ТЕМА 8

ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ

 

Із понад 200 забруднювачів повітря, на які встановлено норми гранично допустимих концентрацій ( ГДК), слід виділити шість основних, пов’язаних з горінням палива:

1. тверді частки

2. Оксиди сірки SO₂

3. Оксиди азоту NO , NO₂

4. Оксид вуглецю СО

5. Оксид вуглецю СО₂

6. Вуглеводні

Ці речовини визначають до 90-98 % валових викидів шкідливих речовин у великих містах і промислових регіонах. Для більшості регіонів характерно наступне вагове співвідношення цих речовин в атмосферу: оксид вуглецю близько 50 %, оксиди сірки близько 20 %, тверді частки 16-20%, оксиди азоту 6–8 % і вуглеводні 2-5%.

До дуже небезпечних речовин слід віднести також і бенз(а)пірен, який викидається в дуже незначній кількості в порівнянні з перерахованими речовинами, але є вкрай токсичною речовиною.

 

8.1. Токсична дія забруднюючих речовин

Оксид вуглецю. Він впливає на нервову і серцево-судинну системи, викликає задуху (сполучається з гемоглобіном крові, який стає нездатним переносити кисень до тканин). Оксид вуглецю не має запаху, і це робить його особливо небезпечним. Первинні симптоми (біль в голові ) виникають при концентраціях 200-220 мг/м³ при впливі протягом кілька годин. При великих концентраціях СО з’являється відчуття пульсу в скронях, запаморочення.

Нещодавнє відкриття вчених Великобританії підтвердило відоме висловлювання Парацельса, сенс якого – «ліки від отрути відрізняються тільки дозуванням» (мається на увазі одна і таж речовина). Встановлено, що присутність невеликих кількостей оксиду вуглецю в розчиненому стані підтримує життя органів і знижує ризик їх відторгнення. Розроблено методику лікування серцевих нападів і зменшення ризику відторгнення органів після операцій з трансплантації за допомогою оксиду вуглецю. У присутності цієї речовини швидше відновлюються органи, постраждалі від тривалої відсутності кисню, наприклад після серцевих нападів.

Оксиди азоту NO та NO₂. Не мають кольору і запаху. Дуже отруйні, діють подразливо на органи дихання. При високих концентраціях викликають кашель, блювоту, головний біль. Загострюють астму, легеневі та серцеві захворювання. Посилюють дію СО. Послаблюють імунітет організму до багатьох захворювань.

У великих містах викиди оксидів азоту від автомобільного транспорту спільно з вуглеводнями утворюють смог – фотохімічний туман.

Знижують урожайність в сільському господарстві, знищують ліси . Руйнують ряд матеріалів самостійно, а також у вигляді кислих дощів.

Оксиди сірки. Насамперед, викидається діоксид сірки SO₂ ( сірчистий ангідрид ). Це безбарвний газ з різким запахом; вже в малих концентраціях    (20–30мг/м³ ) створює неприємні відчуття в роті і подразнює слизові оболонки очей і дихальні шляхи. Поріг запаху становить 3–6 мг/м³. Викликає захворювання дихальних шляхів, легеневі та серцеві захворювання, загострення астми.

У рослинному світі до SO₂ найбільш чутливі хвойні та листяні ліси, так як цей оксид накопичується в хвої і листі. При вмісті в повітрі від 0,23 до 0,32 мг/м³ SO₂ відбувається всихання сосни за 2–3 роки в результаті порушення фотосинтезу і дихання. Аналогічні зміни листяних дерев відбуваються при концентрації SO₂ близько 0,5–1,0 мг/м³.

Сірчистий ангідрид викликає руйнування металів і деяких матеріалів, випадаючи на землю у вигляді кислих дощів.

Вуглеводні. Представляють собою негорючі компоненти палива. Особливо великі викиди спостерігаються на автомобільному транспорті при неправильному регулюванні двигунів. Викликають нудоту, сонливість, головні болі, деякі з них – ароматичні – канцерогени.

Бенз(а)пірен. Дуже сильний канцероген – речовина, що викликає ракові захворювання. Є мутагеном, що викликають генетичні мутації організмів при розвитку плода. Спричиняє також тератогенну  дію (народження виродків). Проявляє здатність накопичуватися (акумулювати ) в організмі.

Тверді частинки. Представляють собою високодисперсні частинки пилу, золи і сажі, що виділяються в аерозольному стані в атмосферу. Викликають подразнення верхніх дихальних шляхів, загострення астматичних, легеневих і серцево– судинних захворювань.

Знижують сонячне освітлення, стимулюють утворення смогу у великих містах. Особливо небезпечна сажа, так як вона сорбує бенз(а)пірен і стає канцерогенною.

Слід зазначити, що паливо являє собою небезпеку для навколишнього середовища і людини не тільки внаслідок спалювання та утворення шкідливих речовин. Шкідливий вплив починається вже на стадії його видобутку і транспортування.

 

8.2.Тверді частки

Тверді частки діляться на пил, дим ( золу ) і сажу.

Пил являє собою саме паливну речовину або іншу, що не є паливом      (наприклад, цемент).

Дим утворюється при спалюванні палива і являє собою золу. Зола – це незгорілі мінеральні ( неорганічні ) домішки палива. Зола утворюється тільки від спалювання твердого палива, і її викиди залежать від вмісту баласту в паливі. Розміри частинок в димі значно менші, ніж у пилу і можуть досягати величин від 5 мкм до менш ніж 0,1 мкм. Частинки таких розмірів утворюють досить стійкі до осідання аерозолі, що поширюються на дуже великі відстані.

Сажа є продуктом неповного згоряння вуглеводневого палива і являє собою вуглець у високодисперсному стані.

Основними джерелами викидів твердих частинок є електростанції, промислові та опалювальні котельні, металургійні і цементні заводи, рудозбагачувальні та вуглезбагачувальні підприємства.

Природними джерелами викидів твердих часток є вулканічні виверження, пилові бурі, лісові пожежі, випаровування морської солі.

Близько 60 % всіх аерозолів при спалювання вугілля складають тверді частинки, в основному зола і пил. У менших кількостях утворюється сажа і канцерогенні речовини. Викид золи залежить від вмісту мінеральної частини в паливі, конструкції топкового пристрою та ефективності системи уловлювання твердих частинок.

Основним видом твердих частинок при спалюванні рідкого палива є сажа. Її вміст у викидах залежить від конструкції і регулювання топкового пристрою або двигуна , а також від коефіцієнта надлишку повітря. Останній являє собою відношення кількості повітря, що подається на згоряння палива, до його стехіометричної кількості. Автомобільний транспорт – основне джерело забруднення твердими частинками у великих містах. Великі підприємства, перераховані вище як основні забруднювачі, зазвичай виведені за межі житлових зон. У міській зоні часто розташовані великі котельні і ТЕЦ, які також є основними джерелами забруднення міст.

Викиди сажі при спалюванні газового палива на кілька порядків нижчі, ніж при спалюванні рідкого палива.

 

8.3. Кислотні дощі

Як вже зазначалося вище в характеристиці шкідливого впливу оксидів сірки , вони викликають легеневі та серцеві захворювання, а також надають пригнічуючий вплив на рослинність. Але не менш шкідливий вплив роблять т.зв. кислотні дощі . До них відносяться атмосферні опади (дощ , сніг), які мають підвищену кислотність через розчинення в них кислот. Насамперед, це H₂SO₄ , HNO₂ , HNO₃ і меншою мірою H₂SO₃ і HCl. У Північній Америці на частку сірчаної кислоти припадає приблизно 65 %, на частку соляної кислоти 5 % і на частку азотної і азотистої кислот припадає приблизно порівну інша частина кислих дощів.

Кислоти утворюються при взаємодії оксидів сірки та азоту з атмосферною вологою . Зазвичай атмосферні незабруднені опади мають рН = 5,65 (слабо кисле середовище через розчинений діоксид вуглецю). На значних територіях США, Канади і Заході Європи середньорічні значення рН коливаються в районі 4,0–4,5.

Від випадання кислотних дощів страждає рослинність, особливо хвойні. Відбувається дефоліація (скидання ) хвої і листя. Потрапляючи в водойми, кислі дощі викликають загибель риби, молюсків, бактерій, водоростей.

Кислотні випадання негативно впливають на всі континентальні екосистеми. Особливо сильні зміни відбулися в прісноводних водоймах деяких регіонів Європи та Америки. У деяких регіонах США є сотні озер, в яких через кислих дощів загинула вся риба. Є такі райони в Норвегії і в Швеції. Наприклад, в Норвегії до кінця 1940 –х рр.  практично не було озер з рН води менше 5, але до 1972 такі значення рН мали вже більш ніж 25 % озер, а ще через 8 років їх частка перевищила 30 %. У Швеції на початку 1980 рр.  величина рН менше 5,0 реєструвалася в 5000 великих озер.

У Північній Європі область випадання сильнокислих дощів охоплює практично всі прибережні райони Північного і Балтійського морів – територію Нідерландів і Данії , північ Німеччини та Польщі , південні райони Норвегії та Швеції.

Кислотні дощі – проблема інтернаціональна, так як на відміну від вільного SO₂ вони можуть переміщатися на великі відстані від місця утворення SO₂. Через транскордонне  перенесення із Західної та Центральної Європи кислі дощі потрапляли на західні кордони країн колишнього СРСР.

Кислотні дощі чинять несприятливий вплив на ґрунт. Відбувається порушення природного для природи співвідношення утримуючих елементів в обмінній і водорозчинній формі. Деякі елементи, такі як алюміній, марганець, залізо і цинк в кислому середовищі більше переходять в водорозчинний стан , а деякі через зв’язування сірчаною кислотою, навпаки, переходять в малорозчинну форму, і виявляються менш доступними, як , наприклад, кальцій, який зв’язується в CaSO₄. У Скандинавії через дуже тонкий ґрунтовий шар грунт не здатен забезпечити високу опірність закисленню від кислих дощів.

Збільшення кислотності ґрунту знижує кількість бактеріальних клітин і порушує налагоджений природою конвеєр розкладання мертвого органічного матеріалу і відновлення природної родючості ґрунтів.

За розрахунками , загальні втрати продукції рослинництва в Західній і Центральній Європі в річному численні становлять близько 1,1 млн. т , а втрати деревини – близько 600 тис. м³. Причому близько половини цих втрат припадають на області з помірним забрудненням SO₂ – не вище 10 мкг/м³ .

Крім того, кислі дощі руйнують споруди з мармуру та бетону, пам’ятники, скульптури та металоконструкції. Наприклад , в промислових районах сталь кородує в 10 разів, а алюміній в 100 разів швидше, ніж у сільській місцевості.

 

8.4. Канцерогенні речовини

З органічних речовин канцерогенною активністю володіють деякі ароматичні та, особливо, поліциклічні вуглеводні, тобто ті, що складаються з декількох бензольних кілець. З них найбільш небезпечним є бенз (а) пірен   (синоніми – бензпірен, 3,4 – бензпірен). Він може утворюватися при піролізі вугілля і вуглеводневого палива при температурах понад 600 °С. Бенз(а)пірен присутній в сажі, в димових газах , вихлопах автомобілів , є продуктом крекінгу нафтових фракцій та отримання коксу. Він найактивніше утворюється при згоранні палива при нестачі повітря. Велика концентрація бензопірену може утворюватися в установках по спалюванню органічних побутових і виробничих відходів, особливо при їх неповному спалюванні. Бензпірен міститься також в тютюновому димі.

Бензпірен в даний час є одним з найбільш поширених і небезпечних в канцерогенний відношенні сполук. Тільки в США щорічно в атмосферу випускається до 1300 т бензпірену. Тим часом, досить лише 3–5 мг цієї речовини , щоб викликати рак легенів або шкіри людини. Особливістю впливу бензпірену на організм є тривалий період (до 10 років) між впливом його на організм і виявленням пухлинного процесу.

Потрапляючи в атмосферу, бенз(а)пірен сорбується на поверхні твердих частинок продуктів згоряння палива, насамперед на частинках сажі розміром менше 200 мкм, яка також є продуктом неповного згоряння. Тому ознакою підвищеної концентрації бенз (а) пірену у вихлопах автомобілів або димових газах котлів є утворення сажі. Частинки такого розміру здатні легко проникати в дихальні шляхи людини.

 

Формула бенз (а) пірену С₂₀Н₁₂. Його структурна формула:

 

Рис. 8.1. Структурна формула бенз(а)пірену

 

За деякими даними, його утворення протікає за участю ацетилену, який утворюється при крекінзі або піролізі вуглеводнів. Спочатку ацетилен димеризується в дивініл, а потім останній полімеризується до бенз(а)пірену:

2НС ≡ СН + Н₂ →Н₂С = СН– СН = СН₂               ( 69 )

5Н₂С = СН–СН = СН₂ →С₂₀Н₁₂ + 9Н₂                  ( 70 )

Можливий варіант безпосередньої полімеризації ацетилену в бенз(а)пірен, минаючи стадію утворення дивінілу:

10НС ≡ СН →С₂₀Н₁₂ + 4Н₂                                     ( 71 )

Як повідомлялося вище, ГДК бенз(а)пірену дуже низька. Фактори, що впливають на його утворення в топках котлів при спалюванні газу або рідкого палива, випливають як із їх конструктивних особливостей, так і з режимних параметрів:

• Вміст кисню в котельній камері ;

• Навантаження котла;

• Частка рециркуляції димових газів в топку ;

• Організація ступеневої спалювання палива;

• Вприск пари або води в топковий об’єм.

Зниження вмісту кисню в котельній камері призводить до збільшення концентрації бенз(а)пірену в димових газах. Тому важливим способом зниження викидів бенз(а)пірену є підтримання правильного значення коефіцієнта надлишку повітря, відповідного конструкції даної установки.

Навантаження котла має істотний вплив на вміст бенз(а)пірену. З її зменшенням концентрація бенз (а) пірену зростає. Це пояснюється головним чином зниженням температури в котельній камері – збільшенням протяжності частки піролізу і вигоряння палива. Наприклад, при 50 % -ому навантаженні котла викиди бенз(а)пірену виявляються в 1,2 рази більше , ніж при повному навантаженні.

Введення вологи в топку зменшує концентрацію бенз ( а ) пірену у всіх випадках залежно від способу введення в топку пари або води . Найбільш ефективним є введення вологи в факел.

Суттєвого зниження викиду бенз(а)пірену можна шляхом удосконалювання пальникових пристроїв і встановлення більш сучасних форсунок.

Особливої уваги заслуговують методи струшування поверхні нагріву мазутних котлів від відкладень сажі і золи, в момент якого в атмосферу надходять залпові викиди бенз(а)пірену. Для запобігання цих викидів повинні використовуватися спеціальні системи очищення поверхонь нагріву.

Вміст бенз (а) пірену в димових газах котлів в значній мірі залежить від виду палива, що спалюється. Найменша кількість утворюється при спалюванні газу. Наприклад, при спалюванні природного газу вміст бенз(а)пірену в димових газах котлів досягає 1,2-5мкг/100м³. Паровий котел електростанції продуктивністю 1000 т пари на годину викидає близько 0,05 г/год бенз(а)пірену.

При спалюванні мазуту ця величина в 5-10 разів вища, а вугільного пилу – в 20-50 разів вища.

Особливо високі концентрації бенз (а )пірену спостерігаються в районі розміщення металургійних, коксохімічних і нафтопереробних підприємств . При дуже поганій організації горіння концентрація бенз(а)пірену може досягати колосальних величин. Наприклад, при опаленні прокатних печей коксовим газом були відзначені концентрації бенз (а )пірену в димових газах до 880 мкг/м³.Звичайна концентрація бенз(а)пірену в коксохімічних і агломераційних виробництвах становить 80-220мкг/100м³.

Навіть на відстані близько 1000 м концентрація бенз (а) пірену може доходити до дуже високих величин: до 2мкг/100м³ для коксохімічних підприємств, до 0,2 мкг/100м³ для нафтопереробних заводів і до 5мкг/100м³ для металургійних підприємств. Це пояснює, чому в районах зосередження таких виробництв дуже висока захворюваність на рак легенів, а також іншими легеневими хворобами.

 

8.5. Глобальні кліматичні зміни.

Минулого року Міжурядова група експертів з питань зміни клімату (МГЕЗК) повідомила, що для того, щоб утримати до кінця століття приріст глобальної середньої температури на рівні нижчому за 1,5°C, необхідно до 2030 року скоротити викиди двоокису вуглецю на 45%.

Проте, сьогодні спостерігачі визнають, що рішучі політичні кроки, які дозволять скоротити викиди СО₂, необхідно вжити вже до кінця наступного року.

Про те, що 2020 рік – це крайній термін, говорив один з провідних вчених-кліматологів ще в 2017 році.

«Математичне моделювання змін клімату – річ уперта: планету не можна вилікувати протягом наступних кількох років, але можна смертельно поранити через необачність до 2020 року», – сказав Ганс Йоахім Шеллнгубер, засновник і нині почесний директор Потсдамського інституту вивчення кліматичних змін.

«Я переконаний, що наступні 18 місяців визначать нашу здатність утримати кліматичні зміни на прийнятному рівні і відновлювати природу для нашого виживання», – сказав британський принц Чарльз під час зустрічі міністрів закордонних справ країн Співдружності.

 

Контрольні запитання:

 

1.      Які види забруднювачів повітря Ви знаєте?

2.      Як проявляється токсична дія забруднюючих речовин на організм людини?

3.      Який вплив чинять тверді частинки на довкілля?

4.      Як утворюються кислотні дощі?

5.      Як утворюються канцерогенні речовини?

6.      Як досягти зниження викиду бензапірену?

7.      Чим спричинені глобальні кліматичні зміни?