Токсическое воздействие загрязняющих веществ

Оксид углерода. Он воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином крови, который становится неспособным переносить кислород к тканям). Оксид углерода не имеет запаха, и это делает его особенно опасным. Первичные симптомы (боли в голове) возникают при концентрациях 200-220 мг/м³ при воздействии в течение несколько часов. При больших концентрациях СО появляется ощущение пульса в висках, головокружение.

Недавнее открытие ученых Великобритании подтвердило известный высказывания Парацельса, смысл которого - "лекарство от яда отличается только дозировкой" (имеется в виду одно и тоже вещество). Установлено, что присутствие небольших количеств оксида углерода в растворенном состоянии поддерживает жизнь органов и снижает риск их отторжения. Разработана методика лечения сердечных приступов и уменьшения риска отторжения органов после операций по трансплантации с помощью оксида углерода. В присутствии этого вещества быстрее восстанавливаются органы, пострадавшие от длительного отсутствия кислорода, например после сердечных приступов.

Оксиды азота NO и NO_2. Не имеют цвета и запаха. Очень ядовиты, действуют раздражающе на органы дыхания. При высоких концентрациях вызывают кашель, рвоту, головную боль. Обостряют астму, легочные и сердечные заболевания. Усиливают действие СО. Ослабляют иммунитет организма ко многим заболеваниям.

В крупных городах выбросы оксидов азота от автомобильного транспорта совместно с углеводородами образуют смог – фотохимический туман.,

Снижают урожайность в сельском хозяйстве, уничтожают леса. Разрушают ряд материалов самостоятельно, а также в виде кислых дождей.

Оксиды серы. Прежде всего, выбрасывается диоксид серы SO₂ (сернистый ангидрид). Это бесцветный газ с резким запахом; уже в малых концентрациях (20-30мг/м³) создает неприятные ощущения во рту и раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Порог запаха составляет 3-6 мг/м³. Вызывает заболевания дыхательных путей, легочные и сердечные заболевания, обострение астмы.

В растительном мире к SO₂ наиболее чувствительны хвойные и лиственные леса, так как этот оксид накапливается в хвое и листве. При содержании в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м³ SO₂ происходит усыхание сосны за 2-3 года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания. Аналогичные изменения лиственных деревьев происходят при концентрации SO₂ около 0,5-1,0 мг/м³.

Сернистый ангидрид вызывает разрушение металлов и некоторых материалов, выпадая на землю в виде кислых дождей.

Углеводороды. Представляют собой несгоревшие компоненты топлива. Особенно большие выбросы наблюдаются на автомобильном транспорте при неправильной регулировке двигателей. Вызывают тошноту, сонливость, головные боли, некоторые из них - ароматические - канцерогенны.

Бенз(а)пирен. Очень сильный канцероген – вещество, вызывающее раковые заболевания. Является мутагеном, вызывающим генетические мутации организмов при развитии плода. Оказывает также тератогенное воздействие (рождение уродов). Обладает способность накапливаться (аккумулироваться) в организме.

Твердые частицы. Представляют собой высокодисперсные частички пыли, золы и сажи, выделяющиеся в аэрозольном состоянии в атмосферу. Вызывают раздражение верхних дыхательных путей, обострение астматических, легочных и сердечно-сосудистых заболеваний.

Снижают солнечное освещение, стимулируют образование смога в крупных городах. Особенно опасна сажа, так как она сорбирует бенз(а)пирен и становится канцерогенной.

 

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей

В таблице 8 приведены значения ПДК для наиболее вредных примесей в атмосфере. Кроме величин ПДК, для них используется т.н. класс опасности вещества. Чем меньше значение класса опасности, тем более вредным для организма является данное вещество.

Т а б л и ц а 8

ПДК некоторых вредных примесей в атмосфере на территории России

Максимальная разоваяСреднесуточная

Вещество	Класс опасности	ПДК, мг/м3
СО
	3,0	1,0
SO2		0.5	0.05
Сажа		0,15	0,05
NO и NO2		0.085	0.085
Бен(а)пирен			0,1мкг/100м3

 

Следует отметить, что топливо представляет собой опасность для окружающей среды и человека не только вследствие сжигания и образования вредных веществ. Вредное воздействие начинается уже на стадии его добычи и транспортировки.

Твердые частицы

Твердые частицы делятся на пыль, дым (золу) и сажу.

Пыль представляет собой само горючее вещество или другое, не являющееся топливом (например, цемент).

Дым образуется при сжигании топлива и представляет собой золу. Зола – это несгоревшие минеральные (неорганические) примеси топлива. Зола образуется только от сжигания твердого топлива, и ее выбросы зависят от содержания балласта в топливе. Размеры частиц в дыме значительно меньше, чем в пыли и могут достигать величин от 5 мкм до менее чем 0,1 мкм. Частицы таких размеров образуют довольно устойчивые к оседанию аэрозоли, распространяющиеся на очень большие расстояния.

Сажа является продуктом неполного сгорания углеводородного топлива и представляет собой углерод в высокодисперсном состоянии.

Основными источниками выбросов твердых частиц являются электростанции, промышленные и отопительные котельные, металлургические и цементные заводы, рудообогатительные и углеобогатительные предприятия.

Природными источниками выбросов твердых частиц являются вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары, испарения морской соли.

Около 60% всех аэрозолей при сжигания угля составляют твердые частицы, в основном зола и пыль. В меньших количествах образуется сажа и канцерогенные вещества. Выброс золы зависит от содержания минеральной части в топливе, конструкции топочного устройства и эффективности системы улавливания твердых частиц.

Основным видом твердых частиц при сжигании жидкого топлива является сажа. Ее содержание в выбросах зависит от конструкции и регулировки топочного устройства или двигателя, а также от коэффициента избытка воздуха. Последний представляет собой отношение количества воздуха, подаваемого на сгорание топлива, к его стехиометрическому количеству. Автомобильный транспорт – основной источник загрязнения твердыми частицами в крупных городах. Крупные предприятия, перечисленные выше как основные загрязнители, обычно выведены за пределы жилых зон. В городской зоне часто расположены крупные котельные и ТЭЦ, которые также являются основными источниками загрязнения городов.

Выбросы сажи при сжигании газового топлива на несколько порядков ниже, чем при сжигании жидкого топлива.

Кислотные дожди

Как уже отмечалось выше в характеристике вредного воздействия оксидов серы, они вызывают легочные и сердечные заболевания, а также оказывают угнетающее влияние на растительность. Но не менее вредное влияние оказывают т.н. кислые дожди. К ним относятся атмосферные осадки (дождь, снег), которые имеют повышенную кислотность из-за растворенных в них кислот. Прежде всего, это H₂SO₄, HNO₂, HNO₃ и в меньшей степени H₂SO₃ и HCl. В северной Америке на долю серной кислоты приходится примерно 65%, на долю соляной кислоты 5% и на долю азотной и азотистой кислот приходится примерно поровну остальная часть кислых дождей.

Кислоты образуются при взаимодействии оксидов серы и азота с атмосферной влагой. Обычно атмосферные незагрязненные осадки имеют рН=5,65 (слабокислая среда из-за растворенного диоксида углерода). На значительных территориях США, Канады и Западе Европы среднегодовые значения рН колеблются в районе 4,0-4,5.

От выпадения кислотных дождей страдает растительность, особенно хвойные. Происходит дефолиация (сброс) хвои и листвы. Попадая в водоемы, кислые дожди вызывают гибель рыбы, моллюсков, бактерий, водорослей.

Кислотные выпадения негативно воздействуют на все континентальные экосистемы. Особенно сильные изменения произошли в пресноводных водоемах некоторых регионов Европы и Америки. В некоторых регионах США есть сотни озер, в которых из-за кислых дождей погибла вся рыба. Есть такие районы в Норвегии и в Швеции. Например, в Норвегии до конца 1940-х гг. практически не было озер с рН воды менее 5, но к 1972 г. такие значения рН имели уже более чем 25% озер, а еще через 8 лет их доля превысила 30%. В Швеции в начале 1980 гг. величина рН менее 5,0 регистрировалась в 5000 крупных озер.

В Северной Европе область выпадения сильнокислых дождей охватывает практически все прибрежные районы Северного и Балтийского морей – территорию Нидерландов и Дании, север Германии и Польши, южные районы Норвегии и Швеции.

Кислотные дожди – проблема интернациональная, так как в отличие от свободного SO₂ они могут перемещаться на большие расстояния от места образования SO₂. Из-за трансграничного переноса из Западной и Центральной Европы кислые дожди попадали на западные границы стран бывшего СССР.

Кислотные дожди оказывают неблагоприятное воздействие на почву. Происходит нарушение естественного для природы соотношения содержания элементов в обменной и водорастворимой форме. Некоторые элементы, такие как алюминий, марганец, железо и цинк в кислой среде больше переходят в водорастворимое состояние, а некоторые из-за связывания серной кислотой, наоборот, переходят в малорастворимую форму, и оказываются менее доступными, как, например, кальций, который связывается в CaSO₄. В Скандинавии из-за очень тонкого почвенного слоя почва не способна обеспечить высокую сопротивляемость закислению от кислых дождей.

Увеличение кислотности почвы снижает количество бактериальных клеток и нарушает отлаженный природой конвейер разложения мертвого органического материала и восстановление естественного плодородия почв.

По расчетам, общие потери продукции растениеводства в Западной и Центральной Европе в годовом исчислении составляют около 1,1 млн. т., а потери древесины – около 600 тыс. м³. Причем около половины этих потерь приходятся на области с умеренным загрязнением SO₂ - не выше 10 мкг/м³.

Кроме того, кислые дожди разрушают сооружения из мрамора и бетона, памятники, скульптуры и металлоконструкции. Например, в промышленных районах сталь корродирует в 10 раз, а алюминий в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.

 

Канцерогенные вещества

Из органических веществ канцерогенной активностью обладают некоторые ароматические и, особенно, полициклические углеводороды, т.е. состоящие из нескольких бензольных колец. Из них наиболее опасным является бенз(а)пирен (синонимы – бензпирен, 3,4-бензпирен). Он может образовываться при пиролизе угля и углеводородного топлива при температурах свыше 600°С. Бенз(а)пирен присутствует в саже, в дымовых газах, выхлопах автомобилей, является продуктом крекинга нефтяных фракций и получения кокса. Он активнее всего образуется при сгорании топлива при недостатке воздуха. Большая концентрация бензпирена может образовываться в установках по сжиганию органических бытовых и производственных отходов, особенно при их неполном сжигании. Бензпирен содержится также в табачном дыме.

Бензпирен в настоящее время является одним из наиболее распространенных и опасных в канцерогенном отношении соединений. Только в США ежегодно в атмосферу выпускается до 1300 т. бензпирена. Между тем, достаточно лишь 3-5 мг этого вещества, чтобы вызвать рак легкого или кожи человека. Особенностью воздействия бензпирена на организм является длительный период (до 10 лет) между воздействием его на организм и выявлением опухолевого процесса.

Попадая в атмосферу, бенз(а)пирен сорбируется на поверхности твердых частиц продуктов сгорания топлива, прежде всего на частичках сажи размером менее 200 мкм, которая также является продуктом неполного сгорания. Поэтому признаком повышенной концентрации бенз(а)пирена в выхлопах автомобилей или дымовых газах котлов является образование сажи. Частички такого размера способны легко проникать в дыхательные пути человека.

 

Формула бенз(а)пирена С₂₀Н₁₂. Его структурная формула:

 

EMBED ChemDraw.Document.6.0

Рис. 6. Структурная формула бен(а)пирена

По некоторым данным, его образование протекает с участием ацетилена, который образуется при крекинге или пиролизе углеводородов. Сначала ацетилен димеризуется в дивинил, а затем последний полимеризуется до бенз(а)пирена:

2НС≡СН + Н₂ = Н₂С=СН—СН=СН₂ (69)

5Н₂С=СН—СН=СН₂ = С₂₀Н₁₂ + 9Н₂ (70)

Возможен вариант непосредственной полимеризации ацетилена в бенз(а)пирен, минуя стадию образования дивинила:

10НС≡СН = С₂₀Н₁₂ + 4Н₂ (71)

Как сообщалось выше, ПДК бенз(а)пирена очень низкая. Факторы, влияющие на его образование в топках котлов при сжигании газа или жидкого топлива, вытекают как из их конструктивных особенностей, так и из режимных параметров:

Содержание кислорода в топочной камере;

Нагрузка котла;

Доля рециркуляции дымовых газов в топку;

Организация ступенчатого сжигания топлива;

Впрыск пара или воды в топочный объем.

Снижение содержания кислорода в топочной камере приводит к увеличению концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах. Поэтому важным способом снижения выбросов бенз(а)пирена является поддержание правильного значения коэффициента избытка воздуха, соответствующего конструкции данной установки.

Нагрузка котла имеет существенное влияние на содержание бенз(а)пирена. С ее уменьшением концентрация бенз(а)пирена возрастает. Это объясняется главным образом снижением температуры в топочной камере – увеличением протяженности доли пиролиза и выгорания топлива. Например, при 50%-й нагрузке котла выбросы бенз(а)пирена оказываются в 1,2 раза больше, чем при полной нагрузке.

Ввод влаги в топку уменьшает концентрацию бенз(а)пирена во всех случаях в зависимости от способа ввода в топку пара или воды. Наиболее эффективным является вод влаги в факел.

Существенного снижения выброса бенз(а)пирена можно путем совершенствования горелочных устройств и установки более современных форсунок.

Особенного внимания заслуживают методы отряхивания поверхности нагрева мазутных котлов от отложений сажи и золы, в момент которого в атмосферу поступают залповые выбросы бенз(а)пирена. Для предотвращения этих выбросов должны использоваться специальные системы очистки поверхностей нагрева.

Содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов в значительной степени зависит от вида сжигаемого топлива. Наименьшее количество образуется при сжигании газа. Например, при сжигании природного газа содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов достигает 1,2-5мкг/100м³. Паровой котел электростанции производительностью 1000 т. пара в час выбрасывает около 0,05г/час бенз(а)пирена.

При сжигании мазута эта величина в 5– 10 раз выше, а угольной пыли – в 20-50 раз выше.

Особенно высокие концентрации бенз(а)пирена наблюдаются в районе размещения металлургических, коксохимических и нефтеперерабатывающих предприятий. При очень плохой организации горения концентрация бенз(а)пирена может достигать колоссальных величин. Например, при отоплении прокатных печей коксовым газом были отмечены концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах до 880 мкг/м³!!! Обычная концентрация бенз(а)пирена в коксохимических и агломерационных производствах составляет 80-220мкг/100м³.

Даже на расстоянии около 1000 м. концентрация бенз(а)пирена может доходить до очень высоких величин: до 2мкг/100м³ для коксохимических предприятий, до 0,2мкг/100м³ для нефтеперерабатывающих заводов и до 5мкг/100м³ для металлургических предприятий. Это объясняет, почему в районах сосредоточения таких производств очень высока заболеваемость раком легкого, а также другими легочными болезнями.

Очень высокими могут быть концентрации бенз(а)пирена при слоевом сжигании угля в мелких котельных с неподвижной колосниковой решеткой. Из-за низкого качества горения эти концентрации могут в тысячи раз превышать концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах современных крупных котельных и ТЭЦ, сжигающих уголь в пылевидном состоянии. Например, в США, где очень распространены индивидуальные котельные в частных домах, более 80% загрязнения атмосферы бенз(а)пиреном приходится на них, более 4% - на автотранспорт, около 4% - на нефтехимию, и около 0,1% - на ТЭЦ.

В автомобильных двигателях увеличение концентрации бенз(а)пирена в выхлопах связано с ухудшением качества горения и обычно сопровождается увеличением концентрации сажи и СО. Выход этих веществ одновременно можно снизить путем регулировки карбюраторов и других топливных систем, а также применением нейтрализаторов.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: