Химия аэрозолей и пыли

Возникновение атмосферной пыли и аэрозолей

Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но и распыленные частицы твердых и жидких веществ. Размеры твердых и жидких частиц в газообразной среде колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы (ионы).

Под атмосферной пылью понимают взвешенные в воздухе твердые частицы размером более 1 мкм. Эти частицы трудно классифицировать химически, так как они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы самого различного происхождения, в том числе и цветочную пыльцу. Атмосферная пыль в основном имеет минеральное происхождение.

Аэрозоли представляют собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой служит, как правило, воздух. Размер диспергированных частиц лежит в пределах 0,1—0,001 мкм. В отличие от атмосферной пыли аэрозоли содержат не только твердые, но и жидкие частицы, образованные при конденсации паров или при взаимодействии газов. Жидкие капельки могут содержать и растворенные в них вещества. Обычно к аэрозолям относят и капельки размером 0,1 — 1 мкм, тогда как твердые частицы того же размера относят к аэрозолям реже, часто их характеризуют как тончайшую пыль.

Атмосферная пыль и аэрозоли могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение (производственные и бытовые выбросы). В результате природных процессов частицы солей попа­дают в воздух из морской воды, минеральная пыль — из сухой почвы, пыль и зола — при вулканических извержениях, твердые частицы дымов — при лесных пожарах.

Экологические проблемы, связанные с химией атмосферного аэрозоля

1. Влияние на формирование радиационного режима планеты. Аэрозоли, в зависимости от размера и состава частиц, вносят существенный вклад в отражение, рассеяние и поглощение коротковолновой радиации Солнца и восходящего потока теплового излучения подстилающей атмосферу поверхности. Вследствие этого изменение содержания взвешенных частиц в атмосфере может вызывать значительные климатические изменения.

Например, выброс в атмосферу большого количества пепла при извержении вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. привел к понижению температуры воздуха в летние месяцы в Западной Европе и на востоке США на 1 — 2,5 °С (этот год получил название «год без солнца»). Серьезные последствия для климата всего Северного полушария имело катастрофическое извержение вулкана Кракатау в 1883 г., в процессе которого в атмосферу был заброшен пепел на высоту до 80 км, а выпадение его регистрировалось на площади 825 тыс. км.

2. Аэрозоли играют важную роль и в формировании гидрологического режима. Частицы определенного размера и химического состава служат ядрами, на которых происходит конденсация водяного пара и кристаллизация воды.

3. На поверхности частиц конденсируется не только вода, но и многие другие компоненты атмосферы — соединения тяжелых металлов, неорганические и органические газы и пары малолетучих соединений.

4. В составе обнаружены многие токсичные примеси: соединения тяжелых металлов, канцерогенные ароматические углеводороды, полихлорированные соединения различных классов — пестициды, бифенилы и др. Наибольшие количества многих из этих токсикантов содержатся в самых мелких фракциях аэрозолей, способных проникать глубоко в дыхательный тракт и кровеносную систему.

Источники загрязнения атмосферы

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

При извержении вулканов в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

К антропогенным источникам загрязнения, относятся следующие:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд т углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860—1960 гг.) содержание СО₂ увеличилось на 18% (с 0,027 до 0,032 %). За последние три десятилетия XX в. темпы этих выбросов значительно возросли и к 2000 г. количество угле­кислого газа в атмосфере составило не менее 0,05 %.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями различных газов.

7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель — монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК (предельно допустимые концентрации) в рабочих помещениях 0,1 мг/м³. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40—50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы становятся катастрофы на АЭС (например, чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотон­нажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены оксиды, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических — тяжелые металлы (Сd, Сг, Рb, Мn, Нg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец и кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Воздействие оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.

Под загрязнением атмосферы понимают изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии. К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглеводороды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основным источником загрязнения воздуха являются предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. К источникам загрязнений относятся теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения первичных. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Главным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170 % ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

В России составлен ранжированный перечень городов (на 1991 г.) по количеству выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников. Список возглавляет Норильск, где ежегодно промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу около 2,5 млн. тонн вредных веществ, что составляет 8% всех выбросов в России. Далее следуют наиболее крупные промышленные центры (Магнитогорск, Череповец, Нижний Тагил и т.д.). Одиннадцатое место по выбросам занимает Москва (около 800 тыс. тонн). Однако в последние годы во многих городах России несколько улучшились экологические показатели, в основном за счет спада производства и простоев предприятий. Контроль за загрязнением атмосферы ведется в 334 городах и охватывает все города с населением более 100 тыс. человек и с крупными промышленными предприятиями.