2. Компоненти забруднення атмосфери

Забруднювачі атмосфери за своєю природою являють собою газоподібні речовини та аерозолі. Перші з них поєднують справжні гази і пари з властивої ним молекулярною роздробленістю, а другі – тверді і рідкі частки. Агрегатний стан атмосферного забруднювача визначає його фізико-хімічні властивості, поширення в атмосфері і фітотоксичність. Гази і пари, наприклад, можуть легко вступати в хімічну взаємодію з іншими речовинами, а пари, крім того, конденсуватися й осідати. Газоподібні речовини легко проникають у внутрішні тканини рослини, а пилоподібні частки осідають на його поверхні. У лист можуть проникати лише розчинені речовини разом зі потоком води.

Діючі підприємства викидають в атмосферу, як правило, суміш газів, парів і твердих часток, до складу яких входять речовини, що беруть участь чи утворюються у виробничому процесі.

Більшість виробничих відходів викидається в атмосферу примусово через труби, аспіраційні і вентиляційні системи, де велика частина їх уловлюється. Неорганізовані викиди надходять в атмосферу з виробничих систем, що втратили герметичність, (через вікна, двері, аераційні пристрої), а також у місцях видобутку, навантаження і транспортування сировини на відкритих розробках і при самозайманні порід, що містять сірку, на териконах. Одним з найважливіших джерел забруднення атмосферного повітря є топки для спалювання палива і печі для виплавки і переплавляння металу.

До складу речовин, які викидаються в атмосферу підприємствами і транспортом, входять біля сотні ідентифікованих і значна частина ще не ідентифікованих. Найбільш розповсюдженими газами, що забруднюють повітря, є: сірчистий і сірчаний ангідриди, сполуки фтору, хлору, окисли азоту, сірковуглець, сірководень, аміак, ненасичені вуглеводні, окис вуглецю та ін.

Тверді частки, що надходять в атмосферу, найчастіше складаються з незгорілих часток вугілля, золи, сульфатів і сульфідів металів (заліза, міді, цинку, свинцю), кремнезему, хлоридів, сполук кальцію, натрію та ін.

До складу рідких аерозолів крім парів кислот, фенолів і інших речовин, що надходять в атмосферу, входять сполуки, що утворюються в результаті взаємодії газів і твердих часток з водяною парою.

Сірчистий ангідрид (SO₂) утворюється при переробці і горінні органічних речовин (кам'яне і буре вугілля, нафта і нафтопродукти, деревина), випалі і плавці сірковміських руд при виготовленні і застосуванні у виробничому процесі сірчаної кислоти. Викидають сірчистий ангідрид у великій кількості теплові електростанції, підприємства чорної і кольорової металургії, коксохімічні, цементні, синтетичних волокон і аміаку, целюлозні, цукроваріння та ін.

Теплова електростанція, яка спалює в добу 4500 т кам'яного вугілля, що містить 3% сірки, викидає в повітря 270 т сірчистого ангідриду, а при виплавці міді з 2250 т концентрату руди, що містить 30% сірки, виділяється в атмосферу 1360 т сірчистої ангідриду.

Під час виплавки чавуна утворюється велика кількість доменного газу, з якого близько 10% надходить в атмосферу. За статистичними даними, виплавка 1 т чавуна, супроводжується викиданням в атмосферу в середньому 22,4 кг сірчистого ангідриду.

Величезна кількість сірчистих сполук надходить в атмосферу зі збагачувальних фабрик залізної руди, під час виплавки міді, цинку, нікелю та інших металів, а також під час коксування вугілля.

Самозаймання сполук сірки, що містяться в породах, що викидаються з вугільних шахт, супроводжується виділенням сірчистого ангідриду. Кількість SO₂, який надходить у повітря залежить від складу шахтних териконів. За даними Д. Н. Калюжного зі співробітниками (1950), концентрація SO₂ у напрямку поширення диму досягає 0,2-5,0 мг/м³ і викликає ушкодження рослин на території радіусом до 200-300 м від терикона. Найвища концентрація сірчистого ангідриду спостерігається на відстані до 300 м від териконів.

У великих містах і промислових районах Європи і Північної Америки середньорічна концентрація сірчистого ангідриду складає 0,8-4,0∙10^-3 мг/м³. Установлено, що в більш північних районах навіть менш потужні джерела забруднення атмосфери, чим металургійні заводи, створюють більш високу концентрацію двоокисів сірки й азоту в приземному шарі повітря. Це обумовлюється часто повторюваною високою хмарністю, що зменшує вертикальний обмін повітря.

Сірчистий ангідрид здатний вступати у взаємодію з крапельками водяної пари, що містяться в повітрі, або тумана, дощу й утворювати сірчисту кислоту.

Розчинність сірчистого ангідриду у воді вивчили Террагліо і Манганеллі. За їх даним, швидкість розчинення SO₂ у воді залежить від концентрації цього ангідриду в атмосферному повітрі. Так, при змісті SO₂ у повітрі 0,81 мг/м³ у розчині виявлялося його 4,53 мкг/мл, при 2,54 мг/м³ – 8,88 мкг/мл, при 5,54 мг/м³ – 12,83 мкг/мл і при 8,73 мг/м³ – 16,75 мкг/мл. Одночасно знижувалася кислотність розчину. Різке зниження кислотності обумовлене дисоціацією сірчистої кислоти, що утворюється, а також утворенням водневих (Н+) і бісульфатних (SO₃^2-) іонів. У розчині сульфітів виявлялося понад 98,5% бісульфатних іонів і лише 1,5% сполук сірчистої кислоти.

Сірчиста кислота є нестійкою сполукою і дисоціює з виділенням сірчистого ангідриду.

За наявності в атмосфері окислювачів (озону та ін.), а також вологи частина сірчистого ангідриду легко перетворюється в сірчаний ангідрид і різко підвищується їхня спільна фітотоксичність. За даними Е.Н.Болдирєва (1964), наприклад, співвідношення аерозолів сірчаної кислоти і сірчистого ангідриду за ясної погоді складало 3,2%, а за мрячної – 15,7%. Під час надходження в атмосферу двоокису сірки до неї домішується близько 2% сірчаного ангідриду, але через якийсь час частка останнього підвищується до 16%.

Сірчаний ангідрид має високу гігроскопічність і, з'єднуючись з водяною парою, утворює аерозоль сірчаної кислоти, що утримується в повітрі у виді тумана. Сірчана кислота має сильні окисні властивості, активно приєднує воду. Наявність в атмосферному повітрі спільно сірчистого і сірчаного ангідридів обумовлює високу токсичність їх для рослин.

Сірководень (H₂S) надходить в атмосферу разом з іншими забруднювачами у відносно невеликій кількості порівняно із сірчистим ангідридом. Він постійно знаходиться у викидах коксохімічних підприємств, виділяється під час виготовлення штучного волокна, цукру, у кам'яновугільних шахтах, на нафтових промислах, нафтопереробних заводах і ін. Сірководень має сильні відновні властивості і є токсичним для рослин.

Окисли азоту й аміак викидають підприємства, які виробляють мінеральні добрива, азотисту кислоту і нітрати, анілінові барвники, нітросполуки, віскозний шовк, целулоїд, фотоплівку, а також вихлопні гази автотранспорту.

У суміші окислів азоту (NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₅), що викидаються повітря у виді жовто-коричневого диму («лисий хвіст»), переважають NO₂ і N₂O₅. Це обумовлено тим, що окис азоту (NO) не стійкий й окисляється киснем повітря до двоокису. Двоокис азоту, у свою чергу, може окислятися до азотного ангідриду в зазначеній вище послідовності.

Окисли азоту (NO₂, N₂O₃, N₂O₅) легко розчиняються у воді, що міститься в повітрі, і утворюють аерозоль азотної (HNO₃) і малостійкої азотистої (HNO₂) кислот. Легкість взаємного переходу одного окисла азоту в іншій ускладнює роздільний облік вмісту кожного з них у повітрі, і тому звичайно виражають їхню сумарну концентрацію. Високий відсоток окислів азоту в атмосфері створюється і у містах з інтенсивним рухом автотранспорту.

Аміак (NH₃) виділяється в атмосферу в невеликих кількостях при виробництві амонійних добрив, сечовини, азотної кислоти, на цукрових, шкіряних і інших підприємствах. У повітрі аміак реагує з вугільним ангідридом, утворити (NH₄)₂CO₃, або з водою, перетворюючись у NH₄OH. За наявності в повітрі більш реакційноздатних аніонів аміак вступає з ними у взаємодію і перетворюється в амонійні солі (сульфати, фториди та ін.). Вони носяться в повітрі у вигляді дрібних кристалів і повільно осідають.

Аміак має відновні властивості зі слабко вираженою токсичністю.

Фтористі сполуки є одними з найбільш шкідливих для рослин. Фтор легко вступає в реакцію майже з всіма елементами. Тому у вільну атмосферу він надходить не в чистому виді, а в сполуці з іншими речовинами у виді газу або пилоподібних часток (HF, NH₄F, H₂SiF₆, NaF і ін.). Джерелами забруднення повітря фтористими речовинами є алюмінієві і кріолітові заводи, підприємства, що виробляють фосфати і фосфорні добрива, емалеві і керамічні вироби і т.д. Деяка кількість фтористих сполук виділяється з топок під час спалювання вугілля і з флюсів, застосовуваних у виплавці чавуна. Газоподібні і розчинені у воді сполуки фтору проникають у рослину через листи і корені.

Деякі види рослин здатні накопичувати високі дози фтору і за систематичного потрапляння в організм тварин викликати захворювання флюорозом. Фтористі сполуки є високотоксичними для рослин. Не рідкі випадки повної загибелі листя дерев поблизу заводів емальованого посуду, які викидають в атмосферу фтористий водень і чотирьохфтористий кремній. Згубна дія фтору на рослини підсилюється при високій вологості повітря й опадах.

Сполуки хлору є високореакційними окислювачами. У вільному стані в природі і викидах підприємств хлор майже не зустрічається. Забруднення атмосферного повітря хлористими сполуками походить від титаномагнієвих заводів, хімічних підприємств, що виробляють інсектициди, гербіциди, соляну кислоту, органічні барвники, цемент, суперфосфат, оцтову кислоту, гідролізний спирт, хлорне вапно, соду, при гальванопластиці й ін. Численні джерела викидів сполук хлору обумовлюють наявність останніх в атмосферному повітрі більшості сучасних міст. Концентрація хлору в містах США в середньому складає 2,6-9,5∙10^-8% (Катц, 1962). Хлористий водень і інші його сполуки необхідні рослинам в обмеженій кількості. У випадку поступлення в організм у високих дозах хлор викликає глибокі структурні і функціональні порушення, що нерідко ведуть до загибелі рослин.

Окис вуглецю виділяється усюди при неповному згорянні речовин, що містять вуглець (кам'яне вугілля, нафтопродукти, природний газ). Наприклад, вміст CO складає в доменному газі до 30%, у вихлопних газах автотранспорту – від 1 до 13,7% (у середньому 6,3%), у газах, що викидаються вагранкою, від 13 до 15% і т.д. Окис вуглецю є відновником. Він негативно впливає на рослини при порівняно високій концентрації понад 1 %.

Аерозолі бувають тверді і рідкі. Аерозолі – це дрібні тверді і краплиннорідкі частки, які містяться у повітрі, як дисперсійному середовищі, (диспергенти) у зваженому стані. Сукупність твердих часток виявляється у виді диму, а рідких –тумана чи хмари. Розмір часток аерозолів коливається в широких межах – від сотих часток мікрона до десятків і сотень мікрон. Частки, менші 5 мк, можуть тривалий час знаходитися в повітрі у вигляді суспензій, а при досягненні розміру більш 10 мк вони швидко осідають.

Особливо високе забруднення атмосферного повітря аерозолями створюється у великих містах і біля підприємств, що викидають в атмосферу багато пилоподібних часток, які розповсюджуються в напрямку вітру.

Тверді частки аерозолю різноманітні за хімічним складом. Найбільш часто в складі твердої фракції забруднювачів повітря зустрічаються сполуки кремнію, кальцію, вуглецю (частки незгорілого вугілля), смолисті речовини, рідше окисли металів – заліза, алюмінію, магнію, цинку, марганцю, міді й ін.

Основними джерелами викиду твердих і рідких часток в атмосферу є теплові електростанції, що спалюють буре вугілля, металургійні підприємства, збагачувальні (агломераційні), фабрики, цементні і сажові заводи, хімічні підприємства, які виготовляють дусти, а також транспорт та ін. Доменний цех у добу викидає понад 190 т пилоподібних часток. Метали, що випаровуються в процесі плавки і надходять у вільну атмосферу, знаходяться в зваженому стані у вигляді найтоншого пилу з окислів заліза, марганцю, міді, цинку, свинцю, срібла, сурми, вісмуту, кадмію, селен, телуру та ін. Під час виготовлення кожної тонни цементу завод втрачає 240 кг продукції у вигляді пилу.

Тверді суспензії в атмосфері утворюються також у результаті хімічної взаємодії газоподібних речовин, що надходять у неї, Так, аміак легко реагує з хлором або хлористим воднем, унаслідок чого утворюється хлористий амоній. Кристали амонійних солей і окислів металів високодисперсні, тривалий час вони знаходяться в повітрі у зваженому стані і розносяться повітряними потоками на величезні відстані, іноді сягаючі тисяч кілометрів.

Сажові заводи викидають в атмосферу за добу декілька сотен кілограмів часток сажі розміром 0,033-0,04 мм. При висоті вентиляційних труб 20-25 м вміст сажі в приземному шарі повітря з навітряної сторони від заводу на відстані 0,2 км складає 0,9-10,7 мг/м³, 0,5 км – 0,5-1,6, 1 км – 0,37-1,1, 2 км – 0,03-0,1. У зимовий час, коли зменшується вертикальне перемішування повітря, зміст у ньому часток сажі підвищується.

Рідкі частки аерозолю утворюються під час конденсації парів кислот, основ, фенолів, смол і інших речовин, а також під час хімічного реагування забруднювачів з водяною парою або крапельками води, що містяться в атмосфері при тумані чи дощі. Так, у насиченому вологою повітрі утворюються сірчиста, сірчана, соляна, фторидна та інші кислоти з відповідних ангідридів, що надійшли в атмосферу у вигляді газу.

Аерозолі, які викидаються промисловими підприємствами та автотранспортом поступово осідають на земну поверхню і забруднюють ґрунт. За цих умов у ґрунті створюються підвищені концентрації сірки, хлору, фторидів, важких металів (залізо, цинк, мідь та ін.). Це призводить до значного погіршення стану ґрунту, його засолення (сульфатного, хлоридного). За цих умов пригнічується діяльність ґрунтової мікрофлори, зменшується родючість ґрунту.

Іншими джерелами забруднення ґрунту є підприємства агропромислового комплексу. Так, необґрунтоване застосування мінеральних добрив, пестицидів, інсектицидів, гербіцидів та ін. отрутохімікатів веде до накопичення їх у ґрунті, що створює несприятливі умови для росту рослин, до накопичення в рослинах отруйних речовин.

Промисловість та сільське господарство є також джерелами масового забруднення водойм шкідливими речовинами. Стічні промислові води містять значну кількість токсичних речовин. Всі речовини, які вносяться людиною або потрапляють у ґрунт с повітря можуть вимиватися опадами у ґрунтові води, а далі потрапляти у водойми.