Химия и экология
В наши дни проблема охраны окружающей среды чрезвычайно возросла в связи со значительным, а очень часто и катастрофическим воздействием хозяйственной деятельности человека на природу.
Производственная деятельность человека нанесла биосфере – живой оболочке Земли – серьезный урон, нарушив сложившееся за время существования планеты экологическое равновесие. Загрязнение окружающей среды в нашем сознании связывается в первую очередь с отравлением воды, воздуха, земли, которое может непосредственно влиять на здоровье и самочувствие человека. Однако химическое загрязнение чревато и косвенными эффектами. Например, большие выбросы углекислого газа сказываются на климате, что, в свою очередь, отражается на производстве продуктов питания; изменение концентраций биогенных элементов (азота, серы, фосфора, калия и др.) приводит к гибели одних популяций и бурному размножению других. Основные типы загрязнения и их важнейшие источники иллюстрирует рисунок .1.
Рисунок 1.
Загрязнение воды и воздуха
Химическое загрязнение окружающей среды обусловлено следующими факторами:
- повышением концентрации биогенных элементов из-за канализационных сбросов и стока с полей удобрений, вызывающих бурное развитие водорослей и нарушение баланса в существующих экосистемах;
- отравлением воды, почвы и воздуха отходами промышленных производств;
- воздействием на воду и почву продуктов сжигания топлива, снижающих качество воздуха и вызывающих кислотные дожди;
- потенциальным заражением воздуха, воды и почвы радиоактивными отходами, образующимися при производстве ядерного оружия и атомной энергии;
Охрана атмосферы от химического загрязнения
Как вы уже знаете, атмосферный воздух представляет собой смесь газов, содержащую (по объему) 78,09 % азота N2, 20,95 % кислорода О2, 0,93 % аргона Аr, 0,03 % углекислого газа СО2.
В процессе развития жизни на Земле все живые организмы, в том числе и человек, приспособились именно к такому составу атмосферы и очень чутко реагируют на его изменения.
Особое значение имеет кислород как главный компонент биологического окисления. Для поддержания обмена веществ требуется непрерывная доставка кислорода в ткани и клетки. Атмосферный азот служит источником веществ, необходимых для питания растений, а углекислый газ – для осуществления процесса фотосинтеза.
Атмосфера оказывает не только прямое влияние на живые организмы, но и косвенное, поскольку от нее зависит характер солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, климат и другие факторы, регулирующие существование биосферы.
Атмосфера – регуляторный механизм биосферы
Атмосфера является одной из главных частей механизма, регулирующего круговорот воды, кислорода, азота, углерода. Значение атмосферы состоит в том, что она служит экраном, защищающим жизнь на Земле от губительных воздействий из космоса. Через атмосферу проникают солнечные лучи – источник жизни. Атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 0,52 нм, в которых заключено 82 % всей энергии солнечных лучей, а также для радиоволн с длиной от 1 мм до 30 м. Жесткое коротковолновое излучение – рентгеновские и γ-лучи – поглощается всей толщей атмосферы и не доходит до поверхности Земли.
Естественное загрязнение атмосферы можно рассматривать как фактор, способствующий ее регуляторной функции. Поэтому сам термин «загрязнение» здесь является в какой-то мере условным. В атмосферу попадают газы, выделяющиеся в результате горения лесов, извержения вулканов, биохимических реакций. Особое значение имеет естественная атмосферная пыль. Она образуется при выветривании горных пород, эрозии почв, лесных и торфяных пожарах. В атмосфере она создает ядра конденсации, без которых было бы невозможно образование осадков: снега, дождя.
Искусственное (антропогенное) загрязнение может быть связано с попаданием в атмосферу:
- твердых частиц (цементная и резиновая автомобильная пыль, пыль
горнометаллургических предприятий и т. д.);газообразных веществ (углекислый и угарный газы, оксиды азота и серы, метан и аммиак, углеводороды и другие летучие соединения – бензин, растворители и т. д.);
- радиоактивных веществ, поступающих в воздух в результате взрывов атомных и ядерных бомб, аварий на атомных электростанциях, добычи урана и использования радиоактивных веществ в различных технологических процессах;
- свинца и других тяжелых металлов.
Чтобы минимизировать загрязнения атмосферы, необходимо:
- производить очистку выбросов в атмосферу от твердых и газообразных загрязняющих веществ с помощью электрофильтров, жидких и твердых поглотителей, циклонов и др.;
- использовать экологически чистые виды энергии;
- применять малоотходные и безотходные технологии;
- добиваться уменьшения токсичности автомобильных выхлопных газов путем совершенствования конструкции двигателей и применения катализаторов, а также совершенствовать существующие и создавать новые электромобили и двигатели, работающие на водородном топливе.
Охрана водных ресурсов
Жизнь как физико-химический процесс протекает в водной среде. Животные, растения на 70–80 % состоят из воды. Потеряв 50 % своей массы в результате голодания, человек может остаться в живых, но потеря 15–20 % массы в результате обезвоживания – смертельна.
Но вода – не только условие жизни индивидуального организма. Без нее невозможно было бы существование биосферы, то есть жизни на Земле, поскольку круговорот веществ и энергии в биосфере возможен только с участием воды.
- вода, конденсируясь, образует облака и в виде осадков выпадает на землю. Они поглощаются почвой, и в результате подземного и поверхностного стока вода возвращается в моря и океаны. Круговорот воды – это хорошо отрегулированный механизм, который беспрерывно «качает» воду из океана на материк. При этом вода очищается. Водные ресурсы Земли составляет соленая и пресная вода. Причем 97,2 % от общего запаса в 1345 млн км3 приходится на воды Мирового океана. Теоретически можно считать водные ресурсы неисчерпаемыми, если принять, что при их рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе круговорота.
Вместе с тем потребление воды увеличивается, так как она служит одним из главных видов сырья для промышленности. Ее в огромных количествах используют в качестве теплоносителя и теряют в процессе охлаждения и подогрева.
В металлургии для выплавки 1 т чугуна и переплавки его в сталь требуется 300 м3 воды, для получения 1 т меди – 500 м3, 1 т никеля – 4000 м3. Одним из главных потребителей воды является производство синтетических материалов. Для получения 1 т синтетического каучука нужно 2100 м3 воды, лавсана – 4200 м3, капрона – 5600 м3. Для изготовления автомобиля нужно 246 м3 воды, а для запуска межконтинентальной баллистической ракеты – 189 000 м3.
В горнодобывающей промышленности воду широко используют для добычи полезных ископаемых: при использовании гидромониторов, транспортировке, отделении минералов от руды методом флотации.
С потреблением огромного количества воды связано целлюлозно-бумажное производство. На производство 1 т бумаги требуется 250 м3 воды.
Еще больше расходуют воды в сельском хозяйстве: животноводстве и растениеводстве.
При бережном отношении к воде можно уменьшить ее расход как в промышленном и сельскохозяйственном производстве, так и в коммунально-бытовом хозяйстве. Потребность в ней одного жителя крупного города составляет 35 л в сутки. Но за счет нерационального ее использования, потерь при транспортировке к потребителю, неисправности оборудования в квартирах (протекающие краны и сливные бачки) она увеличивается до 700 л. Запасы пресной воды в зонах интенсивной хозяйственной деятельности и проживания большинства людей становятся недостаточными, поэтому уже сейчас необходимо думать о ее сбережении.
Все химикаты, которые используют, хранят, проливают, закапывают в землю, могут попасть в грунтовые воды.
Загрязнение воды стало грозной опасностью для человечества. На рисунке 3 изображены важнейшие источники загрязнения грунтовых вод.
Загрязнение твердыми частицами происходит при попадании в водоемы песка, глины, шлаков, пустой породы и других твердых отходов добывающей, металлургической, химической и строительной промышленности.
Загрязнение минеральными веществами:
1.соединениями металлов (высокотоксичными – свинцом, ртутью, редкоземельными – кадмием, селеном, литием и др.),
2..минеральными удобрениями, в результате попадания которых в водоемы
наблюдается эвтрофикация, то есть неумеренное разрастание водной растительности (водоем со зловонной зеленой жижей вы, очевидно, видели не раз).
Загрязнение органическими веществами промышленного происхождения, входящими в состав стоков химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других видов промышленности. Среди таких веществ встречаются фенол, диоксин, синтетические моющие средства.
Загрязнение нефтью и ее производными. Одна тонна нефти, растекаясь по водной поверхности, способна занять площадь в 12 км2, а 1 л нефти может сделать непригодным к употреблению 1 млн л воды, то есть столько ее, сколько бы хватило для семьи из 4 человек в течение 20 лет. Нефтяная пленка представляет собой преграду для газообмена между водой и атмосферой. Она препятствует поглощению водой кислорода и углекислого газа, вызывая гибель планктона. Эта пленка представляет собой большую опасность для морских птиц и животных. Оперение птиц, вымазанное нефтью, теряет свои водонепроницаемые свойства, что приводит к их гибели.
Охрана земельных ресурсов
Эрозия (от лат. erodere – разъедание) понижает плодородие почвы. Это явление, которое принесло и приносит человечеству страшные беды.
На образование плодородного слоя почвы уходят тысячелетия, уничтожен он может быть за 15–20 лет, а при сильных ураганах и ливнях – за несколько дней или часов. Существуют два основных вида эрозии – водная и ветровая. Борьба с эрозией и загрязнением почв включает комплекс мероприятий:
лесонасаждение;
агротехнические приемы, например создание долголетних культурных пастбищ, снегозадержание, внесение органических (но не минеральных) удобрений;
почвозащитная система земледелия, заключающаяся в безотвальной вспашке и оставлении стерни на поверхности почвы;
создание и внедрение почвозащитного земледелия, препятствующего технической эрозии, которая возникает как результат непосредственного разрушения слоя почвы техническими средствами, в основном колесами и гусеницами машин;
недопущение загрязнения почвы остатками строительных деталей (панелей, блоков, кирпичей, золы, шлака), нефтью и нефтепродуктами, веществами, попадающими в почву из атмосферы (соединениями свинца, мышьяка, ртути, меди и т. д.);
правильное применение удобрений и пестицидов. Около 20 %, а иногда и все 50 % удобрений не усваиваются растениями и остаются в почве тяжелым грузом для ее биоценоза. Пестициды могут попасть в почву и нарушить сложившиеся в ней трофические связи.
