьшает непосредственное воздействие, но возрастает эффективность перемешивания, что увеличивает вероятность возникновения кислотных дождей.
- Технологические изменения. Обнаружено, что чем ниже температура горения, тем меньше возникает оксида азота и сокращается время пребывания топлива в участке горения, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов[18].
Кроме того, серу связывает поток негорючего вещества, направленного в участок горения, что приводит к снижению температуры горения, а следовательно, количества оксида азота. Очистка конечных газов от серы барботированием через раствор известняка позволяет получить сульфит или сульфат кальция.
- Известкование — добавление щелочных веществ, которые быстро растворяются в озёрах и почвах, чтобы образовавшиеся щёлочи нейтрализовали кислоты. Однако этот метод имеет ряд недостатков: происходит значительное нарушение химического и биологического равновесия вод и почв, не удаётся устранить все вредные последствия окисления, невозможно устранение тяжёлых металлов.
- Замена погибших популяций животных и растений новыми, которые легче переносят окисление.
- Обработка памятников культуры специальной защитной глазурью.
В настоящее время более 80 % средств, которые выделяют на природоохранные цели, используют для устранения уже имеющихся вредных воздействий, хотя, прежде всего, нужно устранять причины их образования. Зимой вблизи ТЭС и металлургических заводов иногда выпадает кислотный снег, который ещё опаснее дождя, так как содержит 4 — 5-месячную дозу загрязнений, а во время его таяния весной происходит процесс концентрации вредных веществ, поэтому талая вода иногда содержит в десять раз больше кислот, чем снег.
В некоторых странах уже наблюдают вредные последствия действия кислотных дождей. Так, в Швейцарии засыхает 1/3 лесов, 69 % буковых и тисовых деревьев в Великобритании усыхают сверху, в Швеции 18 тыс. озёр отравлено, из них в 9 тыс. рыба уже вымерла.
Всемирная метеорологическая организация создала глобальную измерительную сеть, исследующую кислотность, химический состав атмосферных осадков, атмосферные параметры (загрязнения атмосферы двуокисью углерода, соединениями серы и азота, частицами аэрозоля и тому подобное). Одной из основных задач этой системы являются определение влияния долгосрочного изменения химического состава атмосферы на климат Земли и исследования кислотной седиментации[19].
Источники[править]
- ↑ 1,0 1,1 Карлович И. А. Природа парниковых газов и кислотных дождей : учеб. пособие. — Владимир: ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, 2023. — С. 95—104.
- ↑ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии ГОСТ Р 59061-2020 Охрана окружающей среды. Загрязнение атмосферного воздуха. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2020. — С. 3. — 16 с.
- ↑ «Кислотные осадки как следствие антропогенного фактора».
- ↑ «Кислотные осадки — антропогенная деятельность: экологические проблемы».
- ↑ «Кислотные дожди».
- ↑ 6,0 6,1 Толпешта И. И. Методологические подходы к расчету критических нагрузок на экосистемы соединений азота и серы. Учебно-методическое пособие. — Тула, 2014. — С. 11—17, 20—22.
- ↑ 7,0 7,1 Комов В. Т. Причины и последствия антропогенного закисления озёр. Курс лекций. — Нижний Новгород: Вектор-Тис, 2007. — С. 14—26.
- ↑ «Доклад об оценке по аммиаку».
- ↑ «Загрязнение воздуха летучими органическими соединениями».
- ↑ 10,0 10,1 Влияние кислотных осадков на состояние поверхностных водоёмов / Сост. С. С. Мартынюк, Н. В. Сидорская, Ю. С. Лободенко. — Минск: БНТУ, 2010. — С. 4—9.
- ↑ Гришина Е. П. Основы химии окружающей среды. Часть 1. Химические процессы в атмосфере. — Владимир: Владим. Гос. Ун-т, 2005. — С. 28—33.
- ↑ «Влияние кислотных осадков на окружающую среду».
- ↑ Середина В. П. Загрязнение почв : учебное пособие. — Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2015. — С. 230—235.
- ↑ «Проблема «кислотных осадков» на Южном берегу Крыма и их влияние на растительный мир».
- ↑ «Кислотные дожди как опасный фактор для здоровья человека».
- ↑ Губашева А. А. Кислотные дожди как аспект воздействия на памятники культуры и архитектуры. Молодой учёный (2022-02-12). Проверено 29 июля 2024.
- ↑ Середина В. П. Загрязнение почв : учебное пособие. — Томск: Издательский Дом Томского государственного университета., 2015. — С. 268—273.
- ↑ Бердникова Л. Н Ноксология: курс лекций. — Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т, 2019. — С. 182—193.
- ↑ Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2022 год / Ответственный редактор: д.г.н., проф. Г. М. Черногаева. — Москва: Росгидромет, 2023. — С. 53—69.
![]() | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Кислотные дожди», расположенная по следующим адресам:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
---|