Взвешенные частицы

Источники. Термин "взвешенные частицы" относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения (отопление и производство энергии), производственной деятельности и естественных источников. Размеры частиц варьируют от 0,1 до примерно 25 мкм в диаметре. Составляющие эти частицы вещества различны, но для урбанизированных территорий типичны углерод или высшие углеводороды, образующиеся при неполном сгорании топлива.В основном процессы, приводящие к образованию взвешенных частиц, — это процессы горения, осуществляемые на ТЭЦ, мусоросжигательных заводах, в бытовых печах, двигатели внутреннего сгорания, печи обжига цемента, лесные пожары, вулканическая деятельность. Частицы, образующиеся в результате сгорания, обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы (главным образом уголь и нефть). До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов (частицы до 1 мкм в диаметре состоят из них на 80 %) Аэрозоли состоят главным образом из углеродсодержащих частиц, оксидов металлов и силикатов, растворенных электролитов и твердых солей. Преобладающими компонентами являются углеродные частицы, вода, сульфаты, нитраты, соли аммония и соединения кремния. Состав аэрозольных частиц значительно изменяется в зависимости от размера. Очень мелкие частицы обычно являются результатом конденсации веществ из газовой фазы и имеют кислую реакцию (например, аэрозоль серной кислоты). Частицы большего размера обычно являются результатом механического измельчения материалов и часто имеют щелочную реакцию. Дисперсионные аэрозоли, такие как пыль, образуются при измельчении частиц большего размера и обычно имеют диаметр более 1 мкм. Для отдельных видов частиц в зависимости от размеров, формы и характерных особенностей поведения условно используют различные термины — пыль, сажа, дым, туман, дымка и пр.Пыль— общий термин, применяемый лишь к твердым частицам. Различают оседающую пыль, т.е. частицы с размером более 10 мкм и механически устойчивые аэросуспензии с размером частиц 5–0,1 мкм.Дымысодержат как твердые, так и жидкие частицы размером от 0,01 до 1 мкм в диаметре. Они образуются либо из веществ, улетучивающихся при высокой температуре, либо в результате химических реакций (окисления).Тумансостоит из жидких частиц диаметром 0,01–3 мкм.

В общем же химический состав взвешенных частиц в атмосфере достаточно разнообразен. Среди компонентов неорганических частиц, обнаруженных в загрязненной атмосфере, присутствуют соли, оксиды, соединения азота, серы, различные металлы и радионуклиды. Следовыми компонентами, встречающимися в количествах менее 1 мкг/м³, являются алюминий, кальций, углерод, железо, калий, натрий, кремний. Часто присутствуют также небольшие количества меди, свинца, титана и цинка, и еще более низкие содержания сурьмы, бериллия, висмута, хрома, кобальта, цезия, лития, магния, никеля, рубидия, селена, стронция и ванадия. Возможные источники этих элементов

• Al, Fe, Ca, Si — эрозия почвы, сжигание угля

• C — неполное сгорание топлива

• Sb, Se — сжигание угля, нефти или отходов

• V — сжигание нефтяного кубового остатка

• Zn — сжигание угля

• Pb — сжигание этилированного бензина и свинецсодержащих отходов.

Примерами процессов диспергирования могут быть выброс в воздух твердых побочных продуктов литейного производства, пыль, образующаяся на улицах города в результате движения транспорта, и т.д. Кроме того, аэрозоли могут образовываться в воздухе в результате фотохимических превращений атмосферных загрязнений (образование аэрозолей серной кислоты, сульфатов, нитратов). Значительная часть органических веществ во взвешенных частицах происходит из выбросов двигателей внутреннего сгорания. Основное внимание привлекают полиядерные ароматические углеводороды.

Диоксид серы

Диоксид серы — бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц, особенно сжигание угля и нефти. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO₃, серной кислоты и сульфатов. Типичные процессы образования дисперсионных аэрозолей — измельчение угля, ветровая эрозия почвы.

Атмосфера. В промышленных районах концентрация диоксида серы обычно достигает 0,05–0,1 мг/м³; в сельских районах она в несколько раз меньше, а над океаном меньше в 10–100 раз. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м³, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер.

Наиболее крупными источниками выбросов двуокиси серы яв­ляются тепловые электростанции, работающие на твердом и жид­ком топливе, и металлургические предприятия. Большинство этих источников осуществляет выбросы из труб на высотах 100—200 м от поверхности земли, в результате чего они значительно рассеи­ваются до попадания в приземный слой атмосферы.

Значительную роль в загрязнении атмосферного воздуха горо­дов двуокисью серы играют такие источники, как мелкие котель­ные с низкими трубами, небольшие предприятия местной промыш­ленности, печные трубы жилых домов, т. е. источники, которых в городах насчитывается до нескольких сотен.

При одних и тех же выбросах содержание сернистого газа в атмосфере возрастает в 2 раза при увели­чении вклада низких выбросов (высота труб до 50 м) от 25 до 50 % в суммарное количество выбросов. Влияние высоты выбро­сов особенно заметно при сравнительно небольшом количестве суммарных выбросов примеси. С учетом высот всех источников выбросов в городе можно принять среднюю высоту выбросов сер­нистого газа hsoi = 25 м.

При рассмотрении соотношений между выбросами и концен­трацией вредных веществ принималось, что все выбросы серы на­ходятся в атмосфере в виде сернистого газа. В действительности в туманах и осадках очень быстро происходит его окисление до SO₄ с дальнейшим образованием серной кислоты. При этом про­исходит возрастание массовой концентрации примеси: из 1 г сер­нистого газа образуется 1,5 г серной кислоты.

При низкой температуре воздуха (—35°С и ниже) выбросы тепловых электростанций и котельных способствуют образованию тумана, состоящего из частиц замерзшей влаги с высоким содер­жанием серной кислоты. Такие туманы могут возникать в поляр­ных районах, особенно на севере Восточной Сибири.

Окисление сернистого газа до SO4 и образование сульфатов происходит чаще всего в процессе фотохимических реакций. Скорость реакции окисления в значительной степени зависит от интенсивности солнечной радиации и от наличия соединений, способных изменять скорость реакции. Так, если в чистом воз­духе скорость фотохимического окисления сернистого газа состав­ляет 0,03 %/ч, то в присутствии даже незначительного количества окислов азота (а они присутствуют в атмосфере почти всегда) и олефинов она возрастает до 10 %/

В 1980 г. одновременные измерения концентраций сернистого газа и сульфатов были начаты на сети ОГСНКД во многих горо­дах, на одном посту в каждом городе. По предварительному ана­лизу результатов измерений получено, что в ат­мосфере содержание сульфатов (так же, как и сернистого газа) непрерывно изменяется. Средняя концентрация сульфатов зависит -от среднего уровня загрязнения воздуха сернистым газом и воз­растает с его увеличением.

В большинстве городов концентрация сульфатов составляет 10—25 % концентрации сернистого газа. Наибольшие концентрации сульфатов отме­чаются в районах, где велика интенсивность солнечной радиа­ции, редки осадки и создается возможность для длительного со­хранения серы в атмосфере, либо велика концентрация промыш­ленных предприятий с выбросами больших количеств серы. Более низкие концентрации сульфатов, составляющие 7—15 % концен­трации сернистого газа, наблюдаются Поволжье, и на Дальнем Востоке.

Увеличение концентрации серы за счет переноса ее из европейских стран мо­жет оказаться значительным на территории Ленинградской и Ка­лининградской областей. Сюда мо­жет переноситься в среднем за 1 год 4,1 т/км².

Средний уровень загрязнения воздуха существенно зависит от преобладающей в городе отрасли промышленности. Такой вывод получен при рассмотрении материалов измерений, выполненных в 328 городах. В городах с предприяти­ями черной и цветной, нефтеперерабатывающей промышленности концентрации сернистого газа выше, чем в среднем по стране, и выше, чем в крупнейших городах.

Средние максимальные концентрации сернистого газа в горо­дах с предприятиями цветной металлургии выше средних макси­мальных по стране почти в 2 раза, а в городах с другими из рас­сматриваемых отраслей промышленности — выше средней макси­мальной по стране на 40—50 %..

Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или обесцвеченных некротических полос на листьях с продольным жилкованием. Хронический эффект проявляется как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO₂и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO₂могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования.