Проблема кислотних дощів

     Кислотні  дощі – одна з глобальних  екологічних проблем людства.  Вона з’явилась внаслідок забруднення  атмосфери. Стоїть поряд з парниковим  ефектом, озоновими дірками і  смогом. Сам термін «кислотні  дощі» ввів англійський хімік  більш ніж 100 років тому. Прагнучи досягти однохвилинну користь, людина різко змінила склад дощових та снігових опадів, наносячи цим самим шкоду всій біосфері.

      Так, ще 200 років тому дощова  та снігова вода була майже  нейтральною з рН=7 (водневий показник). Дощова вода вважається кислою, якщо її рН менше, чи рівний 5. В наш час дощова та снігова вода часто є просто слабким розчином сірчаної та азотної кислоти, попередниками яких були сірка та азот.

      Світовий рекорд по випадінню  кислотного дощу належить шотландському  місту Пітлохрі, де 10 квітня 1974 р. пройшов дощ з рН=4! Це вже не вода, а щось більше схоже на столовий оцет.

      Цією проблемою займається екологічна  служба кожного міста. Шкідливий  вплив полягає в тому, що кислотні  дощі збільшують розчинність  сполук важких металів.

       Тому вивчення даної проблеми  є особливо актуальним в наш  час: необхідно знати не тільки  причини виникнення кислотних  дощів і наслідки негативних  впливів, а й засоби подальшого  запобігання розповсюдженню кислотних  опадів.

       Кислотний дощ утворюється в результаті реакції між водою і такими забруднюючими речовинами, як діоксид сірки (SO2) і різних оксидів азоту (NOx). Ці речовини викидаються в атмосферу автомобільним транспортом, у результаті діяльності металургійних підприємств і електростанцій, а також при спалюванні вугілля і деревини. Вступаючи в реакцію з водою атмосфери, вони перетворюються в розчини кислот: сірчаної, сірчистої, азотистої й азотної. Потім, разом із снігом чи дощем, вони випадають на землю.

      Природними джерелами надходження діоксиду сірки в атмосферу є головним чином вулкани і лісові пожежі. Тим часом природні надходження в атмосферу оксидів азоту зв'язані головним чином з електричними розрядами, при яких утвориться NО, згодом — NO2. Значна частина оксидів азоту природного походження переробляється в ґрунті мікроорганізмами, тобто включена в біохімічний круговорот.

      Механізми утворення кислотних дощів в атмосфері:  

     1) В утворенні сірчаної кислоти  із діоксиду сірки SO2 в атмосфері  приймають участь радикали ОН˙, котрі присутні в атмосфері із середньою річною концентрацією близько 5·105 – 106 частинок в 1 см3. Радикали ОН˙ утворюються в атмосфері за рахунокфотолізу озону в ультрафіолетових променях з присутністю парів води. Схеми реакцій, які ведуть до утворення сірчаної кислоти, наступні:  

ОН˙ + SO2 → НSO3˙;  

НSO3˙ + O2 → SO3 + НO2˙;  

SO3 + Н2О → Н2 SO4.  

     В  подальшому сірчана кислота або  випадає на поверхню Землі,  або дає солі, реагуючи головним  чином із аміаком. Солі зазвичай  виводяться із атмосфери разом із дощами за рахунок гравітації. Даний механізм забезпечує вивід діоксиду сірки із атмосфери приблизно за 12 днів.

     2) Інший механізм утворення сірчаної  кислоти пов’язаний з окисненням  діоксиду сірки в краплинках  хмар, проходить також за рахунок радикала ОН˙. В цьому випадку в процесі беруть участь іониSO2–3 і НSO3–, а окисником виступає кисень, і процес може носити ланцюговий характер, особливо в урбанізованих районах, де концентрація діоксиду сірки велика:  

ОН˙ + НSO3– →  НO2 + SO3˙– ;  

SO3˙– + O2 → SO5˙– ;  

SO5˙– + НSO3– →  НSO5– + SO3˙–.  

      Утворений в останній реакції  радикал SO3˙– знову вступає  в реакцію з киснем, що і  забезпечує протікання ланцюгових  реакцій. Поряд з цим процес  окиснення діоксида сірки в  краплях каналізують іони заліза, а одночасна присутність іонів марганцю суттєво прискорює даний процес.

      3) Третій механізм окиснення діоксиду  сірки киснем має каталітичну  природу. Каталіз здійснюється  на поверхні аерозольних частинок, насамперед сажі.

      4) Утворення азотної кислоти проходить в атмосфері двома основними шляхами. Перший з них – реакція радикала ОН˙ сNO2:  

ОН˙+NO2 → НNO3.  

      Ця реакція проходить вдень,  так як радикал ОН˙присутній  в атмосфері у великій концентрації  тільки в денний час. 

      5) Існує також і «нічний» механізм утворення азотної кислоти, який проходить через реакцію з озоном з утворенням радикала НNO3˙:  

NO2 + O3 → NO3˙  + O2;  

NO3˙ + NO2 → N2O5˙;  

N2O5˙ + Н2О →  2НNO3. 

       У водяних екосистемах кислотні  опади викликають загибель риб та інших водяних мешканців. Підкислення води рік і озер серйозно впливає і на сухопутних тварин, тому що багато звірів і птахів входять до складу харчових ланцюгів, що починаються у водяних екосистемах. Разом із загибеллю озер стає очевидною і деградація лісів. Кислоти порушують захисний восковий покрив листів, роблячи рослини більш уразливими для комах, грибів і інших патогенних мікроорганізмів. Під час посухи через ушкоджені листи випаровується більше вологи. Вилуджування біогенів із ґрунту і вивільнення токсичних елементів сприяє уповільненню росту і загибелі дерев. Можна припустити, що відбувається і з дикими видами тварин, коли гинуть ліси. Якщо руйнується лісова екосистема, починається ерозія ґрунту, засмічення водоймищ, повінь і погіршення запасів води стають катастрофічними. Підкислення ґрунту азотнокислими дощами стимулює розвиток лісових шкідників. У результаті закислення в ґрунті відбувається розчинення живильних речовин, життєво необхідних рослинам; ці речовини виносяться дощами в ґрунтові води. Одночасно вилуджуються з ґрунту і важкі метали, що потім засвоюються рослинами, викликаючи в них серйозні ушкодження. Використовуючи такі рослини в їжу, людина також одержує разом з ними підвищену дозу важких металів. Коли деградує ґрунтова фауна, знижуються врожаї, погіршується якість сільськогосподарської продукції, а це, як ми знаємо, спричиняє погіршення здоров'я населення. Під дією кислот з гірських порід і мінералів вивільняється алюміній, а також ртуть і свинець, що потім попадають у поверхневі і ґрунтові води. Алюміній здатний викликати хворобу Альцгеймера, різновид передчасного старіння. Важкі метали, що знаходяться в природних водах, негативно впливають на нирки, печінку, центральну нервову систему, викликаючи різні онкологічні захворювання. Генетичні наслідки отруєння важкими металами можуть проявитися через 20 років і більш не тільки в тих, хто вживає брудну воду, але й у їхніх нащадків. Забруднення повітря кислото утворюючими викидами робить різноманітний шкідливий вплив і на організм людини. Вдихання вологого повітря, що містить діоксид сірки, особливо небезпечно для людей похилого віку, що страждають серцево-судинними і легеневими захворюваннями, у важких випадках може виникнути набряк легень. Шкідливо це і для здорових людей, оскільки SO2 і сульфатні частки мають канцерогенну дію. Установлено тісний взаємозв'язок між підвищенням смертності від бронхітів і ростом концентрації діоксиду сірки в повітрі. Під час трагічного лондонського туману 1952 р. більш 4000 смертей було віднесено за рахунок підвищеного вмісту у вологому повітрі діоксиду сірки і сульфатних часток. Численні дослідження показали збільшення числа захворювань дихальних шляхів у районах, повітря яких забруднений діоксидом азоту NО2. Потрапляючи в дихальні шляхи, він взаємодіє з гемоглобіном крові, утрудняючи перенос кисню до органів і тканин, викликає респіраторні, астматичні і серцеві захворювання. У лютому 1972 р. у Японії з цієї причини занедужало більш 70 000 чоловік, для багатьох з них захворювання мало летальний результат.

      Кислотні дощі роз'їдають метали, фарби, синтетичні з'єднання, руйнують  архітектурні пам'ятники. Багато  скульптур і будинки в Римі, Венеції й інших містах, пам'ятники  зодчества, такі, як Акрополь в  Афінах, Кельнський собор та інші, за кілька останніх десятиліть одержали значно великі ушкодження, чим за весь попередій час. Під погрозою повного руйнування в результаті дії кислотних опадів знаходяться більш 50 тис. скульптур скельного «Міста Будд» під Юньанем у Китаї, побудованого 15 століть назад. Найбільш характерні кислотні дощі для індустріальних країн з високорозвиненою енергетикою. Найбільшу втрату вони нанесли лісам Центральної Європи, зокрема 35% лісів Німеччини (на площі більш 2,5 млн. га) ушкоджені ними. Збиток від кислотних дощів для європейських лісів оцінюється в 118 млн. м3 деревини в рік (з них близько 35 млн. м3 на європейській території Росії). У меншому ступені від кислотних дощів страждають сільськогосподарські рослини, оскільки підкислення ґрунтів тут можна контролювати агрохімікатами. Для боротьби з кислотними дощами необхідно направити зусилля на скорочення викидів кислотоутворюючих речовин вугільними електростанціями. А для цього необхідно: використання низько сірчисте вугілля чи його очищення від сірки; установка фільтрів для очищення газоподібних продуктів; застосування альтернативних джерел енергії. Більшість людей залишається байдужими до проблеми кислотних дощів.

      Заходи по запобіганню негативних впливів

      Існують організаційні, технологічні та інші способи боротьби із забрудненням атмосфери.  

Як зробити  повітря чистим і уникнути кислотних  дощів:

      1) Зменшення кількості ТЕС за рахунок будівництва більш потужних, забезпечених новітніми системами очищення й утилізації (корисного використання) газу та пилу. Як відомо, одна потужна ТЕС забруднює повітря менше, ніж сотня котелень тієї самої сумарної потужності.

       2) Очищення вугілля до його надходження в топки ТЕС від піриту (сірчаного колчедану).

       3) Заміна вугілля та мазуту для ТЕС на екологічно чисте паливо – газ. ТЕС, які працюють на природному газі, крім СО (останній теж можна вилучити з диму), не викидають у повітря шкідливих газів.

      4) Регулювання двигунів внутрішнього згорання в автомобілі, встановлення на них спеціальних каталізаторів, що нейтралізують чадний газ до СО.

      5) Озеленення місті сіл.

      6) правильне планування житлових і промислових районів у межах міста. 

      Методи боротьби з кислотними опадами:

      по-перше, необхідно знизити викиди оксидів сірки й азоту (SO2 , NO2 і NO) в атмосферу, але в першу чергу сірчаного газу, адже саме сірчана кислота та її солі на 70–80% обумовлюють кислотність дощів, які йдуть на великих відстанях від місця викиду;

      по-друге, необхідно розумно обмежити потреби людини;

      по-третє, важливо розробити і вводити принципово нове технологічне отримання сірчаної і азотної кислот: час безконтрольних викидів пройшов.

      Для очищення викидів в атмосферу від оксидів азоту широко використовують декілька методів відновлення: низькотемпературне аміаком; некаталітичне гомогенне в присутності кисню і аміаку; селективне каталітичне в присутності оксиду титана (ІV) і оксиду ванадію (V).

      Для очищення відхідних газів від сірковмісних домішок використовують спеціальні пристрої – скрубери, заповнені вапном, вапняком і спеціальними домішками. так можна знизити вміст діоксиду сірки на 70–90%.

      Для відновлення втрачених екологічних умов на озерах і в ґрунтах застосовують вапнування. Існує досить велика кількість методів нейтралізації антропогенних забруднень. Їх використання веде до збільшення витрат на виробництво, але іншого шляху для збереження навколишнього середовища немає.

       У водоймища, які постраждали від кислотних дощів, нове життя може вдихнути невелика кількість фосфатних добрив; вони допомагають планктону засвоювати нітрати, що веде до зниження кислотності води. Використання фосфатів дешевше, ніж вапна, тим більше, фосфати менше діють на хімічний склад води.

       Дуже важливим є нагляд за хімічним складом і кислотністю опадів, який ведеться на спеціальних станціях. Останні відбирають на хімічний аналіз сумарні проби, інколи вимірюють лише величину рН. Але частіше, цим не обмежуються і зазначають також наявність іонів сульфатів, нітрату амонію, важких металів тощо.  

      Висновки

     1. Основна причина виникнення кислотних опадів – це утворення дрібних крапельок сірчаної та азотної кислоти, внаслідок сполучення окисів сірки та азоту з атмосферною вологою. Причому, окиси сірки та азоту потрапляють в атмосферу через викиди автомобільних двигунів та ТЕС. Вони переносяться вітрами у вигляді кислотного туману й випадають на землю кислотними дощами та кислотним снігом.

     2. Негативні наслідки проявляються на всій екосистемі. Руйнується ґрунт, у водоймах гинуть цінні види промислових риб, зникає унікальна рослинність, наявна інтенсивна міграція багатьох хімічних елементів, жовтіють і гинуть хвойні дерева і т. д. Сильно руйнуються цінні історичні пам’ятки. Якщо людина потрапляє під кислотний дощ, подразнюється її шкіра і слизові оболонки, порушується дихальна діяльність, з’являється біль у грудях. Через забруднену воду люди можуть одержувати дуже важкі отруєння.

     3. Засоби по запобіганню негативного впливу кислотних опадів – це боротьба із забрудненістю атмосфери, яка має проводитися комплексними заходами об’єднанням країн. Так як сірка та азот потрапляють в атмосферу через ТЕС та двигуни автомобілів, то і способи боротьби із забрудненням атмосфери ґрунтуються на очищенні та утилізацію газів та пилу від ТЕС, і регулюванні двигунів внутрішнього згорання та встановленні на них спеціальних каталізаторів.

      Кислотні опади – глобальна екологічна проблема людства, причиною якої і стала сама людина. Будь-хто має нести відповідальність за наслідки своїх дій, тому люди просто зобов’язані зробити все можливе, щоб зменшити негативні наслідки кислотних опадів і запобігти їм.