Классификация загрязняющих природную среду веществ

Загрязняющие атмосферу вещества по их воздействию на организм человека подразделяются на физические и химические. К физическим относятся: а) радиоактивные элементы, являющиеся источником ионизирующей радиации; б) тепловое загрязнение (повышение температуры); в) шумы и низкочастотные вибрации (инфразвук); к химическим — а) газообразные производные углерода и жидкие углеводороды; б) моющие средства, в) пластмассы: г) пестициды и другие синтетические вещества; д) производные серы; е) производные азота; ж) тяжелые металлы; з) соединения фтора; и) твердые примеси; к) органические вещества.

По условиям образования все вещества, загрязняющие атмосферу, делятся на примеси естественного и искусственного (антропогенного) происхождения.

Примеси антропогенного происхождения образуются прежде всего в процессе сжигания ископаемого топлива (в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в отопительных системах), а также при сжигании промышленных и бытовых отходов, ядерных взрывов и др.

По составу примеси, поступающие в атмосферу, подразделяются на газообразные, твердые и жидкие. При этом на долю газообразных веществ (оксид углерода, диоксид и другие производные серы, углеводороды, оксиды азота, органические соединения) приходится около 90 %, а на долю твердых (пыль, тяжелые металлы, минеральные и органические соединения, радиоактивные вещества) – около 10%; масса жидких примесей (серная кислота) мала по сравнению с массой газообразных и твердых. Правда, в составе твердых примесей практически всегда присутствует вода, содержание которой тем больше, чем выше относительная влажность воздуха.

При сжигании всех видов топлива образуются и затем поступают в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые содержатся в атмосфере в естественных условиях и не оказывают вредного воздействия на человека. По этой причине данные газы не относятся к загрязняющим атмосферу веществам, хотя на их долю приходится большая часть всех выбросов антропогенного происхождения.

В зависимости от степени воздействия на организм человека все примеси делятся на 4 класса опасности:

- 1 класс - чрезвычайно опасные (ПДК<0,1 мг/м³);

- 2 класс – высокоопасные (0,1≤ПДК≤1 мг/м³);

- 3 класс – умеренноопасные (1≤ПДК≤10 мг/м³);

- 4 класс – малоопасные (ПДК>10 мг/м³).

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних.

Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.

Основные загрязняющие вещества атмосферы - оксид углерода. Сернистый ангидрид SO₂. Серный ангидрид SO₃. Сероводород и сероуглерод. Окислы азота. Соединения фтора. Соединения хлора. Углеводороды. Твердые частицы.

Рассмотрим наиболее масштабные загрязнители:

а) оксиды азота. Азот образует шесть соединений с кислородом: N₂О, NO, N₂О₃, NO₂, N₂О₄, N₂О₅. Как загрязнители атмосферы имеют значение лишь NO и NO₂.

В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота NО₂ - газ бурого цвета, с острым запахом, ядовитый, раздражающе действующий на органы дыхания, легкие, поражающий сердце. Оксид азота NO (II) - бесцветный газ без запаха, негорючий, слабо растворим в воде, оказывает непосредственное воздействие на центральную нервную систему.

Смесь оксидов азота так же опасна, как и индивидуальных NO и NО₂, особенно в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов, образуют фотохимический туман - смог. Их действие начинается с легкого кашля, который усиливается при повышении концентрации NO_X и сопровождается рвотой, иногда головной болью. Вредное действие NO_X основано на контакте его с влажной поверхностью слизистой оболочки, что приводит к образованию азотной и азотистой кислот и, как следствие, к поражению внутренних органов, в частности отеку легких.

Источники соединений азота могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные источники:

1.Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота.

2.Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота.

3.Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров.

4.Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоят высокотемпературные процессы горения при избытке воздуха. Наибольшее содержание NO_X отмечается в дымовых выбросах котельных установок и автотранспорта.

б) соединения серы. Диоксид серы SO₂ - бесцветный газ с резким, удушливым запахом. Уже в малых концентрациях он создает неприятный кисловатый вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. При продолжительном воздействии сернистого ангидрида развиваются бронхиты, хронические гастриты и другие заболевания, включая рак легких.

Существуют четыре основных источника загрязнения окружающей среды соединениями серы:

1.Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Наиболее важными источниками этих газов являются болота и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.

2.Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера.

3.Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остаётся морская соль, содержащая соединения серы – сульфаты.

4.Техногенные источники выделения сернистого ангидрида многочисленны: сжигание всех видов топлива, как правило, включающих примеси серы, черная и цветная металлургия, цементные заводы, химическая промышленность, производство целлюлозы и синтетических волокон.

Сероводород H₂S - бесцветный газ с запахом тухлых яиц, образует сероводородную кислоту с относительно слабыми кислотными свойствами. Газ поражает нервную систему, действует на дыхательные пути и глаза с возможными острым и хроническим отравлениями. Последствия перенесенного острого отравления - параличи, хронический менингит, желудочно-кишечные заболевания и воспаление легких.

Промышленные источники выделения сероводорода: коксохимия, производство искусственных волокон, газовые выделения угольных шахт, нефтепромыслов и нефтеперерабатывающих предприятий. Кроме того, повышенное содержание сероводорода отмечается в месторождениях природного газа с углубленным залеганием. Так, Оренбургский природный газ содержит около 4 % Н₂S;

в) галогены. Из группы галогенов (хлор, фтор, бром, йод) соединения первых двух элементов наиболее масштабны по объему промышленного производства.

Хлор Сl - газ желто-зеленого цвета с резким запахом, образует хлорную воду. Вдыхание хлора вызывает раздражение дыхательных путей и при больших количествах приводит к летальному исходу из-за торможения дыхательных центров.

Источники выброса хлора: титаномагниевые заводы, участки травления гальванических производств, выпуск соляной кислоты, пестицидов, органических красителей, хлорной извести и соды.

Хлористый водород НС1 - бесцветный газ с резким запахом, одно из важнейших соединений хлора, близкое к нему по токсическим свойствам. Газ великолепно растворяется в воде, образуя соляную кислоту.

При вдыхании хлористый водород раздражает дыхательные пути и вызывает удушье. При хроническом отравлении им наблюдают катар верхних дыхательных путей, разрушение зубов, желудочно-кишечные расстройства и воспалительные заболевания кожи.

Фтор F - зеленовато-желтый газ с сильным запахом, активнейший окислитель. При соприкосновении с кожей вызывает термические ожоги, раздражает глаза и нос.

Фтористый водород HF - бесцветный газ, растворяется в воде с образованием очень сильной плавиковой кислоты, разъедающей стекло. Симптомы острого и хронического отравления: носовые кровотечения, сухой удушливый кашель, бронхиты и потеря голоса;

г) оксиды углерода. Оксиды углерода представлены двумя формами: монооксидом СО и диоксидом СО₂. В техногенных процессах они образуются как продукты неполного (СО) и полного (СО₂) сгорания углеродсодержащих топлив.

Монооксид углерода - бесцветный газ без запаха и вкуса, воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье. Последнее обусловлено тем, что он связывает гемоглобин крови, ответственный за снабжение организма кислородом. При хроническом отравлении отмечаются аритмия, учащение пульса, неустойчивое кровяное давление, стенокардия. Токсичность монооксида углерода возрастает при наличии в воздухе оксидов азота (эффект суммации). В этом случае нормативы ПДК для СО в воздухе необходимо снижать в 1,5 раза.

д) углеводороды.Основным естественным источником углеводородов являются растения (на их долю приходится около 1 Гт в год), а антропогенным – автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания и топливные баки автомобилей). При неполном сгорании происходит к тому же образование (синтез) опасных канцерогенных циклических углеводородов. Особенно много канцерогенных (вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя путем хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно добиться некоторого снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из первых мест среди источников загрязнения атмосферы канцерогенными веществами.

Назовем еще акролеин – очень токсичное и раздражающее вещество, которое поступает в атмосферу не только в районах заводов, производящих его, но и вместе с выхлопными газами, содержащими продукты неполного сгорания топлива.

е) твердые аэрозоли. Как и в случае газообразных загрязняющих веществ к аэрозолям естественного происхождения - твердым и жидким частицам, взвешенным в воздухе, добавилось значительное количество аэрозолей антропогенного происхождения.

Размер (радиус) твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере, колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей, до нескольких десятков микрометров (при пыльных бурях размеры частиц, переносимых ветром, увеличиваются до 100 мкм и более). В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса: мелкие или микроскопические (тонкодисперсные), радиусом r<0,1 мкм, средние (среднедисперсные), г= 0,1–1 мкм и крупные (грубодисперсные), г>1 мкм. Среди тонкодисперсных аэрозолей выделяют группу частиц, обладающих гигроскопическими свойствами. Эти частицы называют ядрами конденсации (они служат зародышами капель облаков и туманов). Нередко мелкие частицы несут на себе положительный или отрицательный заряд электричества. В этом случае они носят название ионов (легких или тяжелых).

По физико-химическим свойствам аэрозоли делят на: пыль и сажу (твердые частицы), дым (сильно обводненные частицы) и капли (тумана, облаков, осадков). По форме частицы аэрозоля принято делить на: а) сферические, б) изометрические (правильные многогранники), в) пластинки (протяженность в двух измерениях значительно больше, чем в третьем), г) иглы, волокна, призмы, д) сложные агрегаты (длинные цепочки с ответвлениями, звездочки).

В составе аэрозоля всегда присутствуют четыре группы веществ: сульфаты, органические соединения, твердый углерод и вода, относительное содержание которых колеблется в широких пределах, отражающих условия образования газов-предшественников (включая географическое распределение растительности и режим ее жизнедеятельности) и влияние метеорологических условий на распространение аэрозоля в атмосфере.

Твердый углерод - это различного вида сажа, радиус частиц которой в момент образования близок к 0,003-0,005 мкм, а концентрация весьма изменчива - от 1 мкг/м³ в особо чистых районах до 10-30 мкг/м³ в сильно задымленных. Вскоре после образования частицы сажи объединяются в хлопья радиусом в несколько сотых микрометра, захватываются частицами другой природы (например, каплями осадков) и удаляются из атмосферы через интервалы времени, колеблющиеся от нескольких десятков часов до 1-2 недель. Общая масса сажи в атмосфере оценивается примерно в 5 Мт, а скорость поступления - около 500 Мт/год.

Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, прежде всего на органы дыхания, но и тем, что из всех составляющих аэрозоля сажа наиболее сильно поглощает солнечную и земную радиацию в широком диапазоне длин волн (от 0,25 до 13 мкм) и тем самым может оказывать существенное влияние на термический режим атмосферы и земной поверхности. Оценки показывают, что если бы частицы сажи оседали равномерно, то земная поверхность покрылась бы слоем сажи толщиной до 1 мкм. В действительности основная масса сажи вымывается выпадающими на землю осадками.

Роль сульфатов (соединений серы) значительна прежде всего потому, что наиболее крупные частицы их служат ядрами конденсации, определяющими условия образования и микроструктуру облаков и туманов. Велико содержание сульфатов в дымках – широко распространенном явлении (особенно в городах), оказывающем существенное влияние на радиационный теплообмен планеты.

В связи с увеличением антропогенных выбросов сульфатов в последние десятилетия заметно возросла их биологическая активность, сопровождающаяся отравлением растительности и животного мира (это так называемые кислотные дожди).

Наименее активна (в отношении поглощения радиации и влияния на климат) органическая составляющая аэрозоля. Входящие в его состав многочисленные органические соединения обладают сильными полосами поглощения, которые, однако, перекрываются полосами поглощения водяного пара или находятся в области спектра с очень малой интенсивностью излучения.

Вклад антропогенных выбросов в общий баланс аэрозоля существенен для всех его составляющих (для твердого углерода он преобладает над естественным, для сульфатов и органического вещества составляет примерно 25 % естественного) и со временем продолжает увеличиваться.

Важным источником загрязнения атмосферы служит промышленность, связанная с добычей и использованием строительных материалов (дробление пород в карьерах, изготовление цемента и др.). В пыли, оседающей вблизи индустриальных центров, обнаруживается немало различных минералов: кварц, кальцит, гипс, полевой шпат, асбест (последний даже при концентрации, значительно меньше концентрации других минералов, вызывает необратимое повреждение легких). Пыль в воздухе индустриальных районов включает в среднем 20 % оксида железа, 15 % силикатов и 5 % сажи. К этому следует добавить оксиды металлоидов (марганец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и особенно токсичные селен и теллур), а также фториды.