Проблема кислотных осадков. Способы определения кислотности дождевой воды и почвы Реферат

Кислотные осадки - атмосферные осадки в виде дождя или снега, подкисленные (величина водородного показателя pH<5,6) из-за растворения в них кислотообразующих промышленных выбросов (загрязняющих веществ): SO2, NOx , HCl и др.

Кислотные осадки вызывают ацидификацию (подкисление или закисление) почвы, водоемов и приводят к повреждению живых организмов (гибель рыбы, снижение прироста лесов и т.д.).

Для оценки количества ионов водорода в воде химики используют понятие водородного показателя pH (сокр. от англ. «power of hydrogen» - «степень водорода»). Условились считать, что pH чистой воды равен 7. Такой водородный показатель соответствует химически нейтральной среде. С повышением концентрации ионов водорода pH понижается, и такие жидкости уже называются кислотами. Благодаря избыточному содержанию ионов водорода кислоты активно реагируют с другими веществами.

Термин «кислотный дождь» появился в середине XIX века, когда британские ученые заметили, что загрязнение воздуха в промышленно развитой центральной Англии привело к выпадению более кислых, чем обычно, дождей. Но только во второй половине XX века стало понятно, что кислотные дожди несут в себе угрозу окружающей среде.

Надо сказать, что обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие заводов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H2CO3). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Как мы увидим дальше, основная причина выпадения кислотных дождей - это деятельность человека, однако есть и естественные причины, начиная с извержения вулканов и разряда молнии и кончая жизнедеятельностью бактерий. В общем, даже если бы мы закрыли все фабрики и перестали ездить на машинах и грузовиках, значение pH дождя все равно было бы примерно 5,0. Поэтому сейчас принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0.

Кислотные дожди - один из терминов, который принесла человечеству индустриализация. Неуемное расходование ресурсов планеты, огромные масштабы сжигание топлива, экологически несовершенные технологии - яркие признаки бурного развития промышленности, что в итоге сопровождается химическим загрязнением воды, воздуха и земли. Впервые упомянутое в далеком 1872 году, по-настоящему актуальным понятие стало только во второй половине 20 века. В настоящее время кислотные дожди - проблема для многих стран мира. Они часто наблюдаются в США, практически во всех странах Европы, на юго-востоке Канады, в некоторых районах Китая, Бразилии и Нигерии. Также размеры проблемы кислотных дождей быстро увеличиваются в странах Азии, где выпадение двуокиси серы (SO2) увеличилось, начиная с 1990 года. В современных условиях проблема кислотных дождей становится актуальной в разных развивающихся странах земного шара, особенно в разных частях Азии, и Тихоокеанского региона, где энергетическое

Главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы Земли двуокиси серы SO2 и двуокиси азота NO2, которые в результате происходящих в атмосфере химических реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и экотип в целом.

Виды соединений серы:

К наиболее важным соединениям серы находящимся в составе атмосферы Земли относятся:

1. Двуокись серы - SO2

2. Оксисульфид углерода - COS

3. Сероуглерод - CS2

4. Сероводород - H2S

5. Диметилсульфид - (CH3)2S

6. Сульфат-ион - SO4  Источники соединений серы:

Естественные источники эмиссии серы в атмосферу:

I. Биологическое выделение. Почти все без исключения традиционные модели круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере за счет её биологических превращений в почвенных и водных экосистемах. Предполагается, что в результате происходящих микробиологических процессов, в этих естественных экосиситемах сера улетучивается в форме сероводорода (H2S). Многочисленные научные данные свидетельствуют, что микроорганизмы продуцируют сероводород в основном двумя путями:

1. восстановление сульфатов.

2. разложение органического вещества Desulfovibrio, а также родственные им бактерии, восстановители сульфатов, во множестве населяют болота, топи и слабо дренированные почвы. Данные микроорганизмы используют сульфаты как конечный акцептор электронов. Также черезвычайно большая и разнообразная группа микроорганизмов, включающая аэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты и грибы, разлагает серосодержащие органические соединения и высвобождает сероводород.

Поверхность моря и его глубинные слои также может содержать значительные количества сероводорода. В настоящее время не совсем точно известны источники образования диметилсульфида, но предполагается, что в их возникновении принимают участие морские водоросли. Выделения серы биологическим путем не превышают 30 - 40 млн. т. в год, что составляет приблизительно 1/3 от всего выделяемого количества серы.

II. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу Земли наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой -тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях, наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы данное количество серы незначительно по сравнению с биологическим выделением, для стратосферы же извержения вулканов являются самыми важными источниками появления серы.

Очевидно, что чистота дождевой воды зависит от ряда факторов, а именно: санитарно-экологической обстановки территории, над которой образовалось облако, загрязнения атмосферы. Соединения серы и азота, вступая в атмосфере в реакцию с водой, превращаются в кислоты. Среду любого водного раствора можно охарактеризовать содержанием ионов водорода Н+ или гидроксид - ионов ОН- . Водные растворы могут иметь нейтральную, щелочную и кислотную среды. Нейтральноя среда - это среда, в которой число ионов водорода равно числу гидроксид - ионов. Кислотная среда - это среда, в которой число ионов водорода больше числа гидроксид-ионов. Щелочная среда- это среда, в которой число ионов водорода меньше числа гидроксид-ионов.

Значение pH раствора определяют с помощью универсального индикатора. Универсальный индикатор - это смесь нескольких индикаторов, изменяющих окраску в широком интервале значений pH. На практике применяют следующие индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метилоранж.

Для аналитического определения кислотности вод можно предложить два традиционных метода:

1. Измерение рН производится с помощью комбинированного стеклянного электрода и вольтметра. Измеренный в растворе потенциал стеклянного электрода зависит от кислотности раствора и возникает в результате ионного равновесия между стеклянной стенкой и раствором. Если поместить в раствор другой электрод, потенциал которого не будет зависеть от концентрации водородных ионов (электрод сравнения), то можно измерить напряжение между двумя электродами (разность потенциалов). Для 1радуировки прибора используют растворы с известными значениями рН.

2. Другим способом измерения кислотности осадков является использование кислотно-щелочного титрования, сущность которого заключается в том, что к кислотным пробам добавляются щелочные растворы известной концентрации с по мощью пипетки до тех пор, пока рН раствора не достигнет уже упомянутого нейтрального значения 5,6, принятого в химии атмосферы. На изменение рН указывает добавленное к пробе вещество (индикатор), цвет которого изменяется в зависимости от изменения рН. Во время титрования освобождаются связанные ионы водорода, которые не измеряются при определении рН.

Несмотря на принципиальное различие приведенных методов на практике, результаты измерений согласуются между собой.

Кислотно-основные свойства почв характеризуют специфическим набором показателей. Универсальным показателем, который определяют во всех почвах, независимо от их свойств и используют практически при решении любых проблем, является рН.

Величина рН позволяет дать сравнительную оценку активности Н+ и ОН- ионов в жидких фазах исследуемых почвенных систем - реальных почв, паст, почвенных суспензий. В почвоведении кислотность, которая характеризуется величиной рН, часто называют актуальной кислотностью. В таком же понимании можно использовать термин актуальная щелочность, связанный с активностью гидроксил-

Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть различными.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в атмосферу - удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения.

Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20 % имеют содержание серы менее 0, 5 %. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.

Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержанием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей угля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%.

Таким образом, энергоносители с низким содержанием серы у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее удаления.

Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута - процесс очень сложный, а в результате удается освободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капитальных вложений.

Сера в угле находится частично в неорганической, а частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50 % общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие соединения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо дороже предыдущего.

Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемешивание загрязняющих веществ в значительной степени зависит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближайшем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота будет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше

Нам уже известно, что дальнейшее закисление окружающей среды зависит от того, как будет обстоять дело с антропогенными выбросами оксидов серы и азота в атмосферу. Разумеется, предсказать это очень сложно. Однако мы можем сделать определенное заключение на основе анализа интенсивности выбросов в прошлом. Оцененный таким способом выброс двуокиси серы в будущем тысячелетии значительно больше нынешнего уровня. Согласно этому ожидается рост закисления окружающей среды, а причиняемый кислотными осадками ущерб станет катастрофическим. Это вызывает большое беспокойство, если принять во внимание, что и настоящие уровни выброса уже приводят к ужасающим последствиям.

Неблагоприятно положение и с выбросами оксидов азота, поскольку антропогенные выбросы соединений азота по сравнению с соединениями серы увеличиваются еще более высокими темпами.

В определенных странах увеличение эмиссии двуокиси серы, кажется, удалось остановить. Что касается оксидов азота, то и в Европе и во всем мире продолжают увеличиваться выбросы NOx, особенно в связи с возрастающим числом автомобилей.

В некоторых странах проблема эмиссии оксидов серы и азота является в какой-то мере политической, так как в результате их распространения загрязняющие вещества попадают за пределы государственной границы, и одно государство может обвинить другое в ущербе, причиненном кислотными осадками, соответственно потребовав его возмещения. Канада, например, действует, таким образом, по отношению к США, а Швеция - по отношению к промышленно развитым государствам Европы. Специалисты Европы и Северной Америки серьезно обеспокоены дальнейшими последствиями выпадения кислотных осадков. Многочисленные международные организации по охране окружающей среды занимаются проблемами крупномасштабного распространения веществ, загрязняющих воздух.

Международный исследовательский институт прикладного системного анализа (IIASA) проводит изучение моделей с целью установления возможной кислотности почв, вод и т.п. через десятки лет. Результаты говорят о том, что почвы и леса в Европе могут быть спасены от дальнейшего закисления только путем значительного сокращения выбросов.

Эти выбросы должно самостоятельно регулировать каждое государство. Для уменьшения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу существует ряд способов:

• сильное сокращение использования энергии;

• ввод новых технологий, установка фильтрующего оборудования;

• использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников энергии.

Подобное решение звучит довольно нереально. Ни одно государство не согласится уменьшить масштабы потребления энергии и тем самым ухудшить уровень жизни. Ввод новых технологий и установка фильтрующего оборудования также представляют собой экономическую проблему.

Плачевное состояние окружающей среды поставило современных ученых-экологов перед острой проблемой загрязнения нашей планеты. Необходимо найти новые методы решения этого вопроса. В настоящий момент ученые всего мира ищут выход