Естественные и антропогенные источники попадания соединений серы в атмосферу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Деятельности человека в последнее столетие привела к значительному нарушению сложившегося в природе равновесия, в результате чего возникло множество проблем, связанных с защитой окружающей среды. Среди весьма серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу.

Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. По ориентировочным данным ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт. Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и других предметов, загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов. Ущерб, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и продуктам производственной деятельности человека, трудно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах не в последнюю очередь связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.

1. Виды соединений серы

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся двуокись серы (оксид серы (IV)), оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы. В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз превысить естественную границу значений на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония), а также морская соль.

2. Источники соединений серы

Соединения серы, как мы уже упомянули, частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только на этой территории.

Существуют три основных источника естественной эмиссии серы:

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. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения. Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ. Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн. тонн в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

Вулканическая деятельность.

При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой - тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. тонн серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

Поверхность океанов.

После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остается морская соль, содержащая наряду с ионами натрия и хлора соединения серы -- сульфаты. Вместе с частицами морской соли ежегодно в атмосферу попадает 50-200 млн. тонн серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы биологическим путем. В то же время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в более верхние слои или распыляется над сушей. Следует также учесть, что из сульфатов морского происхождения не может образоваться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков. В ниже приведенной таблице 1 , представлены природные и антропогенные источники загрязнений атмосферы соединениями серы , и количество их выбросов в год, как в процентном содержании так и в количественном.

Таблица 1. - Природные и антропогенные источники загрязнений атмосферы соединениями серы

В результате антропогенной деятельности в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле).

В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. В атмосферу поступают главным образом сернистый газ и сероводород. В последнее время начинают привлекать внимание и другие соединения серы, образующиеся в результате микробиологических процессов. Главные естественные источники сернистого газа -- вулканическая деятельность, а также процессы окисления сероводорода и других соединений серы. По некоторым расчетам, вследствие вулканической деятельности в атмосферу ежегодно попадает около 4 миллионов тонн сернистого газа. Но гораздо больше -- около 200-- 215 миллионов тонн сернистого газа -- образуется из сероводорода, который поступает в атмосферу при разложении органического вещества.

Промышленные источники сернистого газа по интенсивности давно превзошли вулканы и сейчас сравнялись с суммарной интенсивностью всех естественных источников. В природе нет ископаемого топлива, которое состояло бы из одних углеводородов. Всегда имеется примесь других элементов, и один из них -- сера. Даже природный газ содержит по крайней мере следы серы. В сырой нефти, в зависимости от месторождения, содержится от 0,1 до 5,5 процента серы, а уголь содержит от 0,2 до 7 процентов серы. Поэтому сжигание топлива дает 80--90 процентов всего антропогенного сернистого газа. Содержание серы в различных видах ископаемого топлива приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание серы в различных видах топлива

Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 миллионов тонн серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т.е. главным образом в Европе и Северной Америке. Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40 млн. т), приходится на Европу. Остальные 10--20 процентов приходятся на выплавку цветных металлов и производство серной кислоты. Сырьем для получения меди, свинца и цинка служат главным образом руды, содержащие большое количество серы (до 45 процентов). Те же самые руды и другие богатые серой минералы служат сырьем для получения серной кислоты.

Серный ангидрид образуется при постепенном окислении сернистого ангидрида кислородом воздуха с участием света. Конечным продуктом реакции является аэрозоль серной кислоты в воздухе, раствор в дождевой воде (в облаках).

Выпадая с осадками, она подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей, скрыто угнетающе воздействует на здоровье человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий чаще отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Растения около таких предприятий обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты, что доказывает присутствие её в окружающей среде в существенных количествах. Пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭЦ ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. Ниже приведен рисунок 1, показывающий каким образом сера попадает в атмосферу, какие соединения серы образуются, а так же к чему приводят эти соединения.

Рисунок 1 - Круговорот соединений серы в природе

3. Атмосферный аммиак

Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения с помощью следующих реакций:

атмосфера загрязняющий сернистый кислотный

,

Таким образом, эти химические реакции ведут к образованию сульфата и нитрата аммония. Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая, в конечном счете, к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах, особенно в зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения кислотного дождя. В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что, например, в Европе он превышает возможности выделения аммиака почвой. Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными источниками аммиака могут служить также производство и внесение в землю искусственных удобрений. Меньшее количество аммиака может попасть в атмосферу в результате сгорания угля или горючего транспортных средств.

Заключение

Нам уже известно, что дальнейшее загрязнение окружающей среды зависит от того, как будет обстоять дело с антропогенными выбросами оксидов серы в атмосферу. Разумеется, предсказать это очень сложно. Однако мы можем сделать определенное заключение на основе анализа интенсивности выбросов в прошлом. Оцененный таким способом выброс двуокиси серы в будущем тысячелетии значительно больше нынешнего уровня. Согласно этому ожидается рост загрязнения окружающей среды, а причиняемый кислотными осадками ущерб станет катастрофическим. Это вызывает большое беспокойство, если принять во внимание, что и настоящие уровни выброса уже приводят к ужасающим последствиям.

Неблагоприятно положение и с выбросами оксидов азота, поскольку антропогенные выбросы соединений азота по сравнению с соединениями серы увеличиваются еще более высокими темпами. В определенных странах увеличение эмиссии двуокиси серы, кажется, удалось остановить. Что касается оксидов азота, то и в Европе и во всем мире продолжают увеличиваться выбросы , особенно в связи с возрастающим числом автомобилей.

В некоторых странах проблема эмиссии оксидов серы и азота является в какой-то мере политической, так как в результате их распространения загрязняющие вещества попадают за пределы государственной границы, и одно государство может обвинить другое в ущербе, причиненном кислотными осадками, соответственно потребовав его возмещения. Канада, например, действует таким образом по отношению к США, а Швеция -- по отношению к промышленно развитым государствам Европы. Специалисты Европы и Северной Америки серьезно обеспокоены дальнейшими последствиями выпадения кислотных осадков. Многочисленные международные организации по охране окружающей среды занимаются проблемами крупномасштабного распространения веществ, загрязняющих воздух. Международный исследовательский институт прикладного системного анализа (IIASA) проводит изучение моделей с целью установления возможной кислотности почв, вод и т.п. через десятки лет. Результаты говорят о том, что почвы и леса в Европе могут быть спасены от дальнейшего закисления только путем значительного сокращения выбросов. Эти выбросы должно самостоятельно регулировать каждое государство.

Для уменьшения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу существует ряд способов: сильное сокращение использования энергии; ввод новых технологий, установка фильтрующего оборудования; использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников энергии. Подобное решение звучит довольно нереально. Ни одно государство не согласится уменьшить масштабы потребления энергии и тем самым ухудшить уровень жизни. Ввод новых технологий и установка фильтрующего оборудования также представляют собой экономическую проблему. Плачевное состояние окружающей среды поставило современных ученых- экологов перед острой проблемой загрязнения нашей планеты. Необходимо найти новые методы решения этого вопроса. В настоящий момент ученые всего мира ищут выход из положения. Но не стоит забывать о том, что будущее планеты зависит в первую очередь от нас с вами.

Список использованных источников

1. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: Мысль, 1977.

2. Андрейцев АК Основы экологии: Учебник - М.: Высшая школа, 2001 - 358с.

3. Данилов-Данильян В.И. «Экология, охрана природы и экологическая безопасность» М.: МНЭПУ, 1997 г.

4. Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М.: Финансы и статистика, 1999 г.

Размещено на Allbest.ru