Атмосфера городов подвержена наибольшему загрязнению. В ней присутствуют вещества, непосредственно выброшенные из источников загрязнения (первичные загрязнители), и продукты их химических преобразований (вторичные загрязнители).
Загрязнение воздуха городов происходит в основном в результате протекания процессов горения. Топливо состоит из углеводородов (условно обозначим как СН), и обычный процесс его горения может быть представлен уравнением:
4СН + 5О2 = 4СО2 + 2Н2О
При недостатке кислорода из горящего топлива образуется значительное количество ядовитого газа - монооксида углерода:
4СН + 3О2 = 4СО + 2Н2О
Если кислорода еще меньше, то при горении образуется углерод в виде сажи:
4СН + О2 = 4С + 2Н2О
При низких температурах и при небольшом содержании О2 реакции пиролиза (разрушения в результате нагревания) топлива могут привести к образованию полициклических ароматических углеводородов, например, печально известного канцерогена — бенз(а)пирена. Горение ископаемого топлива, содержащего соединения серы, приводит к загрязнению атмосферного воздуха сернистым газом.
|
|
Смог (от англ. smоке — дым, fog — густой туман) — видимое загрязнение воздуха любого характера. Смог возникает при длительном существовании антициклональных условий погоды, когда загрязняющие вещества в относительно больших концентрациях скапливаются в приземном слое атмосферы. Выделяют три типа смога: влажный (лондонского типа), сухой, или фотохимический, (лос-анджелеского типа) и ледяной (аляскинского типа).
В наше время смог лондонского типа можно наблюдать в столице Турции Анкаре, где воздух зимой, видимо, самый грязный в мире. Анкара с трех сторон окружена горами и с раннего утра в это время года покрыта «одеялом» из густого черного дыма, смешанного с туманом. Основным источником смога в Анкаре является дым отопительных печей, которыми пользуются жильцы многоквартирных частных домов.
В смоге лондонского типа помимо SO2, Н2SO3, Н2SO4 и сажи может присутствовать ряд других загрязняющих веществ, содержащихся, например, в выхлопных газах автотранспорта — это СО, NОх, углеводороды и др.
Выхлопные газы автотранспорта, содержащие оксиды азота, могут стать причиной образования второго вида смога — смога лос-анджелеского типа, отрицательное действие которого на окружающую среду обусловлено, главным образом, вторичным загрязнением. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет в среднем 10 г NО. В Лос-Анджелесе еще в 1970-е гг. было более 4 млн автомобилей и в воздух ежесуточно поступало около 1000 т NО. Явно выраженный фотохимический смог наблюдается в этом городе более 70 дней в году
|
|
Для этого типа смога характерно протекание фотохимических реакций между продуктами автомобильных выхлопов на солнечном свету, поэтому его часто называют фотохимическим смогом. Многие вещества, образующиеся в результате протекания фотохимических реакций, являются более токсичными, чем первичные загрязняющие вещества.
Особенностями фотохимического смога являются следующие:
1. Процесс образования смога имеет место днем в сухую ясную солнечную погоду, достигая максимума после полудня.
2. Оказываемое смогом действие на окружающую среду — окислительное (коррозия металла, растрескивание резины и т.п.).
3. Отрицательное биологическое действие: сильное раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз у людей и животных, увядание растительности в воздушном бассейне.
4. Ухудшение видимости за счет образования голубоватой дымки или белесого тумана.
В качестве одного из главных вторичных загрязнителей атмосферы при фотохимическом смоге выступает озон. Его образование связано с одновременным присутствием в воздухе значительных количеств оксидов азота и органических веществ. Реакции превращения оксидов азота, обуславливающие образование О3 следующие:
NOх + hν = NО + O, λ< 310 (нм)
О2 + О + М = О3 + М*
О3 + NO = NО2 + О2
Органические вещества, присутствующие в выхлопных газах автотранспорта, играют при этом роль своеобразных катализаторов этих превращений. Кроме того, озон может вступать в реакции с олефинами, образуя другие вредные вещества — альдегиды, например, формальдегид СН2О. В фотохимическом смоге присутствует также СО — продукт неполного сгорания автомобильного топлива.
Фотохимические реакции, протекающие при одновременном присутствии в воздухе оксидов азота и органических веществ, приводят также к образованию высокотоксичных соединений с общей формулой R-СО-OO-NО2 (пероксиацилнитраты). Первый член гомологического ряда пероксиацетилнитрат СН3СО-OO-NО2 часто сокращенно называют ПАН. В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование ароматических производных, например, пероксибензоилнитрата С6Н5СО-OO-NО2 являющегося сильным слезоточивым газом.
Реакции О3 с олефинами могут быть рассмотрены на примере его взаимодействия с пропеном с образованием этаналя:
СН3СНСН2 + О3 = СН3СНО + НСО + ОН
Образующиеся в результате взаимодействия олефинов с озоном, а также содержащиеся в выхлопных газах альдегиды далее реагируют с озоном и диоксидом азота с образованием ПАН:
СН3СНО + О3 + NO2 = CH3C(O)OONO2 + H2O
ПАН легко вступает в химические реакции с различными органическими веществами, например, с ферментами, и поэтому чрезвычайно токсичен для живых организмов.
Из вторичных загрязняющих веществ, образующихся при фотохимическом смоге, наибольшее количество составляет озон. Скорость образования озона зависит от освещенности и содержания оксидов азота в воздухе, и поэтому изменяется как в течение суток, так и в течение года.
Сравнительная характеристика типичных случаев первичного и вторичного загрязнения воздуха дана в табл. 13.
Таблица 13
Сравнение смогов Лос-Анджелеса и Лондона (Андруз, 1999)
Характеристика | Лос-Анджелес | Лондон |
Температура воздуха | От 24 до 32 °С | От –1 до 4 °С |
Относительная влажность | <70 % | 85 % |
Скорость ветра | <3 м с–1 | Безветрие |
Видимость | 0,8–16 км | <30 м |
Месяцы наиболее частого появления | Август-сентябрь | Декабрь-январь |
Основные топлива | Бензин | Уголь и бензин |
Основные cоставляющие | O3, NO, NO2, CO, органические вещества | Частички вещества, СО, соединения S |
Тип химической реакции | Окислительная | Восстановительная |
Время максимального сгущения | Полдень | Раннее утро |
Основные воздействия на здоровье | Временное раздражение глаз | Раздражение бронхов |
Повреждающиеся материалы | Резина | Железо, бетон |
Ледяной смог возникает при очень низких температурах и антициклональной погоде. Выбросы в атмосферу даже небольшого количества загрязняющих веществ в этом случае приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и загрязняющих веществ.
|
|