Как оксиды серы и азота загрязняют атмосферу?

Негативное влияние на окружающую среду

Загрязнение воздуха грозит появлением многих опасных последствий.

Наиболее значимыми среди них ученые считают:

Истончение озонового слоя. Озоновый слой — это часть атмосферы на высоте от 20 до 40 километров. За счет повышенного содержания озона является «защитным экраном», предохраняющим Землю от сильного ультрафиолетового излучения со стороны Солнца. Под воздействием вредных веществ озоновый слой истощается, а это приводит к повышению естественной радиации.
Глобальное потепление. Из-за выброса парниковых газов температура на планете неуклонно растет. Это может привести к глобальному изменению климата. За этим могут последовать различные природные катаклизмы, в том числе таяние ледников, наводнения и т. д.
Кислотные дожди. Вредные выбросы участвуют в осадкообразовании, меняя состав влаги. Кислотные дожди губят леса и проживающих в нем обитателей, негативно сказываются на здоровье людей.
Влияние на экосистемы. Природные экосистемы сбалансированы и основаны на круговороте веществ. Изменение одного из компонентов может привести к нарушению функционирования всей системы в целом. Загрязненные частицы из воздуха попадают в осадки, а оттуда в почву. Это вызывает отравление живых существ и нарушение пищевых цепочек.

Твердые вещества

Выбросы твердых веществ связаны, прежде всего, с химическими методами переработки углеводородного сырья, особенно каталитическими. Эти вещества состоят в основном из частиц диаметром от 0,01 до 100 мкм.

Химический состав образующейся пыли очень сложен и может вызвать увеличение риска заболевания раком легких, поскольку анализы обычно выявляют присутствие соединений углерода, предельных, ароматических и полициклических углеводородов, тяжелых металлов и др. Выявлена однозначная зависимость между концентрацией пыли в воздухе и хроническими заболеваниями дыхательных путей, в первую очередь, заболеваниями астмой, бронхитом и эмфиземой легких. При повышенных дозах тяжелых металлов, проникающих в организм с пылью, могут возникать нарушения в работе кроветворных органов и центральной нервной системы.

Ряд проведенных исследований показывает, что процессы каталитической переработки нефтяного сырья являются одним из основных источников выбросов катализаторной пыли в атмосферу. Низкая эффективность отделения катализаторной пыли на установках каталитического крекинга приводит к неоправданно высоким потерям дорогостоящих катализаторов и значительному загрязнению окружающей среды твердыми выбросами. Другими словами, проблема снижения выбросов твердых веществ связана, прежде всего, с разработкой проектов установок каталитического крекинга и особенно установок повышенной мощности, работающих на утяжеленных и остаточных видах нефтяного сырья.

Последствия загрязнения воздуха

Загрязнение воздуха оксидами серы и азота имеет серьезные последствия для здоровья человека и окружающей природы.

Один из главных вредных факторов, приводящих к загрязнению воздуха оксидами серы и азота, — это массовое использование автомобилей и производственных мощностей, работающих на топливе, содержащем серу.
Выбросы оксидов серы и азота в атмосферу приводят к ухудшению качества воздуха и формированию смога, что может приводить к развитию респираторных заболеваний, астмы, бронхита, аллергических реакций, а также оказывать негативное воздействие на сердечно-сосудистую систему.
Оксиды азота и серы оказывают сильное воздействие на растительный мир и не только ограничивают рост и развитие, но и вызывают полное отмирание организма.
Кроме того, загрязнение воздуха оксидами серы и азота является причиной ацидоза почвы, что приводит к нарушению баланса питательных веществ и уменьшению плодородности почв.

Решить проблему загрязнения воздуха можно за счет:

Ограничения и контроля выбросов загрязняющих веществ на производствах.
Применения новых технологий производства, использующих возобновляемые источники энергии и экологически чистые топлива.
Развития систем общественного транспорта и побуждения граждан к использованию велосипедов и общественного транспорта.
Регулирования количества автомобилей на дорогах и внедрения практики каршеринга.

Загрязнение атмосферы оксидом азота

Оксиды азота — это группа из семи газов и соединений, состоящая из азота и кислорода, иногда совокупно известных как газы NO_x. Двумя наиболее распространенными и опасными оксидами азота являются оксид азота и диоксид азота. Оксид азота, также называемый веселящим газом, является парниковым газом, который способствует глобальному потеплению.

Оксид азота (NO) выбрасывается в составе выхлопных газов транспортных средств, а также при сжигании угля, нефти, дизельного топлива и природного газа, особенно на электростанциях. Он также выделяются фабриками, сигаретами, газовыми плитами, керосиновыми обогревателями, дровяными котлами.

Оксиды азота могут создавать опасность для окружающей среды, когда они вступают в реакцию с солнечным светом и другими химическими веществами с образованием смога. Оксиды азота и диоксид серы вступают в реакцию с веществами в атмосфере, образуя кислотные дожди.

Влияние оксидов азота на организм

Краткосрочное воздействие:

Влияние оксидов азота на здоровье может включать в себя:

Раздражение дыхательной системы, глаз и кожи.
Осложнения респираторных заболеваний, в частности астмы.
Затрудненное дыхание.
Кашель и удушье.
Тошноту.
Головную боль.
Боли в животе.
Контакт кожи и глаз с газообразными оксидами азота или диоксидом жидкого азота может вызвать раздражение и ожоги.

Длительное воздействие:

Долгосрочное воздействие низких уровней оксидов азота может привести к раздражению органов дыхания:

Долгосрочное воздействие высоких уровней оксидов азота может привести к:

Генетическим мутациям.
Снижению женской фертильности.
Вреду развивающемуся плоду.
Спазмам.
Отёку горла.
Учащённому пульсу.
Проблемам с сердцем.
Смерти.

Влияние оксида азота на организм человека

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота: NO2, N2O3, N2O4. Наибольшую опасность представляет NO2. Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушения функций легких и бронхов.

Воздействию оксидов азота в большей степени дети и взрослые, страдающие сердечно — сосудистыми заболеваниями. В воздухе оксиды азота в зависимости от концентрации вызывают: раздражения слизистых оболочек носа и глаз С = 0,001 об. % , начало кислородного голодания С = 0,001 об. % , отек легких С = 0,008 об. %.

При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 — 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий.

При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами. NO2 тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Ощущение запаха и незначительного раздражения во рту отмечается при концентрации NO2 порядка 0,0002 мг/л. Вредное воздействие оказывают оксиды азота и на нервную систему человека. Содержание в атмосферном воздухе оксидов азота свыше 0,28 мг/м3 приводит к повреждению некоторых видов растений вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога. В уходящих газах дизелей концентрации СО и NOx могут достигать 0,5 % (по объему).

Каталитическая очистка газов от оксидов азота

Эффективность этой группы методов высока, поскольку некоторые из них позволяют снизить выброс в атмосферу на 90 % и более

Среди них наибольшее внимание уделяется селективному каталитическому восстановлению (СКВ, SCR). Этот способ был введен в начале семидесятых в Японии и до сих пор успешно используется в США и Германии

Он заключается в восстановлении оксидов азота аммиаком при 150—450 °C в присутствии катализатора. Процесс называется селективным, поскольку аммиак обладает более высокой реакционной способностью по отношению к оксидам азота, чем к кислороду.

В объеме отработанных газов доля монооксида азота составляет 90—95 % от суммарной концентрации оксидов азота, поэтому основная реакция

4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O.

Диоксид азота, на долю которого приходится 5—10 %, реагирует по уравнению

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ = 3N₂ + 6 H₂O.

Небольшие количества кислорода, содержащиеся в отходящих газах, ускоряют селективное каталитическое восстановление оксидов азота, но более высокое содержание O₂ оказывает неблагоприятное воздействие, снижая скорость процесса SCR.

Катализаторы SCR представляют собой оксиды переходных металлов, например ванадия, титана, молибдена. Ванадий-титановый катализатор отличает высокая активность при низких температурах. Срок службы составляет около 3 лет на угольных электростанциях и 5—7 лет на установках, работающих на нефтяном и газовом топливе.

Рисунок 1. Принципиальная схема системы SCR

1. Панель управления, 2. Двигатель внутреннего сгорания когенерационной установки, 3. Датчик оборотов двигателя, 4. Датчики NOx, 5. Датчик температуры (термопара), 6. Инжектор реагента, 7. Датчик давления, 8. Смеситель, 9. Насос для реагента, 10. Емкость с реагентом, 11. Катализатор гидролиза, 12. Катализатор SCR, 13. Катализатор для удаления аммиака.

Также в ряде случаев применяют неселективную каталитическую очистку газов от оксидов аммиака. В качестве реагентов восстановителей используют такие химические вещества: водород, метан и другие углеводороды.

Уменьшение вредного воздействия окислов серы и азота

Содержание большого количества серы в топливе влияет на экологию негативно. Чтобы предупредить загрязнение атмосферы оксидами серы и азота, необходимо минимизировать вредные выбросы.

Для удаления серы из топлива производится обессеривание на заводе по нефтепереработке. Кроме того, перед сжиганием топлива на ТЭС его подвергают воздействию высоких температур, что способствует удалению избытков серы.

Чтобы уменьшить вредное воздействие названных веществ в процессе сгорания, применяются следующие методы:

Поглотительный: очищение активированным углем, известью, известняком. Осуществляется нейтрализация вредных веществ благодаря установке фильтров. Недостатком таких очистительных систем является то, что во влажном состоянии эффективность сорбентов снижается. Кроме того, установки для фильтрации имеют большие размеры.
Восстановительный: восстановление с помощью водорода, углерода на катализаторе до молекул азота. Самый распространенный метод.
Карбамидный: с помощью специальной промышленной установки из дымовых газов удаляются оксиды серы и азота.
Специальный топочный режим: двух-, трехступенчатое сжигание топлива, подача влаги в место горения и другие. Горение должно происходить при как можно более низкой температуре и малом избытке воздуха.

Очистка газов перед выбросом в атмосферу частично обеспечит решение экологической проблемы. Снизить выбросы также помогут следующие меры: совершенствование горелочных приспособлений, применение устройств с пониженным образованием оксидов азота, двухсветный экран.

Решения от «ЭКОЭНЕРГОТЕХ»

— лидер в поставках установок для очистки от оксидов азота в России. Предприятие разрабатывает и производит высокоэффективные системы для очистки дымовых газов от оксидов азота с учетом потребностей клиентов. К основным преимуществам создаваемой продукции относят:

высокую эффективность и производительность;
длительный срок службы установок;
надежность, доказанную за многие годы эксплуатации;
инновационные решения;
конкурентоспособные цены от отечественного производителя.

Менеджеры компании проконсультируют по вопросам подбора оборудования. В установленные договором сроки организация осуществит поставки комплексных систем для очистки отработавших газов от различных источников, включая проектирование, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание.

Влияние оксида азота на окружающую среду

Оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов оксида азота. На него приходится около 6% глобального потепления. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т.

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Все оксиды азота физиологически активны, относятся к третьему классу опасности. Оксид азота N2O обладает наркозным эффектом. Оксид азота NO — сильный яд, оказывающий влияние на центральную нервную систему, а также вызывающий поражение крови за счёт связывания гемоглобина. Относительно высокой токсичностью (при концентрации выше 0,05 мг/л) обладает и оксид азота NO2. Он раздражает дыхательные пути и угнетает аэробное окисление в легочной ткани, что приводит к развитию токсического отёка легких. Для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами.

Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.

Пути решения проблемы загрязнения атмосферы

Существуют разные способы уменьшения нагрузки на атмосферу и улучшения качества воздуха:

Принятие природоохранных законов.
Сокращение количества промышленных выбросов.
Создание экологически чистых предприятий.
Переход на альтернативную энергетику.
Увеличение количества зеленых насаждений.
Вторичная переработка отходов.
Изменение структуры работы транспорта.
Очистка воздуха на особо загрязненных территориях.

11 декабря 1997 года в японском городе Киото было подписано международное соглашение. Страны-участницы обязались прилагать усилия к сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу. Киотский протокол стал одной из важных мер по противодействию глобальному изменению климата. В 2004 году это соглашение было ратифицировано Российской Федерацией.

Почему во многих странах проблема загрязнения воздуха не решается

Большую часть выбросов в атмосферу производят промышленные и добывающие предприятия. Главы крупных компаний и корпораций не готовы терять свои доходы, поэтому тормозят развитие экологической индустрии.

Для того чтобы сделать воздух более чистым, необходима консолидация всего общества. С этой целью следует:

создавать и поддерживать работу общественных организаций по охране природы;
проводить законодательные инициативы в области экологии;
формировать ответственное отношение бизнеса к природе через систему штрафов и поощрений.

Негативное влияние на здоровье

В организм человека токсические вещества из воздуха попадают двумя основными способами:

Прямой путь — через дыхательные пути.
Косвенный путь — через пищу. Вредные частицы из воздуха попадают в водоем и почву, становятся частью пищевой цепочки или заражают растения.

Загрязненный воздух оказывает негативное воздействие на весь организм, но особенно страдают органы дыхания и сердечно-сосудистая система.

Сегодня установлена прямая связь между грязным воздухом и развитием следующих заболеваний:

бронхиты;
астма;
атеросклероз;
инсульты;
рак легких.

Ухудшение состояние здоровья из-за отсутствия доступа к чистому воздуху негативно сказывается и на экономике. Люди больше времени проводят на больничном, снижается работоспособность и производительность труда.

По данным «Гринпис» в России от последствий загрязнения воздуха ежегодно умирает не менее 120 тысяч человек.

Какую роль играет загрязнение NOx в скандале с Volkswagen Diesel?

Volkswagen долгое время продавал дизельные двигатели для большинства автомобилей в своем парке. Эти маленькие дизельные двигатели обеспечивают достаточную мощность и впечатляющую экономию топлива. Обеспокоенность по поводу их выбросов оксида азота была утихла, поскольку маленькие дизельные двигатели Volkswagen отвечали строгим требованиям, установленным Агентством по охране окружающей среды США и Калифорнийским советом по воздушным ресурсам. Так или иначе, немногие автомобильные компании, казалось, были в состоянии проектировать и производить свои собственные мощные, но экономичные и чистые дизельные двигатели. Вскоре стало ясно, почему, когда в сентябре 2015 года EPA показало, что VW обманывал испытания на выбросы. Автопроизводитель запрограммировал свои двигатели так, чтобы они распознавали условия испытаний и реагировали, автоматически работая при параметрах, которые производят очень низкое количество оксидов азота. Однако при нормальном движении эти автомобили производят от 10 до 40 максимальных допустимых пределов.

Откуда происходит загрязнение NOx?

Оксиды азота образуются, когда кислород и азот из воздуха взаимодействуют во время высокотемпературного горения. Эти условия возникают в автомобильных двигателях и электростанциях, работающих на ископаемом топливе.

В частности, дизельные двигатели производят большое количество оксидов азота. Это связано с особенностями сгорания, характерными для этого типа двигателей, включая их высокое рабочее давление и температуры по сравнению с бензиновыми двигателями. Кроме того, дизельные двигатели позволяют избытку кислорода выходить из цилиндров, что снижает эффективность каталитических нейтрализаторов, которые в бензиновых двигателях предотвращают выброс большинства газов NOx.

Последствия заражения сернистым газом и азотом

Высокозернистый уголь, нефть, топливо — основные источники загрязнения.

Из-за задымления серным газом увеличивается заболеваемость населения бронхитом, бронхиальной астмой, энфиземой легких. Половина всех травм глаз на улице связана с попаданием в них летучей золы.

Заражение серным ангидридом можно распознать по специфическому вкусу и запаху. Он вызывает сильное раздражение слизистых.

В связи с выбросами в атмосферу оксидов серы ухудшается общее состояние организма, учащаются жалобы на головную боль, возникает тошнота, слабость, снижается работоспособность.

Оксиды серы и азота способны вызвать «кислотные» дожди. Они разрушают естественный защитный слой растений, что приводит к возникновению различных заболеваний. Кроме того, увеличивается кислотность почвы, а, следовательно, ее плодородие уменьшается. Питательные вещества, содержащиеся в почве, растворяются, тяжелые металлы переходят в растения и способны не только в дальнейшем вызвать гибель самого растения, но и навредить здоровью человека, употребившего в пищу его зараженные части.

Кислоты, которые находятся в воде, начинают взаимодействовать с кадмием, ртутью, свинцом и другими токсичными материалами, имеющимися в почве. Растворяясь под действием кислоты, они проникают в живые организмы, смешиваются с подземными водами. Человек, употребляющий зараженную воду, рискует получить заболевания почек, печени, ЦНС, онкологию.

Водные объекты, подвергшиеся окислению, превращаются в болота, что наносит непоправимый вред экосистеме водоема.

Кислотные дожди также способствуют разрушению металлических конструкций, стекла и резины.

Суперэкотоксиканты

В последние годы из общего числа вредных веществ выделяют те, которые в малых дозах оказывают сильное индуцирующее или ингибирующее действие на ферменты, — так называемые суперэкотоксиканты. Наиболее распространенным в окружающей среде из суперэкотоксикантов является бенз(а)пирен. Это вещество выделено в качестве индикатора для всей группы канцерогенных полиароматических углеводородов (ПАУ).

В тех объектах, где обнаруживается бенз(а)пирен, как правило, присутствуют и другие ПАУ, среди которых он является одним из сильнейших канцерогенов, образующихся в результате пиролитических реакций. Основным условием образования ПАУ является высокая температура — 800-1000°С, поэтому основными источниками выбросов ПАУ являются дымовые трубы технологических печей и установки производства битума.

Воздействие на водную среду >

Применение оксида азота

Оксид азота используется при неотложной помощи для содействия капиллярному расширению легких для лечения первичной легочной гипертензии у новорожденных, связанной с врожденными дефектами. Терапия оксидом азота значительно повышает качество жизни и, в некоторых случаях, спасает жизнь детей с риском развития заболевания сосудов легких.

Оксид азота также вводится в виде спасительной терапии у больных с острой правожелудочковой недостаточностью, которая является вторичной по отношению к легочной эмболии.

В пищевой промышленности оксид азота известен под названием пищевая добавка Е942 и используется в качестве пропеллента и упаковочного газа.