Серный ангидрид, его воздействие на окружающую среду

Серный ангидрид SO₃

Человеческая деятельность приводит к тому, что загрязнения поступают в атмосферу в основном в двух видах — в виде аэрозолей (взвешенных частиц) и газообразных веществ.

Главные источники аэрозолей — промышленность строительных материалов, производство цемента, открытая добыча угля и руд, черная металлургия и другие отрасли. Общее количество аэрозолей антропогенного происхождения, поступающих в атмосферу в течение года составляет 60 млн. тонн. Это в несколько раз меньше объема загрязнений естественного происхождения (пыльные бури, вулканы).

Гораздо большую опасность представляют газообразные вещества, на долю которых приходится 80-90% всех антропогенных выбросов. Это соединения углерода, серы и азота.

Наибольшую опасность представляет собой загрязнение соединениями серы, которые выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, а также при выплавке цветных металлов и производстве серной кислоты. Антропогенное загрязнение серой в два раза превосходит природное. Серный ангидрид образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Растения около таких предприятий обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, зарубежной Европы, европейской части России, Украины. В южном полушарии оно ниже.

С попаданием в атмосферу соединений серы, азота и хлора непосредственно связано выпадение кислотных дождей. Механизм их образования очень прост. Например, триокись серы в воздухе соединяется с парами воды, образуя разбавленную серную кислоту. Мельчайшие капельки кислот диаметром 0,1-1,0 мкм в виде тумана довольно устойчивы и не осаждаются, но они могут служить центром конденсации влаги, сливаться друг с другом и выпадать на землю в виде дождя. Кислотность растворов выражают с помощью водородного показателя — рН. Чистая вода при температуре 20° С имеет рН = 7,0, обычная дождевая вода — в среднем 5,6 (некоторую кислотность ей придает присутствующий в воздухе углекислый газ). Вода кислотных дождей имеет рН < 5,0.

В некоторых районах Швеции, Норвегии, США кислотность дождевых вод составляет 4,2-4,5, а концентрация кислот в них превышает нормальную для дождей в десятки раз. Некоторые дождевые воды содержат еще больше кислоты. В 1974 г. в Шотландии во время грозы рН дождевой воды составлял 2,4, т.е. в тысячи раз больше нормы. Для сравнения, такой же водородный показатель имеет 6% столовый уксус.

Кислотные дожди вызывают тяжелые последствия. Уже при рН менее 5,5 пресноводные рыбы чувствуют себя угнетенно, медленнее растут и размножаются, а при рН ниже 4,5 вообще не размножаются. Дальнейшее уменьшение рН приводит к гибели рыб, затем земноводных, а в конце концов — насекомых и растений: организмы не приспособлены к жизни в кислотах. К счастью, всеобщая гибель предотвращается почвой, которая не только фильтрует через себя дождевую воду, но и химически очищает ее, обменивая катионы Н+ на катионы натрия и калия. Очищающие свойства почвы были известны с давних времен. Тит Лукреций Кар считал, что даже морскую воду можно опреснить, пропуская ее через почву, «ибо при грубости их, ее горечи мерзкой начала, не уходя в глубину, на поверхности держатся почвы». Таков же механизм естественной очистки речных и других проточных вод. И лишь при скапливании подкисленной дождевой воды в непроточных водоемах — озерах и прудах, особенно расположенных на кислых грунтах — очистка происходит крайне медленно или вовсе не происходит. Все живое тогда погибает.

Такое явление получило печальную известность, теперь уже ведется статистика, сколько озер ежегодно становятся мертвыми из-за кислотных дождей. В горах Андродиак (штат Нью-Йорк, США) более половины из 214 озер уже не имеют рыбы.

Кислотные дожди воздействуют и на почву, вызывая закисление ее, поскольку ионообменная способность почвы не беспредельна. Закисление отрицательно влияет на структуру, агрегатное состояние почвы, угнетает почвенную микрофлору и растения, вызывает их гибель. Это вредит лесам, сельскохозяйственным культурам.

От кислотных дождей страдают здания и сооружения, камен­ные и металлические конструкции. Особенно страдают мраморные и известняковые сооружения. Из-за повышенной кислотности городского воздуха в последнее время заметно ускорилось разрушение мраморных сооружений и памятников, выдержавших натиск столетий.

Особенность кислотных дождей — их отдаленность от места выброса оксидов серы и азота и привязка к определенным географическим зонам, что связано с тем, что превращение оксидов серы и азота протекает сравнительно медленно, а выбросы заводских труб относятся ветрами. Так, максимальная концентрация серной кислоты достигается на расстоянии 250-300 км от места выброса S0₂. Еще меньше скорость связывания кислоты пылевидными оксидами металлов: максимальная кон­центрация сульфатов отмечается на 500-1000 км от места выброса. Общая ситуация из года в год приблизительно повторяется, поскольку роза ветров (значит, и роза задымления) и другие действующие факторы меняются мало.

В Европе, где значительную часть года господствуют юго-западные ветры, наиболее уязвимы для кислотных дождей тер­ритории на севере ее центральной части: Великобритания, Германия, Швеция, Финляндия и отчасти другие страны. В то же время в Великобритании и Германии осаждается только от 1/10 до 1/3 части выброшенной трубами предприятий серы, а в Скандинавских странах, наоборот, в 2-3 раза больше серы, чем ее вырабатывают собственные заводы. Кислотные дожди не признают территориальных границ.

Ученые и инженеры пришли к выводу: главный путь предупреждения загрязнения атмосферы должен заключаться в постепенном сокращении вредных выбросов, ликвидации их источников. Поэтому необходим запрет на использование высокосернистых угля, нефти и топлива.

Необходимо отметить, что в удалении от источников загрязнения его химический состав достаточно стабилен. Однако в результате хозяйственной деятельности человека появились очаги выраженного загрязнения воздушного бассейна в тех районах, где размещены крупные промышленные центры. Здесь в атмосфере отмечают наличие различных твердых и газообразных веществ, оказывающих неблагоприятное воздействие на условия жизни и здоровье населения.

К настоящему времени накопилось много научных данных о том, что загрязненность атмосферы, особенно в крупных городах, достигла опасных для здоровья людей размеров. Известно немало случаев заболеваний и даже смерти жителей городов индустриальных центров в результате выбросов серного ангидрида промышленными предприятиями при определенных метеорологических условиях. В связи с этим в литературе часто упоминаются отравления людей в Лондоне, Лос-Анджелесе, и ряде других крупных городах не только Западной Европы, но и в Японии, России и др.

Особенно губительно действует на человека загрязнение атмосферы в тех случаях, когда метеорологические условия способствуют застою воздуха над городом.

Загрязненный воздух раздражает большей частью дыхательные пути, вызывая бронхит, эмфизему, астму. К раздражителям, вызывающими эти болезни, относятся SO₂ и SO₃, азотистые пары, HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₂S, фосфор и его соединения. Исследования, проведенные в Великобритании, показали очень тесную связь между атмосферным загрязнением и смертностью от бронхитов (табл. 1).

Табл. 1. Зависимость между снижением уровня

загрязнения атмосферы и уменьшением заболеваемости

Уличные глазные травмы, вызываемые летучей золой и другими загрязнителями атмосферы, в промышленных центрах достигают 30-60% всех случаев глазных заболеваний, которые очень часто сопровождаются различными осложнениями, конъюнктивитами.

Признаки и последствия действия загрязнителей воздуха на организм человека проявляются большей частью в ухудшении общего состояния здоровья: появляются головные боли, тошнота, чувство слабости, снижается или теряется трудоспособность.

Признаки отравления сернистым ангидридом замечают по характерному привкусу и запаху. В концентрации 6-20 см³/м он вызывает раздражение слизистых оболочек носа, горла, глаз, раздражаются увлажненные участки кожи. Особенно опасны полициклические ароматические углеводороды типа 3,4-бензопирена, образующиеся при неполном сгорании топлива. По данным ряда ученых, они обладают канцерогенными свойствами.

Наконец различные проявления дискомфорта в связи с загрязнением воздуха (неприятные запахи, снижение освещенности и др.) психологически отрицательно действуют на людей.

Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СНГ. ПДК — это такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО — Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия — среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя — индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующие значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций загрязняющих веществ, а затем суммируют. Например, максимальные разовые концентрации серного ангидрида наблюдались в Норильске. Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами, в том числе и серным ангидридом, находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей.

Список литературы

1) Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие. – М.: ACADEMA, 2002. – 480с.

2) Орлов Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учеб. пособие / Орлов Д.С, Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. – М.: Высшая шко­ла, 2002. – 334с.