Кислотные осадки

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное учреждение

высшего профессионального  образования

Магнитогорский  государственный технический университет

им. Г.И. Носова

(ФГБОУ ВПО  «МГТУ»)

 

 

 

Курсовая  работа

по дисциплине «Природопользование»

Тема: Кислотные осадки

 

 

 

 

Выполнил:   В.О. Ширяева

студентка гр. МБЖ-10

Проверил:    Н.И. Овсянникова

старший преподаватель  кафедры «ПЭ и БЖД»

 

 

Магнитогорск

2012

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение                                                                                                                  

 

1. Как попадают соединения  серы в атмосферу                                               3

 

1.1 Виды соединений  серы                                                                                4                                                                               

1.2 Источники соединений  серы                                                                         5

1.3 Виды соединений азота                                                                                 6

1.4 Источники соединений азота                                                                         7

1.5 Атмосферный аммиак                                                                                     8

 

2. Распространение кислотных  веществ в атмосфере                                       9                                 

 

3. Химические превращения загрязняющих

 кислотных веществ  в атмосфере                                                                        11

 

3.1 Химические превращения соединений  серы                                               11

3.2 Химические превращения  соединений азота                                               13

 

4. Кислотная седиментация (кислотные осадки)                                                13

 

4.1 Вымывание кислотных веществ  из атмосферы                                            13

4.2 Сухие осадки                                                                                                    14

 

5. Влияние кислотных  осадков на биосферу                                                      14

 

5.1 Косвенные воздействия                                                                                  19

5.2 Непосредственные воздействия                                                                     23

 

6. Способы защиты от  кислотных дождей                                                          26

Заключение

 

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Актуальность изучения данной темы непосредственно связана с все более ухудшающейся экологической ситуацией, как в нашей стране, так и непосредственно во всем мире. Подчеркивая данное обстоятельство, необходимо отметить, что несколько лет назад выражения «кислотные осадки» и «кислотные дожди» были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы.

Под популярным названием "кислотные дожди" кроется сложный комплекс воздействий техногенных загрязнений воздуха на человека и природную среду, главные последствия которых - рост аллергических заболеваний дыхательных органов, потери урожайности сельскохозяйственных растений, усыхание лесов, безрыбные озера.

За последние  несколько лет эти выражения  стали повседневными, вызывающими беспокойство словами во многих странах во всем мире [2, с. 3]. Кислотный дождь - все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (обычно -- оксидами серы, оксидами азота).Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать в результате существенные экономические и социальные издержки.

Окисление почв и вод – это комплекс причин, исходных условий и следующих один за другим процессов в химической и биологической системах, которые мы обобщенно называем нашей окружающей средой [2, с. 3].

Часть процессов  окисления является природной, но данные изменения кислотности в системах почвы и воды, ни по скорости, ни по общему охвату, не могут быть сравнены с окислением, ставшим результатом собственной деятельности человека в промышленной и энергетической областях, а также в определенной части современного использования земли.

Предмет исследования – процесс образования и выпадения кислотных осадков.

Объект исследования – кислотные осадки.

 

 

1.Как попадают соединения серы и азота в атмосферу

 

 

 

1.1 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.

 

1.2 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.

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. 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 т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. 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 т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

3. 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  т 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 результате деятельности человека 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.

Содержание  серы в неочищенной нефти также  достаточно велико в зависимости  от места происхождения (0, 1-2%). При  сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля.

Источниками образования  двуокиси серы могут быть также отдельные  отрасли промышленности, главным  образом металлургическая, а также  предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн т 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.

1.3 Виды  соединений азота

В состав атмосферы  входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют  только два из них: окись и двуокись азота, которые в результате протекающих  в атмосфере реакций образуют азотистую кислоту.

Окись азота  под действием окислителей (например, озона) или различных свободных радикалов преобразуется в двуокись азота

(окись азота  + радикал пероксида водорода --- двуокись  азота + радикал гидроксила);

(окись азота  + озон - двуокись азота + молекулярный  кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пренебречь вследствие указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значительной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время. С другой стороны, в непосредственной близости от источников загрязнения количество окиси азота превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чистом воздухе над поверхностью океана часть окиси азота составляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Соотношение этих газов, впрочем, может меняться вследствие фотодиссоциации двуокиси азота:

(двуокись азота+  квант света --- окись азота+  атом кислорода),

Кислотную среду  в атмосфере создает также  азотная кислота, образующаяся из оксидов  азота. Если находящаяся в воздухе  азотная кислота нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-либо кислотой.

1.4 Источники  соединений азота

Эти источники  могут быть как естественными, так  и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные естественные источники.

Почвенная эмиссия  оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих  бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным  данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т оксидов азота.

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. В состоянии плазмы атомы  и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в год.

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 в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники  естественных выбросов оксидов азота  менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных  источников образования оксидов  азота на первом месте стоит горение  ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения  в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли.

Необходимо  упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год  растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кислотных осадков.

1.5 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:

(аммиак+ серная  кислота - гидросульфат аммония);

(аммиак+ гидросульфат  аммония = сульфат аммония);

(аммиак+ азотная  кислота - нитрат аммония).

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 (Северная Европа и Северная Америка), 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.

 

 

2. Распространение кислотных веществ в атмосфере

Загрязняющие  вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживаются на одном  месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, которое происходит посредством конвекционных (упорядоченных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состояния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты.

 Эта высота  в первую очередь зависит от  распределения температуры по  вертикали в атмосфере. Как  известно, начиная с поверхности  Земли температура воздуха по  мере движения вверх обычно  снижается, в среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от поверхности это понижение исчезает, более того, двигаясь выше, можно наблюдать потепление. Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью -- тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного места остается постоянной. Выше находится стратосфера, где потепление в вертикальном направлении происходит в результате поглощения коротковолнового излучения и протекания фотохимических реакций. Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение). Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. С другой стороны, вещества, имеющие длительное время жизни, могут попасть в стратосферу, например, фреоны, время нахождения которых в тропосфере исчисляется несколькими десятками лет.

Микроэлементы, которые находятся в тропосфере в течение короткого времени (например, соединения серы и азота), могут попасть  в более высокие слои воздуха  другим путем, например, при сильном  извержении вулкана или во время  полетов в стратосферу.

Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно  сказать, что в результате увеличения температуры с высотой перемешивание  на этом уровне прекращается. В то же время часто уже в нижних слоях  тропосферы, вблизи от поверхности, наблюдается  инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном направлении, которое также приводит к прекращению вертикального перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным глазом. Например, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загрязненными местами иногда можно превосходно разглядеть границу между серым загрязненным нижним и верхним чистым слоями воздуха.

 На этой  границе прекращается вертикальное  перемешивание загрязняющих веществ.  Этот близкий к поверхности  слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических условий. Тропопауза является верхней границей перемешивания в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распространяются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот процесс происходит под воздействием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или же в результате турбулентного (неупорядоченного) движения. На больших расстояниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка. Это выделение веществ на поверхность представляет собой седиментацию. Время, в течение которого в среднем молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пребывания. Обычно чем короче время пребывания заданного вещества в атмосфере, тем выше его способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от места и времени измерения, так как атмосферное (тропосферное) время ее пребывания составляет около 25 лет. Концентрация же двуокиси азота может в несколько раз изменяться в зависимости от места и времени. Время ее пребывания составляет лишь 8-10 сут, а для серы оно еще короче -- около 2 сут. Это, естественно, не означает, что каждая молекула двуокиси серы точно через 2 сут исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы статистически колеблется вокруг среднего значения.

Что означают для  двуокиси серы эти двое суток времени  пребывания? На какое расстояние в  среднем она может распространиться с помощью ветра? Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто  бывает на высоте 1 км от поверхности  Земли. Легко можно подсчитать, что одна "средняя" молекула двуокиси серы на "крыльях ветра" может удалиться примерно на 2000 км от места выброса. Если же мы примем во внимание среднее значение скорости ветра у поверхности почвы (в Венгрии приблизительно 3 м/с), то среднее пройденное молекулой расстояние составит около 500 км. Таким образом, молекула двуокиси серы в среднем может покрыть расстояние 1000 км. Для двуокиси азота это расстояние из-за более продолжительного времени пребывания может быть еще больше.

Распространение загрязняющих веществ в таких  масштабах создало много международных  проблем. Поскольку загрязнение  воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном  государстве может загрязнить воздух другого. Например, существует тесная связь между образованием кислотных дождей в Скандинавских странах и эмиссией двуокисей серы и азота в Средней и Западной Европе. Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках "Совместной программы наблюдения и оценки распространения загрязняющих воздух веществ на большие расстояния в Европе" (ЕМЕП) подсчитала, в какой степени то или иное европейское государство несет ответственность, например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. Необходимо принять во внимание также количества загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и поступают туда из других стран. Это можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества (например, двуокиси серы или окиси азота) на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то баланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрицательный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.За передвижением масс воздуха между странами и распространением таким способом загрязняющих веществ можно проследить. Используя различные метеорологические данные (например, направления ветра на различной высоте, скорость ветра), можно определить, где находящаяся над определенной территорией масса воздуха будет располагаться через 0; 3; 6; ... 36ч. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем больше, чем ближе он находится от места измерения. Расположенный близко менее значительный источник может перекрыть влияние более отдаленного мощного источника загрязнения.

Таким образом, мы схематично ознакомились с вертикальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ. Однако их только теоретически можно отделить друг от друга, в действительности оба эти процесса идут параллельно. Для математического описания (моделирования) распространения загрязняющих веществ необходимо также учитывать химическое взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влияние рельефа на формирование потока воздуха и т.д. Такие математические модели очень сложны. Однако с некоторыми упрощениями можно получить относительно хорошие результаты.

3. Химические  превращения загрязняющих кислотных  веществ в атмосфере

Попадающие  в воздух загрязняющие вещества в  значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества, испытав частичное или полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив таким образом свое агрегатное состояние.

Рассмотрим  подробнее химические реакции и  фазовые изменения, происходящие с  атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

3. 1 Химические  превращения соединений серы

Сера входит в состав в неполностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в  воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

Рассмотрим  в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей вещество двуокись серы.Гомогенной реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

В результате этого  процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают  избыточной энергией по сравнению с  основным состоянием. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная  молекула двуокиси + молекулярный  кислород свободный радикал)

(свободный радикал  + молекулярный кислород трехокись  серы + озон)

Образовавшаяся  трехокись серы, взаимодействуя с  атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому  при обычных атмосферных условиях трехокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием трехокиси серы:

(двуокись серы + атомарный кислород трехокись  серы)

Эта реакция  протекает в тех средах, где  имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет атомарный кислород.

В последние  годы было установлено, что описанные  выше механизмы превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов. Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционноспособностью.

 Одна из  таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал гидроксила свободный  радикал)