КИСЛОТНИЙ ДОЩ: ЯК ВІН УТВОРЮЄТЬСЯ, СКЛАД, РЕАКЦІЇ ТА НАСЛІДКИ - СЕРЕДОВИЩЕ

Кислотні дощі мокрий або сухе осадження речовин , які створюють рН нижче 5,6. Ці опади можуть бути вологими (розведеними у дощовій воді) або сухими (осідання частинок або аерозолів).

Термін "кислотний дощ" вперше був запропонований англійським дослідником Робертом Енгусом Смітом у 1850 році в середині промислової революції. Найбільш рясними кислотами, що утворюються в атмосфері, є азотна та сірчана шляхом окислення природних чи штучних забруднювачів.

Карта кислотного дощу. Джерело: Alfredsito94

Найбільш відповідні забруднювачі - оксиди: NO2, NO3, SO2, природними джерелами яких є виверження вулканів, лісові пожежі та бактеріальна деградація. Штучні джерела - це викиди газу внаслідок спалювання викопного палива (виробнича діяльність та автомобільний рух).

Кислотний дощ завдає негативного впливу на навколишнє середовище, наприклад, підкислення ґрунтів і вод, впливаючи на живих істот, у тому числі і на людину. Також ґрунти та вода забруднені важкими металами, а у водоймах відбувається евтрофікація.

На рівні вегетації відбувається пряме пошкодження листя і зачіпається ріст рослин. Крім того, підкислення ґрунту іммобілізує поживні речовини та впливає на мікоризи (ґрунтові гриби). Так само будівлі, машини, пам'ятники та твори мистецтва, що піддаються впливу стихії, сильно окислюються або розмиваються під дією осаджених кислот.

Для усунення впливу кислотних дощів можуть бути вжиті деякі важливі заходи, такі як захист пам’яток та виправлення підкислення ґрунтів та вод. Однак основним рішенням кислотного дощу є зменшення викиду в атмосферу хімічних сполук, які є попередниками утворення кислоти.

Як утворюються кислотні дощі?

Кислотний туман через викиди SO2 з рафінадного заводу PDVSA в Кюрасао. Джерело: HdeK

Прекурсори хімічні

Явище кислотного дощу починається з викиду в атмосферу хімічних сполук, які є попередниками утворення кислот. Ці сполуки можуть виділятися природними або штучними джерелами.

До природних джерел відносяться виверження вулканів, рослинні пожежі та викиди в океан. Оскільки штучні джерела діють промислові викиди, викиди від автотранспортних засобів з горінням або спалювання відходів.

Ці джерела виділяють різні сполуки, які можуть утворювати кислоти в атмосфері. Однак найважливішими є оксиди азоту та оксиди сірки.

Оксиди азоту відомі як NOx і включають діоксид азоту (NO2) та закис азоту (NO). Зі свого боку оксидом сірки є SO2 або діоксид сірки.

Тропосферний процес та одержувані кислоти

Явище кислотного дощу відбувається в тропосфері (атмосферна зона, яка йде від земної поверхні на висоту 16 км).

У тропосфері повітряні течії можуть переносити ці сполуки по будь-якій частині планети, що робить це глобальною проблемою. У цьому процесі оксиди азоту та сірки взаємодіють з іншими сполуками, утворюючи відповідно азотну та сірчану кислоти.

Підтримка реакцій

Хімічні реакції можуть здійснюватися або на твердих частинках у суспензії, або у краплях води у суспензії.

Азотна кислота утворюється переважно в газовій фазі, завдяки низькій розчинності у воді. Зі свого боку сірчана кислота є більш розчинною у воді, будучи основною складовою кислотного дощу.

Азотна кислота

Для утворення азотної кислоти (HNO3) оксиди азоту реагують з водою, з такими радикалами, як ОН (меншою мірою з HO2 та CH3O2), або з тропосферним озоном (O3).

Сірчана кислота

У виробництві сірчаної кислоти (H2SO4) також беруть участь радикали OH, HO2, CH3O2, вода та озон. Крім того, він може утворюватися при взаємодії з перекисом водню (H2O2) та різними оксидами металів.

Вуглекислота

H2CO3 утворюється в результаті фотохімічної реакції вуглекислого газу з атмосферною водою.

Хлористого-воднева кислота

HCl являє собою лише 2% кислотних дощів, а її попередник - метилхлорид (ClCH3). Ця сполука походить з Світового океану і окислюється радикалами ОН, утворюючи соляну кислоту.

Опади

Після утворення кислих сполук (азотної або сірчаної кислоти, і меншою мірою соляної кислоти) вони осадяться.

Опади можуть здійснюватися шляхом осадження суспендованих частинок, в яких відбулася реакція підкислення в газовій фазі. Ще один спосіб конденсованій воді осаджується під дощем, де утворюються кислоти.

Склад

Природна кислотність дощу близька до рН 5,6, хоча в деяких незабруднених районах значення 5. Ці низькі значення рН були пов'язані з наявністю кислот природного походження.

Вважається, що залежно від рівня pH дощ можна класифікувати на:

a) Слабокисла (рН між 4,7 та 5,6)
б) Середня кислота (pH між 4,3 і 4,7)
в) Сильнокисла (pH менше 4,3).

Якщо дощ має концентрацію> 1,3 мг / л для нітратів та> 3 мг / л для сульфатів, забруднення вважається високим.

Кислотний дощ складається більш ніж у дві третини випадків присутністю сірчаної кислоти, з великою кількістю азотної кислоти. Інші компоненти, які можуть сприяти кислотності дощу, - це соляна та вуглекисла кислота.

Хімічні реакції кислотного дощу

Утворення сірчаної кислоти (H2SO4)

Виробництво сірчаної кислоти може відбуватися в газовій фазі або в рідкій фазі.

Газова фаза

Лише 3 - 4% SO2 окислюється в газовій фазі для отримання сірчаної кислоти. Існує багато шляхів утворення сірчаної кислоти з газоподібних попередників, тут показана реакція SO2 з тропосферним озоном.

Реакція проходить у дві стадії:

1.- Діоксид сірки реагує з оксидом тропосфери, утворюючи триоксид сірки та виділяючи кисень.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Потім триоксид сірки окислюється водяною парою і утворює сірчану кислоту.

SO3 + H2O = H2SO4

Рідка фаза

У краплях води, які утворюватимуть дощ, сірчана кислота може утворюватися кількома способами:

1.- SO2 розчиняється у воді, що утворює сірчану кислоту, і окислюється перекисом водню:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.— Фотокаталітичний механізм: у цьому випадку частинки оксиду металу (залізо, цинк, титан) активуються завдяки дії сонячного світла (фотохімічна активація) та окислюють SO2, утворюючи сірчану кислоту.

Утворення азотної кислоти (HNO3)

Тропосферний озон O3 виробляє перетворення NO2 в HNO3 в тристадійному процесі:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Вплив на навколишнє середовище

Вплив кислотних дощів у лісі в горах Джизера в Чехії. Джерело: Ловеч

Підкислення ґрунту та його вплив на рослинність

Вплив кислотних дощів на ґрунт змінюється залежно від його складу. Наприклад, ґрунти вапняного, базальтового та магматичного походження мають більшу здатність до нейтралізації кислотності.

Зі свого боку ґрунти, багаті кварцом як інертний матеріал, не здатні регулювати вміст кислоти. Так, у ґрунтах, де кислотний дощ збільшує кислотність, іони металів, токсичні для рослин і тварин, вивільняються та переносяться.

Відповідним випадком є розчинення алюмосилікатів, які виділяють іони алюмінію, дуже шкідливі для рослинності.

Загалом кислотність ґрунту зменшує доступність поживних речовин для рослин. Крім того, він сприяє виділенню та промиванню кальцію, що спричиняє дефіцит у рослин.

Вплив на водоносні горизонти та здоров'я людини

У більшості випадків кислотний дощ не виглядає і не відрізняється від звичайного дощу, а також не створює відчуттів на шкірі. Його вплив на здоров'я людини непрямий, і він рідко спричинює пошкодження шкіри через надзвичайну кислотність.

Однією з проблем кислотного дощу є те, що знижуючи значення рН нижче 5, важкі метали звільняються та захоплюються. Ці забруднювачі, такі як алюміній та кадмій, можуть потрапляти у підземні водоносні горизонти.

Якщо вода з цих забруднених водоносних горизонтів переходить у колодязі, які використовуються для споживання людиною, це може завдати серйозної шкоди здоров’ю.

Погіршення споруд, пам'ятників та матеріалів

Горгуль пошкоджений кислотними дощами. Джерело: Ніно Барб’єрі

Камені вапняного типу

Споруди, пам'ятники та скульптури, виготовлені з вапняку чи мармуру, сильно потерпають від кислотного дощу. Це досить серйозно, адже багато історичних будівель та витворів мистецтва побудовані саме з цих матеріалів.

У випадку вапняку кислотний дощ викликає розчинення вапняку і викликає перекристалізацію кальциту. Ця перекристалізація виробляє білясті тони на поверхні.

У конкретному випадку дощу з сірчаною кислотою відбувається явище сульфатування. Завдяки цьому процесу поверхню гірської породи трансформується в гіпс і виділяється СО2.

На мармур, хоча і більш стійкий, також впливають кислотні дощі. У цьому випадку відбувається відшаровування каменю, через що поверхневі шари його відшаровуються.

Інші неагресивні матеріали

У деяких будівлях погіршення конструкцій незначне, але також має негативні наслідки. Наприклад, сухі кислотні відкладення роблять стіни брудними, тим самим збільшуючи витрати на обслуговування.

Метали

Кислотний дощ викликає корозію металів через явище окислення. Це спричиняє величезні економічні втрати, оскільки конструкції, обладнання, машини та транспортні засоби з металевими деталями серйозно постраждали.

Флора і фауна

Риба вбита кислотним дощем. Джерело: Служба риб і диких тварин США.

Кислотні дощі модифікують природний баланс водних і наземних екосистем.

Рослини та тварини у соснових водоймах

Лентичні водойми більш сприйнятливі до підкислення, оскільки вони є замкнутими екосистемами. Крім того, скупчення кислот у воді має негативні наслідки для життя, яке вона перебуває.

Іншим наслідком підкислення є осадження нітратів через дощ, що викликає евтрофікацію у водоймах. Надлишок поживних речовин знижує наявний кисень і негативно впливає на виживання водних тварин.

Іншим непрямим негативним ефектом є потрапляння іонів важких металів із наземного середовища у водойми. Ці іони вивільняються в грунт під дією іонів гідронію, коли підвищується кислотність.

Рослинність та доступність поживних речовин

Найсерйозніші проблеми, спричинені підкисленням ґрунту, - нерухомість основних речовин і збільшення токсичних металів.

Наприклад, алюміній та магній звільняються від частинок ґрунту, замінюючись воднем. Алюміній впливає на структуру та функції коренів і знижує засвоєння кальцію, необхідного рослинам.

З іншого боку, підкислення ґрунту завдає шкоди мікоризи (коренеподібні гриби), які мають важливе значення в динаміці лісу.

Пряма шкода рослинам і тваринам

Сірчана кислота завдає прямого пошкодження листя, руйнуючи хлорофіл і виробляючи хлороз (пожовтіння листя). У деяких видів зменшується ріст і виробництво життєздатних насінин.

Земноводні (жаби та жаби) особливо сприйнятливі до впливу кислотності у воді. Деякі пошкодження - це прямі травми та зниження захисту від збудників хвороб (особливо шкірних грибів).

Рішення

Скорочення викидів

Підсумком кислотних дощів є зменшення викидів хімічних речовин-попередників в навколишнє середовище. Найважливіші з них - оксиди сірки та азоту.

Однак це має певні труднощі, оскільки це означає, що це впливає на економічні інтереси та інтереси розвитку компаній та країн. Наприклад, одним з основних джерел діоксиду сірки є спалювання вугілля, на яке в Китаї припадає понад 70% енергії.

Є деякі технологічні альтернативи, які можуть допомогти зменшити викиди. Наприклад, у промисловості так звані «киплячі шари» містять абсорбенти (вапняк або доломіт), які утримують SO2. Що стосується автомобілів і, як правило, двигунів згоряння, каталітичні перетворювачі також відповідають, щоб зменшити викиди SO2.

З іншого боку, деякі країни впроваджують конкретні програми щодо зменшення кислотних дощів. Наприклад, США розробили Національну програму оцінки кислотних опадів (NAPAP). Серед деяких заходів, які розглядає НАПДО, - це використання палива з низькою сіркою.

Інший можливий захід - це заміна парку транспортних засобів електромобілями для зменшення як кислотного дощу, так і глобального потепління. Однак, хоча існує технологія для досягнення цього, тиск з боку автомобільної та нафтової промисловості затримав рішення в цьому плані. Інші фактори, що впливають, - це культурні елементи, пов'язані зі швидкістю досягнення транспортного засобу.

Застосовуйте заходи корекції кислотності

У деяких випадках pH ґрунтів і вод можна підвищити, додаючи луги, наприклад, включивши велику кількість вапна. Однак така практика неможлива на дуже великих ділянках землі.

Поверхневий захист

Камінь

Існують різні методи захисту або принаймні зменшення зносу каменю під дією кислотних дощів. Один з таких способів - промити його парою або гарячою водою.

Також можуть використовуватися хімічні агенти, такі як фториста кислота або біфторид амонію. Після відмивання камінь можна герметизувати, застосовуючи спеціальні продукти, що закупорюють пори, наприклад, гідроксид барію.

Металеві

Металеві поверхні, що піддаються корозії, можна захистити, покривши їх нержавіючим металом, таким як цинк.

Для цього можна застосовувати електроосадження або захищати металеву конструкцію в захисний метал у рідкому стані.

Список літератури

Еспада Л та А. Санчес (1995). Вплив кислотних дощів на корозію металів. pp. 145-171. В: Састре де Вісенте М. (Коорд.) Електрохімія та навколишнє середовище на порозі XXI століття. Університет Ла-Корунья. Служба публікацій Ла-Корунья, Іспанія.
Гарсія-Руїс G (2018). Захист будівельних конструкцій в агресивних атмосферах. Кінець ступеня проекту в галузі інженерних технологій в промислових технологіях. Політехнічний університет Картахени. Вища технічна школа промислового машинобудування. Картахена, Іспанія. 75 стор.
Гранадос-Санчес Д, Г. Ф. Лопес-Ріос і М. А. Ернандес-Гарсія (2010). Кислотні дощі та лісові екосистеми. Revista Chapingo Лісові та екологічні науки Серія 16: 187-206.
Likens GE, CT Driscoll та DC Buso (1996). Довгострокові наслідки кислотного дощу: реагування та відновлення лісової екосистеми. Науки, 272; 244–246.
Лікенс Г.Є. і Ф. Р. Борман (1974). Кислотний дощ: серйозна регіональна екологічна проблема. Наука, 184: 1176-1179.
Schindler DW (1988). Вплив кислотного дощу на прісноводні екосистеми. Наука, 239: 149-157.
Велес-Упегуй Дж. Дж., MC Валенсія-Гіральдо, Лондон-Карвахаль, К.М. Гонсалес-Дюке, JP Mariscal-Moreno (2010). Забруднення повітря та кислотні дощі. Діагностика явища у місті Манізалес. Факультет інженерії та архітектури. Національний університет Колумбії. Штаб-квартира Манізалеса. Редакція Blanecolor Ltda. Перше видання. Манізалес, Колумбія. 150 с.

КИСЛОТНИЙ ДОЩ: ЯК ВІН УТВОРЮЄТЬСЯ, СКЛАД, РЕАКЦІЇ ТА НАСЛІДКИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025