Кислотные дожди - что это такое? Причины и последствия

Кислотным дождем называют дождь, снег или другие формы осадков с pH менее 5,6, в основном вызванным техногенным выбросом в атмосферу большого количества кислых веществ .
Кислотные дожди можно разделить на две категории: «влажные» и «сухие». К первым относятся все газообразные загрязнители или гранулированные загрязнители, выпадающие на землю в виде осадков. Ко вторым относятся кислые вещества, переносимые пылью, падающие с воздуха в дни, когда не идет дождь. Кислотные дожди делятся на дожди азотной кислоты и дожди серной кислоты.

При образовании и выпадении дождя и снега – они поглощают и растворяют в воздухе такие вещества, как диоксид серы и оксиды азота , образуя кислотные осадки с рН ниже 5,6. Кислотные дожди в основном вызываются техногенными выбросами в атмосферу больших количеств кислых веществ.

https://www.epa.gov/acidrain/what-acid-rain

Это изображение иллюстрирует путь возникновения кислотных дождей в окружающей среде: (1) Выбросы SO2 и NOx выбрасываются в воздух, где (2) загрязняющие вещества превращаются в кислотные частицы, которые могут переноситься на большие расстояния. (3) Эти кислотные частицы затем выпадают на землю в виде влажных и сухих отложений (пыль, дождь, снег и т.д.) и (4) могут оказывать вредное воздействие на почву, леса, ручьи и озера.

Содержание

Зона кислотных дождей
Причины кислотных дождей
Источник образования кислоты
Естественные выбросы кислоты
Искусственное выделение
Процесс образования кислотных дождей
Как определить тип кислоты
Последствия кислотных дождей
Условия преобразования кислотных загрязнителей
Профилактика
Международный опыт
Основные мировые меры по сокращению выбросов диоксида серы

Зона кислотных дождей

Образование кислотных дождей связано не только с тем, что капли дождя в процессе падения растворяются в атмосферных загрязнителях и становятся кислыми. Наоборот, большая высота — это место, где как раз и образуются кислотные дожди. Объясняется это тем, что выбрасываемые из земли кислотообразующие вещества слабо нейтрализуются щелочными частицами в приповерхностном слое. Таким образом, они распространяются в верхние слои атмосферы, образуя в верхних слоях атмосферы обширную область кислотных дождей.

Районы, где часто выпадают кислотные дожди, называются зонами кислотных дождей.

Считается, что:

среднегодовое значение рН осадков выше 5,65 и интенсивность кислотных дождей 0-20% – это некислотные дожди;
значение рН составляет от 5,00 до 5,60 и уровень кислотных дождей составляет 30-60% – область умеренных кислотных дождей;
значение рН составляет от 4,70 до 5.00 и интенсивность кислотных дождей составляет 50-80% – это район сильных кислотных дождей;
значение рН менее 4,70, интенсивность кислотных дождей составляет 70-100%, это район сильных кислотных дождей.

Три основных региона кислотных дождей в мире включают:

1. Североамериканская зона кислотных дождей.

2. Регион кислотных дождей в Западной Европе.

3. Регион кислотных дождей Восточной Азии (Китай).

Тремя регионами с наиболее сильными кислотными дождями в мире являются Северо-Западная Европа, Северная Америка и Китай. Скандинавия в северной Европе первой ощутила кислотные дожди.

В 1970-х годах значение pH осадков в Северо-Западной Европе упало до 4,0, значение pH осадков в восточной части Северной Америки упало до 4,5, а значение pH осадков в Китае, Японии, странах Азии и Африки также уменьшились.

С 20-го века масштабы загрязнения кислотными дождями во всем мире расширяются. Кислотные дожди, которые первоначально проходили только в промышленно развитых странах Северной Америки и Европы, постепенно распространились на некоторые развивающиеся страны, такие как Индия, Юго-Восточная Азия и Китай. В то же время кислотность кислотных дождей постепенно увеличивается. По результатам непрерывного мониторинга Европейской сети мониторинга химии атмосферы за последние 20 лет кислотность дождевой воды в Европе увеличилась на 10%, рН кислотных дождей в Швеции, Дании, Польше, Германии, Канаде и других странах в основном 4,0-4,5, а рН кислотных дождей в США 4,8.

Причины кислотных дождей

Причиной кислотных дождей является сложное явление атмосферной химии и атмосферной физики. Кислотные дожди содержат различные неорганические и органические кислоты, большинство из которых представляют собой серную и азотную кислоты. Диоксид серы, выделяющийся при сжигании угля в промышленном производстве и в личном хозяйстве, и оксиды азота, выделяемые при сжигании нефти и автомобильных выхлопов , проходят через «процесс образования дождя в облаке». Что это за процесс? Водяной пар конденсируется на сульфатах и нитратах, и происходит реакция окисления с образованием дождевых капель серной кислоты и дождевых капель азотной кислоты, далее кислотосодержащие дождевые капли продолжают сливаться, поглощать и вымывать другие кислоты и, наконец, приземляются на землю, образуются кислотные дожди.

Кислотные дожди образуются, когда диоксид серы (SO2) и (или) оксид азота (NOx) реагируют с водой, кислородом и другими химическими веществами в атмосфере. Это приводит к образованию серной кислоты (H2SO4) и азотной кислоты (HNO3 ).

Диоксид серы естественным образом присутствует в атмосфере из–за извержений вулканов , но только в очень низких концентрациях, около 0,01 части на миллион.

Человеческая деятельность привела к гораздо более высоким уровням SO2 , который образуется при сжигании ископаемого топлива. Текущие атмосферные концентрации SO2 колеблются от 0,1 до 2 частей на миллион. Около 75% кислотных дождей вызывается SO2 в форме серной кислоты.

Оксиды азота также естественным образом присутствуют в атмосфере в тех же концентрациях, что и SO2 . Оксиды азота также образуются при высокотемпературном сгорании ископаемого топлива, особенно в автомобильных двигателях. Атмосферные уровни NOx выросли примерно с 0,01 ppm до 0,2 ppm, а оксиды азота являются причиной около 25 % кислотных дождей.

Кислотные дожди бывают двух основных форм: влажные и сухие. Мокрый дождь — это любая форма осадков с участием воды, включая снег, туман, град, дождь или росу. Сухое осаждение происходит, когда кислотные частицы образуются в атмосфере в отсутствие воды. Затем они прикрепляются к частицам в воздухе и оседают на землю во время таких явлений, как пыльные бури. Сухие кислотные дожди особенно распространены в районах с небольшим количеством осадков, таких как пустыни.

Последствия попадания кислотных дождей на почве обширны. Кислотные дожди влияют не только на территорию, где они выпадают, но и текут по земле, загрязняя водные пути, озера и даже грунтовые воды. Кислотные дожди так или иначе влияют на большинство экосистем, но наибольшее воздействие приходится на пресноводную водную среду. Оказывают влияние на лесные массивы и экосистемы и в местах, где почва естественно кислая.

Поскольку кислотные дожди вызваны загрязнением окружающей среды человеком , единственный способ предотвратить их появление и уменьшить его последствия — прекратить загрязнять окружающую среду. Каждый может сыграть свою роль: экономия электроэнергии будет означать, что нужно будет сжигать меньше ископаемого топлива, а значит, будет меньше выбросов загрязняющих веществ. Если вы регулярно ездите на автомобиле, вы можете подумать о ходьбе пешком или на велосипеде, поскольку автомобили являются вторым по значимости источником загрязняющих веществ, вызывающих кислотные дожди.

Источник образования кислоты

Естественные выбросы кислоты

Океан: океанский туман выносит в воздух немного серной кислоты.
Организмы: некоторые организмы в почве, такие как мертвые животные и отмершие листья растений, могут разлагать некоторые сульфиды под действием бактерий, а затем превращать их в двуокись серы.
Извержение вулкана: происходит выброс значительного количества газообразного диоксида серы.
Лесные пожары. Лесные пожары, вызванные молнией и сухой жарой, также являются естественным источником выбросов оксида серы.
Молния: молния в высотном дождевом облаке обладает сильной энергией, которая может частично объединять азот и кислород в воздухе с образованием оксида азота , который затем окисляется до диоксида азота в тропосфере. N2+O2=высокая температура и высокое давление=2NO 2NO+O2==2NO2 Оксиды азота представляют собой сумму оксида азота и диоксида азота, которые реагируют с парами воды в воздухе с образованием азотной кислоты.
Бактериальное разложение. Даже неудобренная почва содержит следовые количества нитратов, которые могут быть разложены на газы, такие как оксид азота, диоксид азота и азот, с помощью почвенных бактерий.

Искусственное выделение

Сжигание ископаемого топлива , такого как уголь, нефть и природный газ. Уголь содержит серу, и в процессе сжигания образуется большое количество диоксида серы.Кроме того, высокая температура в процессе сжигания угля заставляет азот и кислород в воздухе объединяться в монооксид азота, который затем превращается в диоксид азота. вызывают кислотные дожди. Промышленные процессы, такие как выплавка металлов: некоторые руды цветных металлов представляют собой сульфиды, такие как медь, свинец и цинк. В процессе восстановления сульфидных руд меди, свинца и цинка до металлов большое количество газообразного диоксида серы будет улетучиваются, часть из них рекуперируется в виде серной кислоты, часть попадает в атмосферу. Другим примером является химическое производство,например, производство серной кислоты и производство азотной кислоты, в результате которого производится значительное количество диоксида серы и диоксида азота. Другим примером является переработка нефти, которая также может производить определенное количество диоксида серы и диоксида азота.
Транспорт, например выхлопы автотранспорта. Разные модели двигателей имеют разную концентрацию оксидов азота в выхлопах, причем концентрация оксидов азота в выхлопе двигателей с плохими механическими свойствами или большим сроком службы выше. Когда автомобиль останавливается на перекрестке и ожидает проезда, не выключая двигатель, концентрация оксидов азота в выхлопных газах выше, чем при обычном вождении. С быстрым увеличением количества различных транспортных средств по всему миру, вклад их выхлопных газов в кислотные дожди увеличивается из года в год.

Процесс образования кислотных дождей

Кислотные дожди в основном возникают в результате сжигания ископаемого топлива:

при сжигании серосодержащего угля образуется диоксид серы.

S+O2=сжигание=SO2

Диоксид серы реагирует с водой с образованием сернистой кислоты.

SO2+H2O=H2SO3

Сернистая кислота может окисляться до серной кислоты на воздухе.

2H2SO3+O2→2H2SO4

окись азота растворяется в воде с образованием кислоты: небольшое количество двуокиси азота часто образуется в атмосфере во время грозы и молнии .

Азот и кислород объединяются, образуя оксид азота.

N2+O2=разряд=2НО

Оксид азота структурно нестабилен и на воздухе окисляется до диоксида азота.

2NO+O2=2NO2

Двуокись азота реагирует с водой с образованием азотной кислоты.

3NO2+H2O=2HNO3+NO

Как определить тип кислоты

Анионами в кислотных дождях являются в основном ионы нитратов и сульфатов. По концентрации двух в пробах кислотных дождей можно определить, является ли основным фактором, влияющим на осадки, двуокись серы или оксиды азота . Диоксид серы в основном образуется при сжигании ископаемого топлива (например, угля), а оксиды азота в основном образуются из таких источников загрязнения , как автомобильные выхлопы . В соответствующей литературе типы кислотных дождей делятся на три категории по соотношению концентрации сульфатных и нитратных ионов следующим образом:

Сернокислотный или угольный тип: сульфат/нитрат>3
Смешанный тип: 0,5<сульфат/нитрат<3
Тип азотной кислоты или тип жидкого топлива: сульфат/нитрат≤0,5.

Поэтому об основных влияющих факторах кислотных дождей можно предварительно судить по типу кислотных дождей в данной местности.

Последствия кислотных дождей

Кислотные дожди могут вызвать закисление почвы .

Почва содержит большое количество гидроксида алюминия. После подкисления почвы он может ускорить выветривание первичных и вторичных минералов, содержащих алюминий в почве, и высвободить большое количество ионов алюминия, образуя форму соединений алюминия, которые могут поглощаться растения. Длительное и чрезмерное поглощение алюминия растениями может вызвать отравление и даже смерть.

Кислотные дожди могут ускорить потерю минеральных питательных веществ почвы; под действием кислотных дождей питательные вещества калий, натрий, кальций и магний в почве будут потеряны и вымыты дождем. Таким образом, продолжительные кислотные дожди вызовут выщелачивание большого количества питательных веществ из почвы, что приведет к серьезной нехватке питательных веществ в почве, что сделает почву бесплодной.

Происходит изменение структуры почвы, приводящее к ее бесплодию и влияющее на нормальное развитие растений.

Кроме того, кислотные дожди могут высвобождать алюминий в почве из стабильного состояния, так что активный алюминий увеличивается, а органический комплекс алюминия уменьшается. Увеличение содержания активного алюминия в почве может серьезно затормозить рост лесных деревьев.

Кислотные дожди также могут вызывать болезни растений и насекомых-вредителей, что значительно снижает урожайность сельскохозяйственных культур, особенно пшеницы, которая может быть снижена на 13-34% под влиянием кислотных дождей. Соевые бобы и овощи также подвержены кислотным дождям, что снижает содержание белка и урожайность.

Воздействие кислотных дождей на леса во многом обусловлено ухудшением физико-химических свойств почвы.

Кислотные дожди могут угнетать размножение некоторых почвенных микроорганизмов и снижать активность ферментов. Кислотные дожди угнетают азотфиксирующие бактерии, бактерии и актиномицеты в почве.

Кислотные дожди приводят к тому, что неметаллические строительные материалы (бетон, строительный раствор и известково-песчаные кирпичи) растворят поверхностно затвердевший цемент, что приведет к образованию пустот и трещин, и как следствие, приводит к снижению прочности и повреждению зданий. Строительные материалы становятся грязными и черными, что влияет на качество городских удобств и городского ландшафта , что называется эффектом «черной оболочки».

Опасности кислотных дождей многогранны, включая прямую и потенциальную опасность для здоровья человека, экосистем и зданий. Кислотные дожди могут снизить иммунную функцию детей, увеличить заболеваемость хроническим фарингитом и бронхиальной астмой, а также увеличить заболеваемость глаз и дыхательных путей у пожилых людей.

Уже более десяти лет проблема кислотных дождей становится все более актуальной из-за увеличения выбросов диоксида серы и оксидов азота.

Условия преобразования кислотных загрязнителей

Чем серьезнее загрязнение SO2 в определенном месте, тем выше концентрация ионов сульфата в осадках, что приводит к более низкому значению pH.
Аммиак (NH3) в атмосфере очень важен для образования кислотных дождей. Аммиак является единственным распространенным газообразным основанием в атмосфере. Благодаря своей растворимости в воде он может реагировать с кислотными аэрозолями или кислотами в дождевой воде, нейтрализуя и снижая кислотность. Количество аммиака, улетучивающегося из почвы, увеличивалось с увеличением рН почвы. Там, где почва кислая, буферная способность песка и пыли низкая.
Кислотность твердых частиц и ее буферная способность. Помимо кислых газов SO2 и NO2, в атмосферу также входит важный элемент загрязняющих веществ – твердые частицы. Твердые частицы оказывают двоякое влияние на образование кислотных дождей: во-первых, содержащийся в них каталитический металл способствует окислению SO2 в кислоту, во-вторых, он нейтрализует кислоту. Но если твердые частицы сами по себе кислые, их нельзя нейтрализовать, и они станут одним из источников кислоты.
Влияние погодных условий. Если метеорологические условия и рельеф местности благоприятны для распространения загрязняющих веществ, концентрация загрязняющих веществ в атмосфере будет уменьшаться, а кислотные дожди ослабевать, и наоборот (например, инверсия температуры).

Профилактика

Разработка новых источников энергии, таких как водородная энергия, солнечная энергия, гидроэнергетика, энергия приливов, геотермальная энергия и т. д.
Использование технологии сероочистки на угле для снижения выбросов диоксида серы.
Выхлопные газы промышленного производства должны предварительно очищаться.
Уменьшение использования личного автотранспорта в пользу общественного.
Использование более чистой энергии, такой как природный газ.

Международный опыт

Многие страны Европы и Северной Америки, где кислотные дожди являются самыми серьезными в мире, наконец осознали, что атмосфера не знает границ, а предотвращение кислотных дождей и борьба с ними является международной экологической проблемой. , которую не может решить одна страна. После многочисленных консультаций на совещании министров окружающей среды ЕЭК ООН, состоявшемся в Женеве в ноябре 1979 года, была принята «Конвенция об ограничении трансграничного загрязнения воздуха на большие расстояния», которая вступила в силу в 1983 году. «Конвенция» предусматривает, что к концу 1993 года стороны должны сократить выбросы двуокиси серы до 70% от выбросов 1980 года. Конвенцию подписали 32 страны, включая Европу и Северную Америку (включая США и Канаду). Чтобы реализовать это обещание, большинство стран приняли активные меры и разработали правила по сокращению выбросов кислотообразующих веществ. Например, «Закон о кислотных дождях» США предусматривает, что выброс диоксида серы в районе к востоку от реки Миссисипи должен быть сокращен с 20 миллионов тонн в год в 1983 году до 10 миллионов тонн в год через 10 лет; выброс диоксида серы в Канаде сократится с 470 млн т в 1983 г. до 10 000 т/год, к 1994 г. снизится до 2,3 млн т/год и т. д.

Основные мировые меры по сокращению выбросов диоксида серы

Применение технологии десульфурации сырого угля позволяет удалить от 40% до 60% неорганической серы при сжигании угля.
Приоритет отдается использованию топлива с низким содержанием серы, такого как уголь с низким содержанием серы и природный газ с более низким содержанием серы.
Усовершенствование технологии сжигания угля и снижение выбросов диоксида серы и оксидов азота при сжигании угля. Например, технология сжигания сжиженного угля является одной из новых технологий, одобренных различными странами.
Десульфурация дымовых газов производится на дымовых газах, образующихся после сжигания угля, перед выбросом в атмосферу. Известковый метод в основном используется для удаления от 85% до 90% газообразного диоксида серы в дымовых газах. Однако эффект десульфурации хорош, но очень дорог. Например, стоимость установки устройства для сероочистки дымовых газов на теплоэлектростанции составляет до 25% от общих инвестиций в электростанцию. Это также является одной из основных трудностей борьбы с кислотными дождями.
Разработка и применение новых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, ядерная энергия, горючий лед и т. д.
Биологический контроль: На «Конференции по международному сотрудничеству по применению экологически безопасных биотехнологий», состоявшейся в Индии в 1993 году, эксперты предложили использовать биотехнологии для предотвращения, предотвращения и обращения вспять деградации окружающей среды, повышения устойчивого развития и использования природных ресурсов. Ученые обнаружили, что к микроорганизмам, способным удалять серу из пирита, относятся Thiobacillus ferrooxidans и Thiobacillus ferrooxidans . Новая технология с использованием микробной каучуковой серы, недавно разработанная Центральным научно-исследовательским институтом электроэнергетики Японии, позволяет удалить 70% неорганической серы и уменьшить количество пыли на 60%. Эта технология проста в принципе и недорога в оборудовании и особенно подходит для развивающихся стран, которые не могут позволить себе дорогостоящее оборудование для десульфурации. Биотехнологическое обессеривание соответствует принципам «управления источниками» и «более чистого производства», поэтому это очень многообещающий метод очистки, который привлекает все больше и больше внимания во всем мире.