Физико-химические процессы в техносфере


К. И. Трифонов, В.А. Девясилов






                ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
                В ТЕХНОСФЕРЕ




        2-е издание, исправленное и дополненное

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» направления «Безопасность жизнедеятельности»

Москва

2020

УДК 504.062
ББК 20.18
      Т69
Рецензенты:
      кафедра «Физико-химическая технология защиты биосферы» Уральского государственного лесотехнического университета (заведующий кафедрой профессор И.Н. Липунов);
      В.М. Киселев — доктор технических наук, профессор кафедры физики Уральского государственного университета им. А.М. Горького;
      Л.А. Ширкин — кандидат химических наук, доцент кафедры экологии Владимирского государственного университета;
      А.В. Невский — доктор технических наук, профессор;
      ТА. Чеснокова — кандидат химических наук, доцент кафедры общей химической технологии (секция экологии и безопасности жизнедеятельности) Ивановского государственного химико-технологического университета

      Трифонов К.И., Девисилов В.А.
Т69 Физико-химические процессы в техносфере : учебник / К.И. Трифонов, В.А. Девисилов. — 2-е изд., испр. и. доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 256 с. — (Высшее образование).
         ISBN 978-5-00091-002-3 (ФОРУМ)
         ISBN 978-5-16-010425-6 (инфра-м, print)
         ISBN 978-5-16-102267-2 (инфра-м, online)
         В учебнике изложены основные сведения о физико-химических процессах в техносфере. Даны представления о процессах трансформации техногенных и антропогенных загрязнений в атмосфере, гидросфере и педосфере. Рассмотрены физико-химические механизмы парникового эффекта, разрушения озонового слоя, формирования фотохимического смога, образования кислотных дождей, загрязнения техносферы тяжелыми металлами. Изложены основные сведения о радиационно-химических процессах в техносфере и взаимодействии ионизирующего излучения с ее компонентами.
         Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность».






znanium.com

                                                 УДК 504.062
                                                 ББК 20.18




ISBN 978-5-00091-002-3 (ФОРУМ)                 © Трифонов К.И.,
ISBN 978-5-16-010425-6 (ИНФРА-М, print)        Девисилов В.А., 2006, 2015
ISBN 978-5-16-102267-2 (ИНФРА-М, online)       © Издательство «ФОРУМ», 2006, 2015

            Введение








    Последние десятилетия убедили нас в том, что вторжение человека в природу — прямое или косвенное — наносит ей не только непосредственный ущерб, но и вызывает ряд новых процессов, влияющих тем либо иным образом на всю окружающую среду. Это относится к большому количеству химических реакций, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере и вызванных продуктами антропогенной деятельности. Некоторые из этих процессов характеризуются образованием токсичных продуктов, но в ряде случаев, напротив, происходит распад или обезвреживание загрязняющих природу веществ. Известно, что на ход химических превращений, приводящих к образованию вредных для окружающей среды веществ, оказывают влияние климатические условия, состояние почвы, уровень развития производства, рельеф местности, уровень и длительность солнечной активности и т. п. Это еще раз убеждает в том, что такая сложная проблема, как физическая химия процессов взаимодействия продуктов антропогенной деятельности и естественных источников с окружающей средой, не может рассматриваться односторонне и при ее изучении необходим многоплановый подход. Он поможет ответить на вопрос — может ли вмешательство человека в дела природы создать такие условия, что не сработает механизм естественного саморегулирования и обновления и в какой степени наблюдаемые изменения внешней среды вызваны антропогенной деятельностью.
    Дать ответ на поставленный вопрос можно посредством сопоставления результатов изменения окружающей среды, вызванных, с одной стороны, антропогенной деятельностью, а с другой — естественными причинами. Наиболее наглядно это прослеживается при использовании количественной оценки, учете фактора времени и токсичности продуктов, образующихся при различных видах деятельности человека.

Введение

   Количественная оценка вмешательства человека в природу указывает, что оно ничтожно мало по сравнению с влиянием естественных причин на масштабы изменений в атмосфере, гидросфере и литосфере (за редким исключением — появление в биосфере веществ, имеющих исключительно антропогенное происхождение). Здесь следует отметить, что концентрации газов в атмосфере, имеющих антропогенное происхождение, лежат в области следовых значений, что соответствует миллионным-миллиардным долям (10 6—10 9). Подобная ситуация наблюдается и в гидро-, и в литосфере. Отклонения от этой картины, достигающие величин порядка долей процента, могут наблюдаться лишь в виде аномалий на отдельных участках земного и водного пространства.
   При учете изменений в природной среде, вызванных как человеческим вмешательством, так и естественными причинами, наиболее показательными и представительными являются результаты оценки скорости протекания наблюдаемых изменений в зависимости от источника этих возмущений. Изменения природной среды, вызванные естественными причинами, характеризуются чрезвычайно низкой скоростью и в сравнении с длительностью жизни человека внешне практически незаметны. Так, повышение концентрации кислорода в земной атмосфере с 1 до 21 % длилось приблизительно 1—1,5 миллиарда лет, что соответствует приросту концентрации 0,004 % за 200 000—300 000 лет. Скорость изменений в составе атмосферы, вызванных человеческой деятельностью, характеризуется заметно более высокими значениями, что особенно заметно для последних столетий прошедшего тысячелетия. Так, в результате антропогенной деятельности содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе увеличилось на те же 0,004 % всего лишь за несколько последних десятилетий. Здесь же уместно отметить, что скорость естественных изменений позволяет всему живому на Земле генетически приспособиться к изменениям в окружающей природной среде, в то время как антропогенные возмущения в природе практически исключают такую возможность, особенно для высших организмов.
   Любой вид человеческой деятельности сопровождается образованием различного вида продуктов и сопутствующих им отходов, зачастую опасных для человека и всего живого. Появление и накопление различных токсичных загрязнений в окружающей среде может определяться как природными элементами и соеди

Введение

5

нениями, так и образованием новых веществ, опасных для биосферы. В качестве примера можно привести угрожающее загрязнение биосферы соединениями тяжелых металлов, а также появление в природной среде веществ исключительно антропогенного происхождения — пестицидов, диоксинов и других галогенсодержащих органических веществ.
   Дисциплина «Физико-химические процессы в техносфере» предназначена для формирования у специалистов, занимающихся обеспечением безопасности жизнедеятельности человека, соответствующих профессиональных компетенций.
   Эти компетенции позволяют специалистам ориентироваться в довольно сложных физико-химических процессх миграции и трансформации естественных и антропогенных поллютантов в различных компонентах биосферы и техносферы.
   Дисциплину следует рассматривать как базовую в формировании профессионально-ориентированных компетенций специалиста.
   Дисциплина ориентирована прежде всего на направление подготовки дипломированных специалистов 280100 «Безопасность жизнедеятельности». Содержание изложенного в учебнике материала позволяет также использовать его для подготовки бакалавров, специалистов и магистров в области защиты окружающей среды.
   Авторы будут благодарны за любые замечания по содержанию учебника, которые будут учтены в дальнейшем. Мнения и замечания следует направлять в издательство на имя авторов.

            Глава первая ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ








        1.1. Основные компоненты глобального экологического кризиса

   Атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей по сравнению с другими компонентами биосферы — высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов. Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли. Атмосфера (слой озона) защищает нашу планету от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца.
   Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого в результате деятельности живых организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека. Главными компонентами атмосферы являются азот (78 %), кислород (21 %) и аргон (0,9 %) — в приземном слое. Доля остальных компонентов несмотря на их очень важное значение не превышает 0,1 %.
   До высоты 100 км ее подразделяют на четыре оболочки: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Мощность тропосферы оценивается величиной 8—10 км в полярных областях и 16—18 км у экватора. Температура здесь опускается с высотой до 6° на каждый километр. Верхняя граница ее представлена слоем, обычно называемым «тропопаузой», температура в которой составляет примерно 220 К. Стратосфера, расположенная над тропосферой, также подразделяется на две зоны: нижнюю, с температурой, характерной для тропопаузы, и достигающую высоты 25 км, и верхнюю, простирающуюся до высоты 50 км и называе

1.1. Основные компоненты глобального экологического кризиса

7

мую областью инверсии. В этой области температура начинает возрастать и, достигая 273 К, остается неизменной в плоть до высоты 55 км. Эта узкая область постоянной температуры — стратопауза — является верхней границей стратосферы. В стратосфере на высотах 25—35 км расположен озоновый защитный слой. Выше стратосферы располагается мезосфера, достигающая высоты 80 км. В мезосфере происходит понижение температуры и на ее верхней границе («мезопауза») достигает примерно 180 К. После мезопаузы температура вновь начинает возрастать. Эта область атмосферы мощностью около 900 км называется термосферой, которую иногда называют ионосферой. В ее верхней части температура достигает 1000 К. Внешней оболочкой атмосферы является экзосфера, начинающаяся с высоты 1000 км. Экзосфера является областью диссипации атмосферных газов. Диссипация — это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли, т. е. процесс рассеивания вещества в космосе.
    Тропосферу и стратосферу обычно объединяют в нижние слои атмосферы, которые существенно отличаются по составу от верхних слоев (ионосферы). В нижних слоях сосредоточена основная масса атмосферы (50 % общей массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км, а масса слоя высотой 30 км составляет 99 % всей массы атмосферы).
    Тропосфера — неравновесная химически активная система. Большинство газообразных примесей, выделяемых с поверхности Земли в тропосферу в результате геологических, биологических процессов и антропогенной деятельности, находится в восстановленной форме или в виде оксидов с низкой степенью окисления: H₂S, NO, NH₃, CO, NO₂, CH₄, SO₂ и др. Анализ атмосферных осадков показывает, что возвращаемые на поверхность Земли примеси представлены в основном соединениями в высокой, чаще всего в высшей, степени окисления — H₂SO₄, HNO₃, нитраты, сульфаты, CO₂, SO₃ и т. д. Таким образом, тропосфера играет на планете роль глобального окислительного резервуара.
    Возросшая интенсивность хозяйственной деятельности человечества в XX в. проявилась в глобальном загрязнении Земли разнообразными отходами промышленного производства, сельского хозяйства, продуктами жизнедеятельности человека, что является грозным предвестником грядущего экологического кризиса планетарного масштаба. Его проявления наблюдаются в настоящее время в отдельных регионах планеты в изменении ха

Глава первая. Физико-химические процессы в атмосфере

рактеристик природной среды, и при неразумном осуществлении всей совокупной деятельности человеческого сообщества может привести к негативным последствиям глобального масштаба. Наблюдаемые признаки подступающего глобального экологического кризиса в наибольшей мере реализуются в проявлении таких аномальных явлений, как кислотные дожди, парниковый эффект, так называемые озоновые дыры и загрязнение поверхности планеты супертоксичными продуктами, появляющимися исключительно в результате антропогенной деятельности.
   Под кислотными дождями понимаются атмосферные осадки, значение водородного показателя которых ниже величин, отвечающих содержанию углекислоты в атмосфере, т. е. рН < 5,5. Появление аномалий данного типа связывается, в первую очередь, с выносом в атмосферу значительных количеств оксидов серы и азота, различных галогенсодержащих соединений в результате антропогенной деятельности. Взаимодействие кислотных дождей с биосферой, сооружениями, техникой, культурными ценностями характеризуются для них губительными последствиями.
   Парниковый эффект проявляется в повышении температуры нижних слоев атмосферы в результате нарастающего поглощения «парниковыми газами» (СО₂, СН₄, N₂O и др.) инфракрасного теплового излучения Земли. Последствия парникового эффекта могут привести к изменению климата, что сопровождается повышением частоты катастрофических природных явлений.
   Значительную экологическую опасность представляет загрязнение биосферы веществами, имеющими преимущественно антропогенное происхождение и характеризующимися весьма высокой степенью токсичности. К ним относятся галогенсодержащие органические вещества — диоксины, бифенилы, полициклические ароматические углеводороды, пестициды и т. д., ряд тяжелых металлов (ртуть, кадмий, свинец), долгоживущие радионуклиды и т. д.
   Под «озоновыми дырами» понимается сезонное уменьшение толщины озонового слоя над Антарктидой и другими областями земной поверхности. Озоновый слой является своеобразным фильтром, отсекающим опасное для живых существ ультрафиолетовое излучение Солнца с длиной волны менее 285—315 нм. Вследствие этого существенное понижение концентрации озона (уменьшение толщины слоя) представляет серьезную экологическую опасность, которая может быть спровоцирована и человеческой деятельностью.

1.2. Характеристики загрязнения атмосферы

9

   Для выяснения причин появления данных проблем необходимо глубокое понимание комплекса физических, физико-химических и химических процессов, протекающих в тропосфере и стратосфере, следует также учитывать солнечно-земные связи, процессы дегазации Земли, потоки техногенных и эндогенных газов, попадающих в атмосферу, и многие другие факторы.
   Говоря о процессах, протекающих при взаимодействии различных компонентов атмосферы как антропогенного, так и естественного происхождения, необходимо выделить те ее составляющие, которые отличны от ее естественной газовой основы, т. е. те вещества, которые объединяются понятием загрязнения. К вредным выбросам, загрязняющим атмосферу и являющимся источником различных процессов, протекающих в ее объеме, и оказывающим влияние на климат, тепловой режим и экологическую обстановку как в региональном, так и планетарном масштабах, относятся атмосферная пыль, газы и пары.



1.2. Характеристики загрязнения атмосферы

1.2.1. Пыль и аэрозоли

   Атмосфера вблизи поверхности Земли (как тропосфера, так и стратосфера) содержит частицы во взвешенном состоянии. Любая двухфазная система, в которой одна фаза дисперсионно распределена в другой, называется коллоидом. Если дисперсионной средой служит газ или смесь газов, а дисперсной фазой являются взвешенные жидкие либо твердые частицы, то такая коллоидная система называется аэрозолем.
   Вся атмосфера Земли заполнена аэрозольными частицами. В столбике атмосферы с основанием площадью в 1 см² содержится около 2 • 10¹⁰ аэрозольных частиц, а газовых молекул в этом же объеме присутствует более 10²⁵, из чего следует, что на одну аэрозольную частицу приходится примерно 10¹⁵ газовых молекул. Тем не менее роль их в появлении и поддержании жизни на Земле огромная. Аэрозольные твердые и жидкие частицы рассеивают и отражают около 30 % солнечной радиации, поступающей в околоземное пространство. Вследствие этого средняя температура земной поверхности составляет 15 °C вместо 50 °C,

Глава первая. Физико-химические процессы в атмосфере

которая наблюдалась бы при отсутствии аэрозолей в атмосфере, что делало бы проблематичным существование белковых форм жизни на нашей планете.
   Распределение аэрозольных частиц на вертикальном срезе атмосферы представляет собой чередование слоев с высокой и низкой их концентрацией. Обнаружены три зоны их весьма высокого содержания. Это облачный слой, инверсионный слой и слой Юнге (по имени ученого, зафиксировавшего его в середине XX в.).
   Первый сгущенный слой аэрозольных частиц представлен обычно на высоте 1,5—5 км облаками, которые большую часть времени присутствуют в атмосфере и выполняют существенную функцию ослабления потока солнечной энергии. Главная компонента слоя облаков — вода, но вместе с ней в облаках всегда присутствуют множество других соединений, которые в этих условиях проявляют повышенную химическую активность. В соответствии с классификацией, принятой более 100 лет назад Международным метеорологическим съездом, выделяют 10 родов облаков, от перистых до кучево-дождевых. С других позиций облака подразделяют на тропосферные (ниже 13 км) и стратосферные (перламутровые — на высоте 20—30 км и серебристые — на высоте 60—70 км).
   По физико-химическим свойствам облака классифицируют как коллоидально-устойчивые и коллоидально-неустойчивые. Первый тип представлен облаками с переменчивыми и одновременно четко выраженными граничными очертаниями, содержащими капли близких размеров с отсутствием тенденции к их коалесценции. Размеры водяных капель в устойчивых облаках почти одинаковы и составляют около 1 мкм. Содержание воды в 1 килограмме массы таких облаков близко к 1 грамму. Таким образом, устойчивое облако представляет собой воздушную среду с распределенными в ней на расстояниях 20—30 мкм друг от друга капелек воды одинакового размера.
   Второй тип представлен облачным продуктом в виде серой тучи с расплывчатыми краями, в которой присутствуют как капельки различных размеров, так и кристаллики льда. Это состояние проявляется повышенной неустойчивостью, что реализуется выпадением осадков в виде дождя или града.
   Выше облачного слоя находится зона атмосферы, где число аэрозольных частиц резко уменьшается, их состав и состояние