Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозо­лей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у лю­дей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэ­розольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц меж­ду собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11 -51 мкм. В атмосферу Земли ежегодно по­ступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образу­ется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ни­же:

Выбросы пыли при производственных процессах, млн.т/год

1. Сжигание каменного угля 93,60

2. Выплавка чугуна 20,21

3. Выплавка меди (без очистки) 6,23

4. Выплавка цинка 0,18

5. Выплавка олова (без очистки) 0,004

6. Выплавка свинца 0,1 3

7. Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных аэрозольных загряз­нений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высо­кой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообрази­ем химического состава. Чаще всего в их составе обнаружива­ются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свин­ца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хро­ма, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разно­образие свойственно органической пыли, включающей алифа­тические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она об­разуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и дру­гих подобных предприятиях. Постоянными источниками аэро­зольного загрязнения являются промышленные отвалы - ис­кусственные насыпи из переотложенного материала, преиму­щественно вскрышных пород, образуемых при добыче полез­ных ископаемых или же из отходов предприятий перерабаты­вающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (1 250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 1 2 тыс. м³. услов­ного оксида углерода и более 11 50 т пыли. Производство це­мента и других строительных материалов также является ис­точником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологи­ческие процессы этих производств - измельчение и химиче­ская обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов

в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пы­ли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и нена­сыщенные, включающие от 11 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимери­зации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязните­лями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных ус­ловиях могут образовываться особо большие скопления вред­ных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воз­духа непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и за­держивает перенос примесей вверх. В результате вредные вы­бросы сосредоточиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образо­вания ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой многокомпонент­ную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические со­единения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.

Так, попадающий в воздух SO₂ , взаимодействуя с водой по реакции:

SO₂ + H₂O = H₂SO₃,

образует мельчайшие капли H2SO3, которые вместе с пылью создают в воздухе дисперсную систему, называемую часто лон­донским смогом (еще недавно это был бич крупнейших промыш­ленных городов). В последнее время основной угрозой для го­рожан становится так называемый фотохимический смог.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимиче­ских реакций при определенных условиях: наличии в атмосфе­ре высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и дру­гих загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безвет­рия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Он образуется согласно схеме hv

NO2 — NO + O,

O + O₂ + M — O₃ + M*,

O3 + NO - NO2 + O2,

(M * - газообразная молекула в возбужденном состоянии). Ус­тойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся ин­версиями, необходима для создания высокой концентрации реа­гирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в ди­оксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепля­ются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые мас­сы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные коли­чества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ноч­ное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реак­цию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные пероксиды, которые в сумме и образуют характерные для фото­химического тумана оксиданты. Последние являются источни­ком так называемых свободных радикалов, отличающихся осо­бой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и дру­гими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для ды­хательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.