Кислотные дожди как глобальная экологическая проблема

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра химической технологии и промышленной экологии

 

 

Курсовая работа по экологии

 

 

 

«Кислотные дожди как глобальная экологическая проблема»

 

 

 

 

 

                                                                           Выполнил студент:   2-ХТФ-2

Тригуб Л.В.

Проверил: Доцент, кандидат КХМ

Богомолова Г.Я.     

 

 

 

Самара 2013

Содержание:

 

1. Введение

 

2. История возникновения проблемы

 

 

3. Механизм образования и выпадения кислотных дождей

 

4. Последствия кислотных дождей

 

5. Способы защиты от кислотных дождей

 

6. Заключение

 

7. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».

Жан Батист Ламарк

 

Хозяйственная деятельность людей, бурный рост промышленности за последние 200 лет привели к  загрязнению природной среды, в том числе атмосферы, токсичными отходами. Одним из следствий загрязнения атмосферы являются атмосферные осадки, содержащие кислоты.     

Атмосферные явления и раньше сопровождались переносом на большие расстояния различных веществ, пыли, листьев, даже мелких животных. Происходило и образование кислоты в атмосфере после больших пожаров и извержения вулканов, выпадали кислотные дожди, но характер экологической проблемы это явление приобрело в конце девятнадцатого столетия. Несмотря на то, что причины возникновения кислотных дождей изучены и меры по их предотвращению принимаются, совершаемых усилий недостаточно для того, чтобы преодолеть это явление.       

Выпадение кислотных осадков в городах, где атмосфера наиболее загрязнена, является неприятным явлением, из-за кислотных осадков страдают люди, машины, строения. Но значительно больше проблем возникает по причине того, что тучи, содержащие кислоты, перемещаются на сотни километров и орошают поля, леса, озера, нанося вред природе и сельскому хозяйству. Среди российских городов с наиболее загрязненной атмосферой – Москва, Екатеринбург, Братск, Кемерово, Красноярск,  Липецк,  Магнитогорск,  Ростов-на-Дону, Нижний Тагил, Новосибирск, Новокузнецк, Тольятти.

      Природные источники кислотных дождей – вулканическая деятельность, гниение растительных остатков и другие. Однако вклад природы в этот процесс относительно не велик – количество соединений серы, попадающих в атмосферу с извержением вулкана, обычно не превышает миллиона тонн, в то время как металлургия, энергетика и транспорт ежегодно загрязняют атмосферу сотнями миллионов тонн оксидов серы.

Загрязнение атмосферы диоксидом серы и оксидами азота происходит при сжигании ископаемого топлива (например, угля) и эксплуатации автотранспорта. Кроме того, при нарушении герметичности фреоновых контуров холодильников и кондиционеров, и при использовании аэрозольных баллончиков с неэкологичными репеллентами в атмосферу попадает хлороводород, а при выращивании риса и добыче нефти – метан, которые, вступая в реакцию с дождевой влагой, также являются причиной возникновения кислотных дождей.

 

 

История возникновения проблемы

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб природе. Земля, водоемы, растительность, животные и постройки становятся их жертвами. На территории России в 1996 г. вместе с осадками выпало более 4 млн. т серы и 1,25 млн. т нитратного азота. Особенно тревожная ситуация сложилась в Центральном и Центрально-Черноземном районах, а также в Кемеровской области и Алтайском крае, в Норильске. В Москве и Санкт-Петербурге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1500 кг серы на 1 км2. Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных, западно- и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия).

Вскоре после второй мировой войны бурное развитие промышленности постоянно увеличивало нагрузку на природу и привело к превращению экологической проблемы в одну из важнейших проблем современности.

Еще в 40-х гг. академик В. И. Вернадский (1863 - 1945), основоположник учения о ноосфере (сфере разума), писал о том, что хозяйственная деятельность людей стала оказывать на географическую среду не менее сильное воздействие, чем геологические процессы, происходящие в самой природе. С тех пор «обмен веществ» между обществом и природой многократно возрос и приобрел глобальные масштабы. Однако, «завоевывая» природу, люди в значительной степени подорвали естественные основы собственной жизнедеятельности. Произошло заметное ухудшение состояния окружающей среды. В некоторых странах и районах экологическая ситуация стала очень опасной, достигнув уровня экологического кризиса. Только экономический ущерб от загрязнения окружающей среды исчисляется ежегодно миллиардами долларов, не говоря уже о социальном, эстетическом и других видах ущерба.

Проблема кислотных дождей в последнее десятилетие приобрела глобальное значение главным образом в связи с  возросшими выбросами окислов серы и азота, а также аммиака  и летучих органических соединений (ЛОС). По данным ЕЭК,  двуокись (трехокись) серы поступает из теплоэлектростанций и других стационарных источников при сжигании ископаемого топлива (88%), при переработке сульфидных руд 5% нефтепродуктов, производстве серной кислоты и др.(7%).Для окислов азота среди стационарных источников топливно-энергетический дает 85% выбросов, производство цемента, извести, стекла, металлургические процессы, сжигание мусора и др.-12%. Азотные загрязнения поступают из животноводческих предприятий и удобрений. Основные источники ЛОС-химические производства, промышленные и бытовые растворители,   нефтехранилища,   бензоколонки и т. д.

 

 

Механизм образования и выпадения кислотных осадков

При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута) в составе выделяющихся газов содержатся диокиси серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот.

Окисды азота образуются при соединении азота с кислородом воздуха при высоких температурах, главным образом в двигателях внутреннего сгорания и котельных установках. Получение энергии, увы, сопровождается закислением окружающей среды. Дело осложняется еще и тем, что трубы теплоэлектростанций стали расти в высоту, и достигают 250—300, даже 400 м, следовательно, выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные территории.

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C(ОН–).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C(H+)*C(ОН–) = 10–14

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10–7 < C(H+) ≤ 100,

для щелочных сред:

10–14 ≤ C(H+) < 10–7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC(H+).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность).

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО2 + Н2О Н2СО3.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов – химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, т.е. рН=7. Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН 5,6—5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д.  Мировой рекорд принадлежит шотландскому городку Питлокри, где 20 апреля 1974 г. выпал дождь с рН 2,4, — это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса.

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один считают диоксид серы.

 

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: 2SО2 + О2 = 2SО3, SО3 + Н2О=Н2SО4. Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО*nН2О, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3: SО2 + Н2О=Н2SО3. Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2Н2SO3 + O2= 2Н2SO4.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы. Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы: 2NО2 + Н2О=НNО3 + НNО2.

Существуют еще два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы.

Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлоро-водород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Сl + СН4 =СH3 + НСl, СH3 + Сl2= СН3Сl + Сl.

Поступление в атмосферу больших количеств SO2 и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот – серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:

2SO2 + О2 + 2Н2О = 2H2SO4;

4NO2 + 2Н2O + О2 = 4HNO3.

В атмосфере оказывается и ряд промежуточных продуктов указанных реакций. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению «кислотных дождей».

Показатель рН осадков в ряде случаев снижается на 2 – 2,5 единицы, то есть, вместо, нормальных 5,6 – 5,7 до 3,2 – 3,7.

Следует напомнить, что рН – это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, и, следовательно, вода с рН = 3,7 в сто раз «кислее» воды с рН = 5,7.

В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота рН дождевой воды колеблется от 3 до 5.

Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире, и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота. За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. В Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций.

До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно в центре внимания национальных правительств и международных природоохранных организаций. В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн. км2, составляет 5,4-5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5. В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков.

В тропических районах, где промышленность практически неразвита, кислотные осадки вызваны поступлением в атмосферу оксидов азота за счет сжигания биомассы. В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны – в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2) – в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают 3,1-3,4.