Основи екології - Олійник Я.Б. - 5.6.4. Кислотні опади та їх екологічні наслідки

Оксиди сірки й азоту, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій і автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою і утворюють дрібні крапельки сірчаної та азотної кислот, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману та випадають на Землю кислотними дощами.

Термін "кислотні дощі" запропонував у 1812 р. англійський інженер Роберт Сміт у книзі "Повітря і дощ; початок хімічної кліматології". Кислотні дощі виникають в результаті поєднання двоокису сірки та оксидів азоту з атмосферним киснем (рис. 5.5). Фільтруючись у ґрунті, вода кислотних дощів уносить багато поживних речовин, таких як кальцій, магній, калій, натрій. А їхнє місце займають токсичні метали, які під дією дощів стають розчинними і вбивають мікроорганізми, що розкладають органічні рештки, - ґрунт залишається без поживних речовин.

При спалюванні будь-якого видобувного палива (вугілля, мазуту) у складі видільних газів містяться оксиди сірки і азоту. Залежно від складу палива їх може бути менше або більше. Мільйони тонн цих сполук викидаються в атмосферу, перетворюючи дощі у слабкий розчин кислот. Для визначення показника кислотності використовують різні рН-метри, а також електронні прилади. Простим способом є застосування індикаторів - хімічних речовин, колір яких змінюється залежно від рН середовища. Найбільш поширеними індикаторами є фенолфталеїн, лакмус, а також барвники з червоної капусти і чорної смородини. Дощова вода, що утворюється при конденсації водяної пари, повинна мати нейтральну реакцію рН. Проте і в дуже чистому повітрі завжди є діоксид вуглецю, і дощова вода, яка розчиняє його, ледь підкислюючи (рН = 5,6-5,7).

У 70-х роках минулого століття у річках і озерах скандинавських країн стала зникати риба, сніг у горах був сірого кольору, листя з дерев швидко опадало. Дуже скоро ті ж самі процеси помітили у США, Канаді, Західній Європі. У Німеччині, наприклад, постраждало 30 %, а місцями - 50 % лісів. І все це відбувалося далеко від великих міст і промислових центрів. З'ясувалося, що причиною усього цього є саме кислотні дощі. Ґрунт і рослини, звичайно, теж страждають від них: знижується продуктивність ґрунту, змінюється склад поживних речовин і ґрунтових мікроорганізмів. Внаслідок випадіння кислотних дощів на великих площах висихають ліси. Кислота збільшує рухливість у ґрунті алюмінію, токсичного для дрібних коренів, що призводить до пригнічення листя і хвої, крихкості гілок. Особливо страждають хвойні дерева - вони жовтіють, проріджуються крони, пошкоджується дрібне коріння. А у листяних дерев змінюється колір листя, воно передчасно опадає, пошкоджується кора.

Рис. 5.5. Утворення кислотних опадів

Також великої шкоди кислотні дощі завдають сільськогосподарським культурам: пошкоджуються покривні тканини рослин, змінюється обмін речовин у клітинах, уповільнюються ріст і розвиток рослин, зменшується їх стійкість до хвороб і паразитів, знижується урожайність. Кислотні дощі вбивають не тільки живу природу, а й руйнують пам'ятники архітектури. Міцний, твердий мармур реагує з розчином сірчаної кислоти і перетворюється на гіпс (СаS04). Зміна температури, потоки дощу і вітер руйнують цей м'який матеріал. Історичні пам'ятники Греції і Риму, простоявши тисячоліття, останніми роками руйнуються прямо на очах. Вивчивши нові дані про кислотність опадів, які випадають в різних регіонах Західної Європи, співробітники Дублінського університету (Ірландія) виявили, що найбільш катастрофічною є ситуація у центрі Манчестера (Велика Британія), де за 20 місяців кислотні дощі розчинили більше 120 г на 1 м2 каменю. Місто від цього постраждало дуже сильно.

Страждають від кислотних дощів і люди, які вимушені споживати питну воду, забруднену токсичними металами - ртуттю, свинцем, кадмієм. І тому для порятунку природи необхідно різко знизити викиди в атмосферу оксидів сірки й азоту. Отже, внаслідок випадіння кислотних опадів у природному середовищі і життєдіяльності людини відбуваються такі негативні процеси:

- знижується врожайність більшості сільськогосподарських культур через ушкодження листя кислотами;

- з ґрунту вимиваються кальцій, калій та магній, що призводить до деградації рослинності і, як наслідок, - до збіднення тваринного світу;

- гинуть ліси (найбільш чутливі до кислотних дощів кедр, бук і тис);

- отруюється вода озер і ставків, у них гине риба, зникають комахи;

- зникають водоплавні птахи і тварини, що живляться комахами;

- активізуються зсуви та селі, спричинені загибеллю лісів у гірських районах;

- прискорюється руйнування пам'яток архітектури, споруд, особливо тих, що побудовані з вапняку й оздоблені мармуром;

- збільшується захворюваність серед людей (найчастіше уражуються очі, органи дихання тощо).

Взимку поблизу ТЕС і металургійних заводів іноді випадає також кислотний сніг, ще шкідливіший, ніж кислотний дощ, оскільки має більший вміст кислот. Райони випадання такого снігу отримують одразу 4-5-місячну дозу забруднення, а внаслідок його танення навесні відбувається концентрація шкідливих речовин, тому тала вода інколи містить удесятеро більше кислот, ніж сам сніг. Наприклад, більш як 230 озер у горах Адірондак (штат Нью-Йорк) мають критичний рівень забруднення сірчаною та азотною кислотами, принесеними кислотними дощами і снігом. До небезпечного для водних екосистем рівня закислена також третина озер штату Флорида, у такому ж стані перебувають близько 20 тис. озер півдня Швеції, сотні озер у Південній Канаді. За даними екологів, у Швейцарії від кислотних дощів засихає третина лісів, 69 % оглянутих букових дерев у лісах Великої Британії висихають з верхівок, у 9 тис. озер Швеції риба вже частково вимерла, а у 4 тис. - зникла зовсім.

Великою загрозою є "інтернаціональний" характер цього забруднення, адже атмосфера не має кордонів, і повітряні течії розносять кислотні тумани на тисячі кілометрів від місць їх виникнення. Ті ж, наприклад, шведські озера були пошкоджені кислотними дощами, що утворилися внаслідок викидів ТЕС і металургійних підприємств Великої Британії. Західні вітри цього району розносять отруту далеко від Британських островів - аж до Скандинавії. Кислотні дощі у Канаді принесені із США, в Україні - з Румунії тощо.

З метою зменшення забруднення атмосферного повітря пилом та іншими шкідливими домішками потрібно на всіх промислових підприємствах організувати ефективне очищення відхідних газових викидів. Усі методи очищення можна розподілити на три групи: механічні, фізико-хімічні та хімічні. Вибір методу очищення залежить від кількості викидних газів та їхнього складу.

Механічні методи застосовують для очищення вентиляційних та інших газових викидів від грубодисперсного пилу. У цих випадках пил відокремлюється під дією сили гравітації, інерції або відцентрової сили. Вибираючи систему пиловловлювання, слід враховувати швидкість газового потоку, вміст пилу та його фізико-хімічні властивості, розмір частинок і наявність водяної пари. Є два види пиловловлювання: сухе і мокре. З екологічного й економічного погляду досконалішими є сухі пиловловлювачі. Вони дають змогу повернути у виробництво вловлений пил, тоді як при мокрому утворюються водяні суспензії, переробка яких потребує більших матеріальних затрат. Механічне сухе пиловловлювання здійснюють в осаджувальних камерах, циклонних сепараторах, механічних та електричних фільтрах. Недоліком сухого пилоочищення є те, що воно забезпечує високий ступінь очищення тільки у разі незначної запиленості газів.

В осаджувальних камерах очищають гази із грубодисперсними частинками пилу розміром від 50 до 500 мкм і більше. Найбільш ефективною є осаджувальна камера Говарда, в якій газовий потік розбивається горизонтальними пластинами на окремі секції. Незважаючи на незначний аеродинамічний опір і невисоку вартість, ці апарати застосовують рідко через труднощі їх очищення, 3 них відхідні гази спрямовують в інші, ефективніші апарати для подальшого очищення. Частіше використовують циклонні сепаратори, у яких запилений газ, обертаючись по спіралі, виштовхує частинки пилу на стінки апарата, звідки вони потрапляють у пилоосаджувальну камеру. Циклонні сепаратори ефективно очищають гази, що містять часточки розміром не менш як 25 мкм. Коефіцієнт корисної дії циклонів залежить від концентрації пилу і розмірів частинок. Середня ефективність знепилення газів у циклонах становить 78-86 % для пилу розміром 30-40 мкм. Циклони використовують для очищення запилених газів у різних галузях промисловості.

У фільтрах газовий потік проходить крізь пористий матеріал різної щільності та товщини. Очищення від грубодисперсного пилу здійснюють у фільтрах, заповнених коксом, піском, гравієм, насадкою різної природи і форми. Для очищення від тонко-дисперсного пилу використовують фільтрувальний матеріал типу паперу, повсті або тканини різної щільності. Папір використовують для очищення атмосферного повітря та газів з низьким вмістом пилу. У промислових умовах застосовують тканини або рукавні фільтри, які мають форму барабана, тканинних мішків або кишень, що працюють паралельно. їх очищують струшуванням або продуванням повітря. Останнім часом як фільтрувальні тканини широко використовують синтетичні матеріали та скловолокно, що можуть витримувати температуру 150-250 °С; вони хімічно і механічно стійкіші і менш вологоємні порівняно з шерстю та бавовною. Останні дають змогу очищати гази з температурою не вище за 100 °С. Головною перевагою рукавних фільтрів є висока ефективність очищення, яка досягає 99 % для всіх розмірів частинок. Для тонкого очищення застосовують керамічні фільтри, а також фільтри з пластмас або скла. Ефективність пиловловлювання в них може досягати 99,99 %, а температура очищуваного газу - 500 °С.

Для тонкого очищення газів від пилу використовують електрофільтри. Крім пилу, вони можуть також очищати гази від гідро- та аерозолів, тобто уловлювати більш дисперговані частинки. Для підвищення ефективності роботи електроди інколи змочують водою; такі електрофільтри називають мокрими. У мокрих пиловловлювачах запилений газ зрошується рідиною або контактує з нею. Найпростішою конструкцією є промивна башта, заповнена кільцями Рашига, скловолокном або іншими матеріалами. До апаратів такого типу належать скрубери і труби Вентурі. Часто для видалення шламів, що утворюються, труби Вентурі доповнюють циклонами. Скрубери працюють за принципом протитечії: газ рухається знизу вгору, а поглинальна рідина (частіше вода) розпилюється форсунками згори вниз. Скрубери можна застосовувати для холодних і гарячих газів, які не містять токсичних речовин (кислот, хлору тощо), оскільки вони видаляються в атмосферу разом з очищеним газом у вигляді туману.

Для очищення гарячих газів з частинками пилу розміром понад 5 мкм доцільно використовувати барботажні апарати, де запилений газ пропускають крізь рідину (воду). Барботажем називається процес проходження пари чи газу у рідині. Його використовують також у пінних апаратах; для утворення піни у воду додають поверхнево-активні речовини (ПАР). Ефективність очищення у цих апаратах досягає 97-99 %. Недоліком мокрого очищення газів є те, що вловлений пил перетворюється на мокрий шлам, для видалення якого потрібно будувати шламову каналізацію, що здорожує конструкцію. В апаратах інерційного пиловловлювання різко змінюється напрямок потоку, частинки пилу за інерцією ударяються об поверхню, осаджуються і через розвантажувальний пристрій видаляються з апарату. Усередині апаратів розміщені пластини або кільця, об які ударяється газ. Якщо зверху апарати зрошують водою, то пил з них видаляється у вигляді шламу.

Для підвищення ефективності роботи циклонів або рукавних фільтрів використовують ультразвукові апарати. Ультразвук сприяє адгезії і закріпленню частинок пилу (адгезія - зчеплення, прилипання, злипання різнорідних твердих або рідких тіл при їх контакті). Ці апарати ефективні у разі високої концентрації пилу в очищуваному газі. Для збільшення ефективності роботи апарата його зрошують водою. Такі апарати у комплексі з циклоном застосовують для уловлювання сажі, туману різних кислот тощо.

До фізико-хімічних методів очищення газових викидів належать абсорбція і адсорбція. Абсорбція - це процес хімічного осадження або зв'язування забруднювальних речовин під час пропускання очищуваного газу крізь рідкий поглинач. Апарати для такого очищення називають абсорберами. У них очищуваний газ і абсорбувальна рідина рухаються назустріч один одному. Абсорбцію застосовують для очищення повітря і викидних газів, що містять токсичні забруднення - кислотні тумани, ціанідну чи ацетатну кислоти, сірчистий газ, оксиди нітрогену, різні розчинники тощо. Як поглинач використовують суспензії, що містять оксиди магнію і кальцію або вапняк. Ефективність очищення становить 90--95 %. Шлами після очищення можуть використовуватися для подальшого перероблення. Недоліком цих апаратів є ускладнення процесу видалення шламів у разі утворення важкорозчинних речовин.

Адсорбційний метод очищення газів - це сорбція газуватих речовин на поверхні або у об'ємі мікропор твердого тіла. Тверду речовину, на поверхні чи у об'ємі пор якої відбувається концентрування очищуваних речовин, називають адсорбентом. Поглинені забруднювальні речовини, що перебувають у газовій або рідкій фазі, називають адсорбтивом, а після переходу у адсорбований стан - адсорбатом. Найчастіше як адсорбент використовують активоване вугілля, силікагель та глини, що мають велику поверхню. Один грам активованого вугілля має поверхню близько 5 км2. Вилучені з очищуваних газів речовини (адсорбтиви), які в подальшому видаляють шляхом десорбції, можуть бути використані для тих чи інших цілей. Цей процес називають регенерацією адсорбенту і здійснюють здебільшого нагріванням перегрітою парою. Апарати, у яких здійснюють адсорбцію, називають адсорберами. Вони бувають вертикальними, горизонтальними і з кільцевими полицями, на яких розташовують адсорбент. Адсорбцією на активованому вугіллі очищають викидні гази у виробництві штучного волокна. За допомогою адсорбції на силікагелі очищають газові викиди від оксидів нітрогену. Цей метод широко застосовують для очищення викидних газів від багатьох інших шкідливих домішок.

Хімічні методи очищення викидних газів засновані на хімічному зв'язуванні шкідливих забруднювальних речовин. Дуже поширеним методом є хемосорбція, коли очищуваний газ промивають розчином речовин, що реагують із забруднювальними домішками. Наприклад, для вловлювання оксидів нітрогену застосовують торфолужні композиції з гідроксидом кальцію або аміаком. У результаті хемосорбції утворюється добриво з 6-8-відсо-тковим вмістом зв'язаного азоту у вигляді нітратів кальцію і амонію. Спалювання використовують для знешкодження горючих вуглеводнів, які не використовуються у виробництві. З погляду екології та економіки, це малоефективний процес, оскільки теплота не використовується, а тільки призводить до теплового забруднення навколишнього середовища. Якщо концентрація горючих речовин недостатня для горіння, то застосовують термічне окиснення. При цьому очищуваний газ спалюють у полум'ї пальника. У багатьох випадках для знешкодження викидних газів застосовують каталітичні процеси окиснення, відновлення та розкладу.

Отже, очисні фільтри є основним засобом боротьби із промисловим забрудненням атмосфери. Очищення викидів здійснюються шляхом пропущений їх через різні фільтри (механічні, електричні, магнітні, звукові та ін.), воду і хімічно активні рідини. Усі вони призначені для вловлювання пилу, парів і газів. Ефективність роботи очисних споруджень різна і залежить як від фізико-хімічних властивостей забруднювачів, так і від досконалості застосовуваних методів та апаратів. При грубому очищенні викидів усувається від 70 до 84 % забруднювачів, середньому - до 95-98 % і тонкому - до 99 % і вище.

Очищення промислових викидів не тільки охороняє атмосферу від забруднень, а й дає додаткову сировину підприємствам. Наприклад, уловлювання сірки з газових відходів Магнітогорського металургійного комбінату забезпечує санітарне очищення та отримання додатково багатьох тисяч тонн дешевої сірчаної кислоти. Але вирішити проблему охорони атмосфери тільки за допомогою очисних споруд неможливо, необхідне застосування комплексу заходів і, насамперед, упровадження безвідхідних технологій.

Одним із способів запобігання забрудненню атмосфери є перехід на використання нових, екологічно безпечних джерел енергії. Наприклад, будівництво станцій, що використовують енергію припливів і відпливів, використання геліоустановок і вітряних двигунів. Кардинально проблема може бути вирішена шляхом заміни в автомобілях двигунів внутрішнього згоряння на електричні. Для зменшення токсичних речовин у вихлопних газах автомобілів пропонується заміна бензину іншими видами пального, наприклад, сумішшю різних спиртів. Ще один ефективний шлях - озеленення міст і промислових центрів. Зелені насадження за рахунок фотосинтезу звільняють повітря від діоксид у вуглецю і збагачують його киснем. На листях дерев і чагарників осідає до 72 % зважених частинок пилу і до 60 % - діоксиду сірки. Для підтримки чистоти повітря велике значення має планування структури міста: промислові підприємства, транспортні магістралі мають бути відділені від житлових кварталів буферною зоною зелених насаджень. Необхідно також ураховувати напрямок основних вітрів, рельєф місцевості і наявність водойм, тобто розташовувати житлові масиви з підвітряної сторони та на підвищених ділянках, подалі від промислових зон.