КИСЕЛИНЕН ДЪЖД: КАК СЕ ОБРАЗУВА, СЪСТАВ, РЕАКЦИИ И ЕФЕКТИ - ОКОЛЕН СВЯТ - 2024

На киселина дъжд е мокро или сухо утаяване на вещества, които генерират рН под 5.6. Тези валежи могат да бъдат мокри (разредени в дъждовна вода) или сухи (отлагания на частици или аерозол).

Терминът "киселинен дъжд" е предложен за първи път от английския изследовател Робърт Ангъс Смит през 1850 г., в средата на индустриалната революция. Най-изобилните киселини, които се образуват в атмосферата, са азотни и сярни чрез окисляване на естествени или изкуствени замърсители.

Карта на киселинния дъжд. Източник: Alfredsito94

Най-подходящите замърсители са оксидите: NO2, NO3, SO2, чиито природни източници са вулканични изригвания, горски пожари и разграждане на бактерии. Изкуствените източници са газовите емисии в резултат на изгарянето на изкопаеми горива (промишлена дейност и автомобилен трафик).

Киселинният дъжд причинява отрицателни въздействия върху околната среда, като подкиселяване на почвите и водите, засяга живите същества, включително хората. Също така почвите и водата са замърсени с тежки метали, а еутрофикацията се осъществява във водни обекти.

На равнището на растителност се нанася директно увреждане на листата и се засяга растежа на растенията. В допълнение, подкиселяването на почвата обездвижва хранителните вещества и засяга микоризите (почвените гъбички). По същия начин сградите, машините, паметниците и произведенията на изкуството, изложени на елементите, са силно ръждясали или ерозирали от ефекта на утаените киселини.

За да се отстрани ефекта от киселинен дъжд, могат да се предприемат някои основни мерки, като защита на паметниците и коригиране на подкисляване на почвите и водите. Основното решение при киселинен дъжд обаче е да се намали отделянето в атмосферата на химични съединения, които са предшественици на образуването на киселина.

Как се образува киселинен дъжд?

Кисела мъгла поради емисиите на SO2 от рафинерията на PDVSA в Курачао. Източник: HdeK

Химически прекурсори

Явлението киселинен дъжд започва с отделянето в атмосферата на химични съединения, които са предшественици на образуването на киселини. Тези съединения могат да се отделят от естествени или изкуствени източници.

Естествените източници включват изригвания на вулкани, растителни пожари и океански емисии. Тъй като изкуствените източници действат индустриални емисии, емисии от моторни превозни средства с изгаряне или изгаряне на отпадъци.

Тези източници отделят различни съединения, които могат да генерират киселини в атмосферата. Най-важни обаче са азотните окиси и серните окиси.

Азотните оксиди са известни като NOx и включват азотен диоксид (NO2) и азотен оксид (NO). От своя страна серен оксид е SO2 или серен диоксид.

Тропосферен процес и произведени киселини

Явлението киселинен дъжд се среща в тропосферата (атмосферна зона, която отива от земната повърхност на височина 16 км).

В тропосферата въздушните течения могат да пренасят тези съединения във всяка част на планетата, което го прави глобален проблем. При този процес азотните и серни оксиди взаимодействат с други съединения, като съответно образуват азотна киселина и сярна киселина.

Поддръжка за реакция

Химичните реакции могат да се провеждат или върху твърди частици в суспензия, или в капки вода в суспензия.

Азотната киселина се образува главно в газовата фаза, поради ниската си разтворимост във вода. От своя страна сярната киселина е по-разтворима във вода, като е основната съставка на киселинния дъжд.

Азотна киселина

За образуването на азотна киселина (HNO3) азотните окиси реагират с вода, с радикали като OH (в по-малка степен с HO2 и CH3O2) или с тропосферен озон (O3).

Сярна киселина

В производството на сярна киселина (H2SO4) участват и радикалите OH, HO2, CH3O2, вода и озон. Освен това, той може да се образува чрез взаимодействие с водороден пероксид (H2O2) и различни метални оксиди.

Карбонова киселина

H2CO3 се образува при фотохимичната реакция на въглероден диоксид с атмосферна вода.

Солна киселина

HCl представлява само 2% от киселинен дъжд, а негов предшественик е метил хлорид (ClCH3). Това съединение идва от океаните и се окислява от ОН радикалите, като образува солна киселина.

утаяване

След като се образуват киселинните съединения (азотна или сярна киселина и в по-малка степен солна киселина), те ще се утаяват.

Утаяването може да бъде чрез отлагане на суспендираните частици, в които е протекла реакцията на подкисляване в газовата фаза. Друг начин е кондензираната вода да се утаи при дъжд, където се образуват киселините.

композиция

Естествената киселинност на дъждовете е близо до pH от 5,6, въпреки че в някои незамърсени области стойности от 5. Тези ниски стойности на pH са свързани с наличието на киселини с естествен произход.

Счита се, че в зависимост от нивото на pH, дъждът може да бъде класифициран в:

а) Слабо кисела (pH между 4,7 и 5,6)

б) Средна киселина (pH между 4,3 и 4,7)

в) Силно кисела (pH по-малко или равно на 4,3).

Ако дъждът има концентрация> 1,3 mg / L за нитрати и> 3 mg / L за сулфати, замърсяването се счита за високо.

Киселият дъжд се състои в повече от две трети от случаите от наличието на сярна киселина, последвана в изобилие от азотна киселина. Други компоненти, които могат да допринесат за киселинността на дъжда, са солна и въглеродна киселина.

Химични реакции на киселинен дъжд

Образуване на сярна киселина (H2SO4)

Производството на сярна киселина може да се случи в газова фаза или в течна фаза.

Газова фаза

Само 3 до 4% SO2 се окислява в газовата фаза за получаване на сярна киселина. Има много пътища за образуване на сярна киселина от газообразни прекурсори, тук е показана реакцията на SO2 с тропосферен озон.

Реакцията протича на два етапа:

1.- Серен диоксид реагира с тропосферен озон, генерира серен триоксид и отделя кислород.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Тогава серен триоксид се окислява с водна пара и се получава сярна киселина.

SO3 + H2O = H2SO4

Течна фаза

В капките вода, които ще образуват дъжда, сярната киселина може да се произведе по няколко начина:

1.- SO2 се разтваря във вода, генерираща сярна киселина, която се окислява от водороден пероксид:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2. - Фотокаталитичен механизъм: В този случай частиците от метален оксид (желязо, цинк, титан) се активират благодарение на действието на слънчевата светлина (фотохимично активиране) и окисляват SO2, генерирайки сярна киселина.

Образуване на азотна киселина (HNO3)

Тропосферният озон O3 произвежда трансформацията на NO2 в HNO3 в триетапен процес:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2

2.- NO3 + NO2 = N2O5

3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Ефекти върху околната среда

Ефект от киселинен дъжд в гора в планината Джизера в Чешката република. Източник: Lovecz

Подкисляването на почвата и нейното въздействие върху растителността

Ефектът от киселинен дъжд върху почвата варира в зависимост от състава му. Например почвите с варовити, базалтов и магнитен произход имат по-голяма способност да неутрализират киселинността.

От своя страна почвите, богати на кварц като инертен материал, не са в състояние да регулират съдържанието на киселина. Така в почвите, където киселинният дъжд повишава киселинността, металните йони, които са токсични за растенията и животните, се отделят и пренасят.

Релевантен случай е разтварянето на алумосиликатите, които отделят алуминиеви йони, които са много вредни за растителността.

По принцип киселинността на почвата намалява наличието на хранителни вещества за растенията. В допълнение, той насърчава отделянето и измиването на калций, което причинява дефицит в растенията.

Ефект върху водоносните хоризонти и човешкото здраве

В повечето случаи киселият дъжд не изглежда или има вкус, различен от нормалния дъжд, нито създава усещания по кожата. Въздействието му върху човешкото здраве е косвено и рядко причинява увреждане на кожата поради изключителна киселинност.

Един от проблемите с киселинния дъжд е, че чрез понижаване на стойностите на pH под 5, тежките метали се освобождават и пренасят. Тези замърсители като алуминий и кадмий могат да влязат в подземни водоносни хоризонти.

Ако водата от тези замърсени водоносни хоризонти преминава в кладенци, използвани за консумация от човека, това може да причини сериозни щети на здравето.

Влошаване на сгради, паметници и материали

Гаргойл, повреден от киселинен дъжд. Източник: Нино Барбиери

Каменни камъни тип

Конструкции, паметници и скулптури, направени с варовик или мрамор, са силно засегнати от киселинен дъжд. Това е доста сериозно, тъй като много исторически сгради и произведения на изкуството са изградени с тези материали.

В случая с варовик киселият дъжд причинява разтваряне на варовика и причинява прекристализация на калцита. Тази прекристализация създава белезникави тонове на повърхността.

В специфичния случай на дъжд със сярна киселина възниква явлението сулфатиране. Чрез този процес скалната повърхност се трансформира в гипс и се отделя CO2.

Мраморът, макар и по-устойчив, също се влияе от киселинния дъжд. В този случай се случва ексфолирането на камъка, поради което повърхностните слоеве от него се отделят.

Други не корозивни материали

В някои сгради структурното влошаване е незначително, но също така и с отрицателни ефекти. Например, сухите киселинни отлагания правят стените замърсени, като по този начин увеличават разходите за поддръжка.

Метали

Киселият дъжд причинява корозия на металите поради феномена на окисляване. Това причинява огромни икономически загуби, тъй като структурите, оборудването, машините и превозните средства с метални части са сериозно засегнати.

флора и фауна

Риба, убита от киселинен дъжд. Източник: Служба за риба и дива природа в САЩ

Киселинният дъжд променя естествения баланс на водни и сухоземни екосистеми.

Растения и животни във водни тела

Лентичните водни тела са по-податливи на подкисляване, тъй като те са затворени екосистеми. Освен това, натрупването на киселини във водата има отрицателни последици за живота, в който се намира.

Друга последица от подкиселяването е утаяването на нитрати през дъжд, което причинява еутрофикация във водни тела. Излишните хранителни вещества намаляват наличния кислород и влияят неблагоприятно на оцеляването на водните животни.

Друг косвен отрицателен ефект е задържането на йони на тежки метали от земната среда във водни тела. Тези йони се отделят в почвата под действието на хидрониеви йони, когато се повиши киселинността.

Растителност и наличност на хранителни вещества

Най-сериозните проблеми, причинени от подкиселяването на почвата, са неподвижността на основните хранителни вещества и увеличаването на токсичните метали.

Например, алуминий и магнезий се освобождават от почвените частици, като се заместват с водород. Алуминият влияе върху структурата и функцията на корените и намалява усвояването на калция, необходим за растенията.

От друга страна, подкиселяването на почвата причинява увреждане на микоризите (кореноподобни гъбички), които са от съществено значение за динамиката на гората.

Директни щети върху растенията и животните

Сярна киселина причинява директно увреждане на листата, като разгражда хлорофила и произвежда хлороза (пожълтяване на листа). При някои видове растежът и производството на жизнеспособни семена намаляват.

Земноводните (жаби и жаби) са особено податливи на въздействието на киселинността във водата. Някои щети са директни наранявания и намалена защита срещу патогени (особено кожни гъбички).

Solutions

Намалете емисиите

Долната линия за киселинния дъжд е да се намалят емисиите на киселинни прекурсори в околната среда. Най-важните от тях са серните и азотните оксиди.

Това обаче има известни затруднения, тъй като предполага засягащи икономическите интереси и интересите за развитие на компании и държави. Например, един от основните източници на серен диоксид е изгарянето на въглища, които представляват повече от 70% от енергията в Китай.

Има някои технологични алтернативи, които могат да помогнат за намаляване на емисиите. Например в индустрията т. Нар. "Кипящи слоеве" включват абсорбенти (варовик или доломит), които задържат SO2. В случай на моторни превозни средства и двигатели с изгаряне като цяло каталитичните преобразуватели също отговарят за намаляване на емисиите на SO2.

От друга страна, някои държави прилагат специфични програми за намаляване на киселинните дъждове. Например Съединените щати разработиха Националната програма за оценка на валежите от киселини (NAPAP). Сред някои от мерките, обмисляни от NAPAP, е прилагането на горива с ниско съдържание на сяра.

Друга възможна мярка е замяната на автомобилния парк с електрически автомобили за намаляване на киселинния дъжд и глобалното затопляне. Въпреки че съществува технология за постигане на това, натискът от автомобилната и петролната промишленост забави решенията в това отношение. Други фактори, които влияят, са културни елементи, свързани със скоростта, която се очаква да достигне превозното средство.

Прилагайте мерки за корекция на киселинността

В някои случаи pH на почвите и водите може да се повиши чрез добавяне на основи, например чрез включване на големи количества вар. Тази практика обаче не е осъществима в много големи площи земя.

Повърхностна защита

камък

Има различни методи за защита или поне намаляване на влошаването на камъка под въздействието на киселинен дъжд. Един от тези методи е да го измиете с пара или гореща вода.

Могат да се използват и химични агенти като флуороводородна киселина или амониев бифлуорид. Веднъж измит, камъкът може да бъде запечатан чрез прилагане на специални продукти, които запушват порите, като бариев хидроксид.

метал

Металните повърхности, подлежащи на корозия, могат да бъдат защитени чрез покриване с не-корозивен метал, като цинк.

За това може да се приложи електроосаждане или металната конструкция, която се защитава, може да бъде потопена в защитния метал в течно състояние.

Препратки

1. Еспада Л и А. Санчес (1995). Влияние на киселинния дъжд върху корозията на металите. стр. 145-171. В: Sastre de Vicente M. (Coord.) Електрохимия и околната среда на прага на XXI век. Университет в Ла Коруня. Служба за публикации Ла Коруня, Испания.
2. García-Ruiz G (2018). Защита на строителните конструкции в корозивни атмосфери. Проект в края на специалността „Инженеринг в индустриални технологии“. Политехнически университет в Картахена. Висше техническо училище по индустриално инженерство. Картахена, Испания. 75 стр.
3. Granados-Sánchez D, GF López-Ríos и MA Hernández-García (2010). Киселинен дъжд и горски екосистеми.. Ревиста Чапинго Лесовъдски и екологични науки серия 16: 187-206.
4. Likens GE, CT Driscoll и DC Buso (1996). Дългосрочни ефекти от киселинния дъжд: реакция и възстановяване на горска екосистема. Наука, 272; 244-246.

   Ликенс GE и FH Bormann (1974). Киселинен дъжд: сериозен регионален екологичен проблем. Science, 184: 1176-1179.

5. Schindler DW (1988). Влияние на киселинния дъжд върху сладководни екосистеми. Science, 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ, MC Valencia-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). Замърсяване на въздуха и киселинен дъжд. Диагностика на явлението в град Манисалес. Факултет по инженерство и архитектура. Национален университет на Колумбия. Централата на Манизалес. Редакция Blanecolor Ltda. Първо издание. Манисалес, Колумбия. 150 стр.