Кислотные дожди. 33
Санкт - Петербургский государственный Политехнический университет
Реферат по экологии на тему:
«Кислотные дожди».
Выполнила: студентка гр. 4021/10
ЭлМФ
Западнова Е.А.
Работу проверил: преподаватель по экологии
Никифоров А.Г.
г. Санкт – Петербург
2012 г.
Содержание:
- Введение…………………………………………………………
………….3 - Понятие кислотности, кислотный дождь…………………………………4
- Причины возникновения кислотных дождей…………………………….6
- Последствия кислотных дождей…………………………………………10
- Меры по охране атмосферы от кислотообразующих выбросов……….16
- Заключение……………………………………………………
…………..19 - Список используемой литературы………………………………………21
Введение:
Человечество, к сожалению,
каждый день, час и минуту наносит
непоправимый вред окружающей природной
среде. С экранов телевизора часто
можно услышать очередную весть
о случившейся природной
Но в последнее время проскальзывают известия и о том, что после выпадения осадков в виде дождя, листья здоровых деревьев покрылись непонятными пятнами, а в худших случаях – вовсе отпали. Что стало причиной данной аномалии? Ученые нашли ответ на данный вопрос, который звучит не утешительно – этот эффект вызывают кислотные дожди.[1]
Понятие кислотности, кислотный дождь:
Несмотря на «постиндустриальное» звучание, термину «кислотный дождь» уже более ста лет.
Впервые он был употреблен в 1872 году англичанином Ангусом Смитом, изучавшим эффекты смога в Манчестере, однако тогдашние ученые коллегу не поддержали и к теории кислотных дождей отнеслись скептически. Сегодня же в их существовании нет никаких сомнений. [2]
Для начала, рассмотрим само понятие «кислотность».
Кислотность водного раствора обусловлена наличие в нем положительных водородных ионов Н+ и оценивается концентрацией в 1 литре раствора C(H+) (моль/л или г/л).
В абсолютно чистой воде концентрации ионов Н+ и ОН– равны и раствор нейтрален. В кислых растворах преобладают ионы Н+, в щелочных – ионы ОН–, однако их произведение в любых условиях постоянно. Следовательно, увеличение концентрации одного типа ионов приводит к уменьшению концентрации другого типа в том же количестве.
На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается водородным показателем рН (от латинского «пундус гидрогениум» — вес водорода), представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов рН = –lgC(H+). Эта величина может изменяться в небольших пределах – всего от –1 до 15 (а чаще – от 0 до 14). При этом изменению концентрации ионов Н+ в 10 раз соответствует изменение рН на одну единицу. Таким образом, концентрация водородных ионов в среде с рН = 5 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 6, 7 и 8 соответственно.
Кислыми называют растворы, в которых рН < 7, и, соответственно, чем ниже уровень pH, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и, чем ближе это значение к 14, тем раствор считается более щелочным. Установленная шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Нейтральная среда имеет показатель ph, равный 7 (при комнатной температуре). [3]
Показатель кислотности
pH различных веществ и систем, встречающихся
в повседневной жизни приведён на рис.1.
Рис.1 Показатель кислотности
различных веществ и систем.[4]
Таким образом, в заключение данного параграфа, мы можем сделать следующий вывод, о том, что согласно учению о кислотности, широко распространенный термин «кислотные дожди» обозначает атмосферные осадки - дождь, снег, туман, содержащие техногенные примеси, из-за которых их кислотность превышает нормальный уровень, т.е. рН ниже 5,6. [5]
Причины
возникновения кислотных дождей
Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOх). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.
Источники соединений серы:
Естественные источники эмиссии серы в атмосферу:
I. Биологическое выделение. Почти все без исключения традиционные модели круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере за счет её биологических превращений в почвенных и водных экосистемах. Предполагается, что в результате происходящих микробиологических процессов, в этих естественных экосистемах сера улетучивается в форме сероводорода (H2S).
Многочисленные научные данные свидетельствуют, что микроорганизмы продуцируют сероводород в основном двумя путями:
1. восстановление сульфатов.
2. разложение органического вещества.
Desulfovibrio а также родственные им бактерии, восстановители сульфатов, во множестве населяют болота, топи и слабо дренированные почвы. Данные микроорганизмы используют сульфаты как конечный акцептор электронов. Также чрезвычайно большая и разнообразная группа микроорганизмов, включающая аэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты и грибы, разлагает серосодержащие органические соединения и высвобождает сероводород.
Поверхность моря и его глубинные слои также может содержать значительные количества сероводорода. В настоящее время не совсем точно известны источники образования диметилсульфида, но предполагается, что в их возникновении принимают участие морские водоросли. Выделения серы биологическим путем не превышают 30 – 40 млн. т. в год, что составляет приблизительно 1/3 от всего выделяемого количества серы.
II. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу Земли 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 данное количество серы незначительно по сравнению с биологическим выделением, для стратосферы же извержения вулканов являются самыми важными источниками появления серы.
III. Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остаётся морская соль, содержащая наряду с ионами натрия и хлора соединения серы – сульфаты.
Вместе с частичками морской соли ежегодно в атмосферу Земли попадает от 50 до 200 млн. т. серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы в атмосферу естественным путём.
В тоже время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слои и распыляется над сушей. Однако следует учитывать тот факт, что из сульфатов морского происхождения не может образовываться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.
Антропогенные источники эмиссии серы в атмосферу:
В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде двуокиси (SO2).Среди источников этих соединений на первом месте в мире стоит уголь, сжигаемый на электростанциях и др. промышленных предприятиях. Уголь дает 70% от всех антропогенных выбросов. В процессе горения часть серы, содержащаяся в топливе, превращается в сернистый газ, а часть остается в золе в твердом состоянии. Содержание серы также достаточно велико (0.1 – 2%) и в неочищенной нефти, но эти показатели варьируются в зависимости от происхождения, однако при сгорании нефтепродуктов сернистого газ образуется значительно меньше, чем при сгорании угля. В мире на первом месте по выбросам сернистых соединений в атмосферу стоят такие отрасли промышленности как: металлургическая, предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Таким образом, в результате деятельности человека в атмосферу Земли попадает ежегодно около 60 – 70 млн. т. серы в виде двуокиси серы.
Сравнение естественных и антропогенных источников эмиссии серы и её различных соединений в атмосферу показывает, что человек, в результате своей деятельности, загрязняет атмосферу Земли этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходит в природе естественным путем.
Источники соединений азота:
Естественные источники эмиссии соединений азота в атмосферу:
I. Почвенная эмиссия оксидов
азота. В процессе
II. 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. Образовавшееся таким способом количество оксида азота составляет около 8 млн. т.
III. Горение биомассы. Данный вид источника может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате процесса выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т. оксидов азота (в пересчете на азот) в течение года.
IV. Прочие источники. Прочие
источники естественных
Антропогенные источники эмиссии соединений азота в атмосферу:
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. В данном случае количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассейн Земли около12 млн.т. оксидов азота. Немного меньше оксидов азота, около 8 млн.т. в год поступает от сжигания горючего (бензина, дизельное топливо и т.д.) в двигателях внутреннего сгорания.
Промышленностью во всем мире выбрасывается около 1 млн.т. азота ежегодно. Таким образом, по крайней мере, 37% из почти 56 млн.т. ежегодных выбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот процент, однако, будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы. [6]
Последствия кислотных дождей:
Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду (рис. 2).
Рис.2 Воздействия кислотных дождей на
окружающую среду.
Проблемы, которые возникают в связи с выпадением кислотных дождей:
- Деревья теряют часть листьев, становясь беззащитными перед морозами и болезнями;
- Корни деревьев так же могут замедлить своё развитие, что скажется на нехватке питательных веществ;
- Из-за химических реакций почвы потеряют некоторые микроэлементы и станут менее питательными;
- Увеличение уровня кислотности воды и почв может стать проблемой для водных животных и растений;
- Кислотные дожди могут растворить скрепляющий раствор в кладках зданий, повредить конструкции из природного камня.
- Кислотные дожди могут вызвать различные заболевания у человека. [7]
Как кислотные дожди повреждают растения:
Очень часто растения гибнут в непосредственной близости от источников выбросов загрязняющих веществ. Соединение двуокиси серы адсорбируется на поверхности растения, при этом проникает вовнутрь растения и там уже участвует в окислительно - восстановительных реакциях. Из-за этого изменяется проницаемость мембран, что в свою очередь затрудняет процессы фотосинтеза и дыхания. От воздействия кислотных дождей в первую очередь гибнут лишайники, поскольку они могут существовать только при чистой окружающей среде. [8]
Кроме того, кислотные дожди не часто повреждают растения напрямую. Вместо этого наиболее вероятно увядание растений из-за повреждения их листвы, закисления почвы и уничтожения питательных веществ в ней, выдерживании корней в контакте с ядовитыми соединениями, которые, попав туда однажды, очень медленно оттуда вымываются. Очень часто повреждение или смерть растений являются результатом синергетического эффекта воздействия последствий кислотных дождей в совокупности с другими причинами.
Учёные знают, что подкисленная вода растворяет питательные вещества и минеральные элементы и вымывает их из почвы до того, как растения сумеют воспользоваться этими веществами для питания и продолжения роста. В это же время кислотные дожди переносят в почву ядовитые для растений компоненты, такие как алюминий. Учёные верят, что такое одновременное сочетание вымывания микроэлементов и увеличения токсичности почвы являются причиной нанесения ущерба растениям. Эти субстанции со временем вымываются из почв и с водой попадают в реки и озёра. Чем более насыщенны дожди кислотой, тем больше вымывается из почвы питательных веществ.[7]
На фото можно увидеть повреждённый кислотными дождями лес в Чехии:
Однако, растения могут повреждаться
кислотными дождями даже тогда, когда
в почве содержится достаточное количество
питательных веществ. Леса в высокогорных
регионах часто подвергаются воздействию
кислот более сильному, чем леса на равнинах.
Это обусловлено тем, что деревья в горах
часто произрастают окутанные кислотными
туманами и облаками, которые имеют более
высокую концентрацию кислот, чем дождевые
капли. Учёные считают, что когда листья
часто омываются таким кислотным туманом,
он вымывает питательные вещества, находящиеся
в листьях и иголках. Потеря микроэлементов
из тканей растений делает их более восприимчивыми
к другим факторам окружающей среды, например
к холодной зимней погоде, увеличивая
шанс их гибели или повреждения. [7]
Как кислотные дожди влияют на здоровье человека:
Кислотные дожди по вкусу, цвету и запаху совершенно не отличаются от обычного дождя. Кислотные дожди наносят вред человеку не напрямую. Гуляя под кислотным дождём, или даже плавая в кисловатой воде озера, человек рискует не более, чем купаясь в чистой воде. Однако, загрязняющие вещества, являющиеся причиной кислотного дождя, такие как диоксид серы и оксиды азота наносят вред здоровью человека. Эти газы взаимодействуют в атмосфере, формируя микрочастицы сульфатов и нитратов, которые могут переноситься по воздуху на огромные расстояния и попадать глубоко в лёгкие человека путём их вдыхания. Эти частицы способны проникать и в помещения. Множество научных работ идентифицировало связь между увеличивающимися уровнями загрязнения воздуха такими частицами и увеличением заболеваемости и преждевременной смерти от сердечных и лёгочных заболеваний, например астмы и бронхитов. [7]
Кроме этого тяжелые металлы могут попадать в пищу человека, что может привести к отравлению. [8]
Как кислотные дожди влияют на архитектуру:
Ещё одно последствие влияния кислотных дождей - коррозия памятников, металлов, зданий. Коррозия металлов происходит от того, что увеличивается на его поверхности концентрация иона водорода. Для сравнения степень коррозии металлоконструкции в сельских районах составляет всего несколько мкм в год, тогда как в городе, где производятся выбросы вредных веществ, коррозия достигает 100 мкм в год.
Кислотные дожди кроме металла воздействуют непосредственно на различные сооружения, здания, памятники. Особенно быстро подвергаются воздействию кислотных дождей памятники, которые построены из песчаника или известняка, поскольку они содержат СаСО3, который преобразуется в сульфат кальция и легко подвергается воздействию дождевой воды. [8]
В связи с этим экологи
и представители
Например, чтобы последствия кислотных дождей не отразились на здоровье, не стоит в дождь выходить на улицу без соответствующего инвентаря — зонта либо плаща-дождевика. Если игнорировать этот совет, то все примеси, которые присутствуют в якобы чистой дождевой воде, тянут за собой большое количество проблем. Достигая максимального уровня концентрации в организме, большинство таких элементов начинают свое пагубное действие, провоцируя тяжелые интоксикации, а в некоторых случаях даже мутации, которые проявятся на последующих поколениях. Ионы тяжелых металлов замусоривают каналы печени и почек, а постепенное скопление токсинов приводит к общему отравлению всего организма.
Довольно серьезные
Остальные роковые примеси не менее опасны, многие из них могут вызывать злокачественные опухоли, поэтому необходимо при кислотном дожде воздержаться от прогулки и ни в коем случае не нужно применять эту воду. Последствия кислотных дождей после прогулки можно снизить, если принять теплый душ с мылом или гелем, тщательно вымыть голову шампунем, а после душа выпеть горячий чай с молоком, либо просто теплое молоко. Также рекомендуется принимать различные абсорбенты, которые помогут нейтрализовать и вывести из организма все ненужные примеси. [9]
Но кроме вреда кислотные дожди имеют и полезное действие:
Кислоты, содержащиеся в облаках над океаном, могут разрушать относительно крупные частицы пыли, содержащие железо, на чрезвычайно мелкие и хорошо растворимые наночастицы, которые легко усваиваются планктоном, полагают авторы исследования, опубликованного в журнале Environmental Science and Technology.
Это открытие интересно и с практической точки зрения, как одна из возможностей увеличения биопродуктивности поверхностных вод океана за счет удобрений, для фиксации атмосферного углекислого газа и борьбы с глобальным изменением климата.
Считается, что недостаток железа в той форме, в какой его усваивают микроорганизмы, сильно снижает способность планктона перерабатывать атмосферный углекислый газ в ходе фотосинтеза, и противостоять таким образом глобальному потеплению климата.
Так как облака, содержащие капельки воды с высокой кислотностью, формируются в большей степени в результате промышленных выбросов, ученые полагают, что многие индустриальные страны и в частности Китай, производя много парниковых выбросов, одновременно, в некоторой степени, снижают этот негативный климатический эффект за счет «удобрения» океана.
Для того чтобы прийти к таким выводам, учёные провели эксперименты по получению искусственных облаков в лаборатории. К ним они добавляли частицы пыли, которые поднимаются в атмосферу во время песчаных бурь в Сахаре. Таким образом, исследователи смогли отследить все химические процессы, протекающие в подобных системах. Свои лабораторные эксперименты авторы публикации подтвердили полевыми наблюдениями. [10]
Меры по охране атмосферы от кислотообразующих выбросов:
Чистота атмосферного воздуха
планеты – одно из приоритетных
направлений природоохранной
Международными соглашениями установлены критические нормы выбросов диоксида серы и оксидов азота, ниже которых их воздействие на наиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также ряд рекомендаций по осуществлению снижения этих выбросов.
Основными на сегодняшний день методами снижения загрязнения атмосферы, в том числе кислотообразующими выбросами, являются разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы.
Ведутся исследования по снижению загрязнений от выхлопных газов автомобилей. Наибольшие трудности здесь вызывает именно уменьшение выбросов оксидов азота, которые помимо образования кислотных осадков ответственны за появление фотохимических загрязнителей (фотохимический смог) и разрушение озонового слоя в стратосфере. Для решения этой проблемы ведутся работы по созданию различных каталитических конвертеров, преобразующих оксиды азота в молекулярный азот.
Среди эффективных методов борьбы с выбросами окисленной серы в атмосферу через дымовые трубы следует отметить различные газоочистители, такие, как электрические фильтры, вакуумные, воздушные или жидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате образуется нерастворимый сульфат кальция СаSО4. Этот метод позволяет удалить до 95% SО2, но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тяги требует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникает проблема утилизации СаSO4) и экономически эффективен лишь при строительстве новых крупных предприятий. Такой же дорогостоящий метод очистки дымовых газов от оксидов азота - с помощью изоциановой кислоты НNСО (удаляется до 99% оксидов азота, превращающихся в безвредные азот и воду).
Восстановление нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при этом не только уменьшается кислотность воды, но и повышается ее буферная способность, т. е. сопротивляемость по отношению к будущим кислотным осадкам.
Известкование можно применять и для защиты лесов от кислотных дождей, используя распыление с самолетов свежемолотого доломита (СаСО3•MgCO3), который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ:
СаМg(СО3)2 + 2Н2SО3 = СаSО3 + МgSО3 + 2СО2 + 2Н2О,
СаМg(СО3)2 + 4НNО3 = Са(NО3)2 + Мg(NО3)2 + 2СО2 + 2Н2О.
Для защиты памятников культуры
и ценных архитектурных сооружений
используют покрытия из высокомолекулярных
соединений – силиконов или производных
эфиров кремниевой кислоты; для защиты
металлических изделий –
Все перечисленные меры представляют собой реализацию метода «контроля на выходе» – снижение концентрации загрязнителей на стадии их попадания в атмосферу.
Более эффективен с экологической точки зрения метод «контроля на входе», предусматривающий очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии и создание так называемых безотходных технологий, т. е. технологических процессов, сопоставимых с природными циклами в биосфере.
Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя низкосернистый уголь, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется органическая сера. Отметим, что физические методы очистки малорентабельны, а применение химических методов очистки из-за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновь строящихся электростанциях. Для средних и малых предприятий энергетики используется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до 95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.
Хорошо разработана технология уменьшения содержания оксидов азота (на 50–60%) путем снижения температуры горения.
Перспективна замена бензина в автомобилях другими видами топлива (например, смесью спиртов), применение газобаллонных автомобилей, использующих природный газ, и электромобилей; использование на электростанциях в качестве топлива природного газа.
Реально заменить горючие ископаемые могут возобновляемые, экологически чистые энергетические ресурсы, такие, как солнечная энергия, ветер, морские приливы, термальные источники недр Земли. Пока возможности таких энергопроизводств относительно ограничены, но тем не менее, например, в Дании ветровые электростанции дают около 12% энергии (столько же дают все АЭС в России).
Энергосбережение, внедрение
новых неэнергоемких технологий
и безотходных и малоотходных
технологий производственных процессов,
применение альтернативных источников
энергии, все меры экологического контроля
способны решить проблему загрязнения
атмосферного воздуха, оздоровить окружающую
среду, снять угрозу необратимых
отрицательных изменений в
Заключение:
Нам уже известно, что дальнейшее закисление окружающей среды зависит от того, как будет обстоять дело с антропогенными выбросами оксидов серы и азота 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 закисления 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 NOx, 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.
