13.3: Забруднення зовнішнього повітря

Цілі навчання

• Визначте забруднення повітря.
• Знайте джерела та наслідки основних забруднюючих речовин на відкритому повітрі

Забруднення повітря означає введення в атмосферу речовин, які мають шкідливий вплив на людину, інші живі організми та навколишнє середовище або у вигляді твердих частинок, крапель рідини або газів. Забруднення повітря може бути наслідком природних процесів, таких як пилові бурі, лісові пожежі та виверження вулканів, або внаслідок людської діяльності, такої як спалювання біомаси, викиди транспортних засобів, видобуток корисних копалин, сільське господарство та промислові процеси. Удосконалені технології та державна політика допомогли зменшити більшість видів забруднення зовнішнього повітря в багатьох промислово розвинених країнах, включаючи США, в останні десятиліття. Однак якість зовнішнього повітря все ще залишається проблемою в менш промислово розвинених країнах, особливо в мегаполісах швидко індустріалізованих країн, таких як Китай та Індія.

Зовнішні забруднюючі речовини можуть надходити зі стаціонарних (точкових) джерел або мобільних (неточкових) джерел (рис.\(\PageIndex{1}\)). Стаціонарні джерела мають фіксоване розташування, наприклад, димові труби електростанції, спалювання, будівельні майданчики, сільськогосподарські угіддя та поверхневі шахти серед інших. Мобільні джерела забруднювачів повітря переміщуються з місця на місце, виділяючи забруднюючі речовини. Приклади мобільних джерел включають транспортні засоби, літаки, кораблі та поїзди.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення, що показують різні джерела забруднення повітря, включаючи природні та антропогенні, стаціонарні та мобільні. Джерело: Усі зображення, отримані з Вікісховища Commons.wikimedia.org/wiki/air_plutronment

Забруднюючі речовини поділяються на два основних типи залежно від того, як вони виникли, а саме первинні та вторинні забруднювачі. Первинними забруднювачами є ті, що виділяються безпосередньо з джерела в повітря у шкідливій формі. Первинними забруднювачами, які становлять майже всі проблеми забруднення повітря, є окис вуглецю (58%), летючі органічні сполуки (ЛОС, 11%), оксиди азоту (15%), діоксиди сірки (13%) та тверді частинки (3%). Вторинні забруднювачі утворюються через реакції між первинними забруднювачами та нормальними атмосферними сполуками Наприклад, приземний озон утворюється над міськими районами через реакції, що живиться від сонячного світла, між первинними забруднювачами (оксидами азоту) та іншими атмосферними газами, такими як ЛОС.

Критерії забруднюючих речовин

Відповідно до Закону про чисте повітря Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) встановлює стандарти якості повітря для захисту здоров'я населення та навколишнього середовища. EPA встановило національні стандарти якості повітря для шести поширених забруднювачів повітря, а саме: 1) окис вуглецю; 2) наземний озон; 3) діоксид азоту; 4) діоксид сірки; 5) свинець; і 6) тверді частинки (також відомі як забруднення частинок). З шести забруднювачів забруднення частинками та приземний озон є найбільш поширеними загрозами здоров'ю. EPA називає ці забруднювачі «критеріями» забруднювачів повітря, оскільки воно регулює їх шляхом розробки критеріїв на основі здоров'я людини та/або екологічно обґрунтованих критеріїв (науково обґрунтованих керівних принципів) для встановлення допустимих рівнів. Набір лімітів, заснованих на здоров'ї людини, називається первинними стандартами. Ще один набір лімітів, призначених для запобігання екологічної та майнової шкоди, називається вторинними стандартами.

1. Оксид вуглецю (СО): це безбарвний газ без запаху, що виділяється в процесі згоряння, зокрема, неповного згоряння палива. На національному рівні та, особливо в міських районах, більшість викидів CO в навколишнє повітря надходять з мобільних джерел. СО може спричинити шкідливі наслідки для здоров'я, зменшуючи доставку кисню до органів організму (наприклад, серця та мозку) та тканин. При надзвичайно високих рівнях СО може стати причиною смерті.
2. Приземний озон (O ₃): являє собою безбарвний газ зі злегка солодкуватим запахом, який не виділяється безпосередньо в повітря, а створюється при взаємодії сонячного світла, тепла, оксидів азоту (NO _x) і летких органічних сполук (ЛОС). Озон, ймовірно, досягне нездорового рівня в спекотні сонячні дні в міських умовах. Викиди від промислових об'єктів та електромереж, вихлопних газів автомобілів, парів бензину та хімічних розчинників є одними з основних джерел NO _x та ЛОС.
3. Діоксид азоту (NO ₂): є однією з групи високоактивних газів, відомих як «оксиди азоту» або «оксиди азоту (NO _x)». Інші оксиди азоту включають азотну кислоту та азотну кислоту. NO ₂ - це газ від жовтувато-коричневого до червонувато-коричневого, що погано пахне, який є основним фактором смогу та кислотних дощів. Оксиди азоту виникають, коли атмосферний азот і кисень реагують при високих температурах, створених двигунами внутрішнього згоряння Більшість викидів у США є наслідком згоряння двигунів транспортних засобів, електромереж та промислового згоряння.
4. Діоксид сірки (SO ₂): Діоксид сірки є однією з групи високоактивних газів, відомих як «оксиди сірки». Найбільшими джерелами викидів _{SO 2} є спалювання викопного палива на електростанціях (73%) та інших промислових об'єктах (20%). Менші джерела викидів _{SO 2} включають промислові процеси, такі як видобуток металів з їх руд та спалювання палива з високим вмістом сірки локомотивами, великими судами та позашляховою технікою.
5. Свинець (Pb): це метал, який природним чином міститься в навколишньому середовищі, а також у виготовлених продуктах. Основні джерела викидів свинцю історично були з палива в автомобільних транспортних засобах (таких як легкові та вантажні автомобілі) та промислових джерел. В результаті регуляторних зусиль EPA щодо видалення свинцю з бензину викиди свинцю з транспортного сектора різко скоротилися на 95 відсотків між 1980 і 1999 роками, а рівень свинцю в повітрі знизився на 94 відсотки за цей період часу. Основними джерелами викидів свинцю сьогодні є рудно-металургійна обробка і поршнево-моторні літаки, що працюють на етилованому авіаційному бензині. Сьогодні найвищі рівні свинцю в повітрі зазвичай виявляються поблизу свинцевих плавильних заводів.
6. Твердий матеріал (PM), іноді відомий просто як «частинки», відноситься до твердих частинок і крапель рідини, підвішених у повітрі, яким ми дихаємо. Забруднення твердими частинами складається з різних компонентів, включаючи кислоти (нітрати та сульфати), органічні хімічні речовини, метали, частинки ґрунту або пилу та алергени (спори пилку та цвілі). Розмір частинок безпосередньо пов'язаний з їх потенціалом спричинення проблем зі здоров'ям. Частинки діаметром 10 мікрометрів або менше зазвичай проходять через горло і ніс і потрапляють в легені. EPA групує їх на два типи: "вдихаються грубі частинки» діаметром більше 2,5 мікрометрів і меншими за 10 мікрометрів і "дрібними частинками» діаметром 2,5 мікрометра і меншими. Наскільки мало 2,5 мікрометра? Подумайте про єдиному волоссі з голови. Середній людський волосся становить близько 70 мікрометрів в діаметрі, що робить його в 30 разів більше, ніж найбільша дрібна частка (рис.\(\PageIndex{2}\)). Наші дихальні системи обладнані для фільтрації більших частинок з повітря після його вдихання. Однак легкі вразливі як для грубих частинок (ПМ ₁₀), так і дрібних частинок (ПМ _2,5). Вони можуть прослизнути повз природних захисних сил дихальної системи і проникнути глибоко в легені, а деякі можуть навіть потрапити в кров. Грубі частинки надходять із дорожнього пилу, тоді як дрібні частинки надходять із процесів горіння.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Графіка, що показує порівняння розмірів твердих частинок матеріалу (PM ₁₀ і PM _2.5) порівняно з дрібним пляжним піском та людським волоссям. Джерело: АПК США http://www.epa.gov/air/particlepollution/basic.html

Летючі органічні сполуки

Летючі органічні сполуки (ЛОС) - це вуглецевмісні хімічні речовини, що виділяються у вигляді газів з природних і людських джерел. Природні джерела ЛОС включають рослини, найбільше джерело, і бактерії в кишках термітів і жуйних тварин. Ці сполуки, як правило, окислюються до чадного газу та вуглекислого газу в атмосфері. ЛОС викликають велике занепокоєння, оскільки вони є попередниками для утворення озону, вторинного забруднювача повітря.

Велика кількість синтетичних органічних хімічних речовин, таких як бензол, толуол, формальдегід, вінілхлорид, хлороформ та феноли широко використовуються як інгредієнти в незліченних побутових продуктах. Фарби, знімачі фарби, лаки, багато очищення, дезінфікування, косметичні, знежирення та хобі продукти містять ЛОС. Паливо також складається з органічних хімічних речовин. Всі ці продукти можуть виділяти органічні сполуки під час їх використання, і, певною мірою, при їх зберіганні. «Новий автомобільний запах», характерний для нових автомобілів, - це складна суміш десятків ЛОС. Крім того, концентрації багатьох ЛОС стабільно вищі в приміщенні (до десяти разів вище), ніж на відкритому повітрі. Вони часто несуть відповідальність за синдром хворого будівлі, захворювання, що виникає внаслідок забруднення приміщень, в якому конкретна причина не виявлена.

Смог

Смог - це суміш забруднювачів повітря (діоксид сірки, оксиди азоту, озон та тверді частинки), які часто утворюються над міськими районами внаслідок спалювання викопного палива. Термін був придуманий з термінів «дим» і «туман», що стосуються коричневого серпанок, який забруднює повітря, значно зменшуючи видимість і ускладнюючи деяким людям дихання (Малюнок\(\PageIndex{3}\) і\(\PageIndex{4}\)). Існує два основних види смогу: промисловий і фотохімічний смог. Промисловий смог виробляється переважно шляхом спалювання викопного палива, яке виробляє вуглекислий газ (від повного згоряння), монооксиди вуглецю (від часткового згоряння), сірку та ртуть. Сірка реагує з іншими хімічними речовинами в атмосфері, утворюючи кілька сполук сірки, включаючи діоксид сірки. Ці сполуки поряд з твердими частинами складають промисловий смог. Фотохімічний смог утворюється, коли сонячне світло керує хімічними реакціями між первинними забруднювачами автомобілів та нормальними атмосферними сполуками. Продукт являє собою суміш з більш ніж 100 різних хімічних речовин з найбільш поширеним є приземного рівня озону. Про цей вид смогу буде більш детально розказано в розділі 13.5.

Ілюстрація\(\PageIndex{3}\): Смог над містом Алмати, Казахстан. Фото Ігоря Єфімова. Джерело: ВікіВікісховище Вікісховище.wikimedia.org/wiki/c... діа/файл: smog_ over_Almaty.jpg

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Смог над Сантьяго в Чилі. Джерело: Німецька Вікіпедія Commons.wikimedia.org/wiki/c... #/Медіа/Файли: antiago30std.jpg

Промисловий смог

Промисловий смог або смог лондонського типу в основному є продуктом спалювання великої кількості вугілля з високим вмістом сірки. Закони про чисте повітря, прийняті в 1956 році, значно зменшили утворення смогу в Сполученому Королівстві; однак, в інших куточках світу лондонський тип смог все ще дуже поширений. Основною складовою смогу лондонського типу є сажа; однак ці смоги також містять велику кількість летучої золи, діоксиду сірки, хлориду натрію і частинок сульфату кальцію. Якщо концентрації досить високі, діоксид сірки може реагувати з гідроксидом атмосфери з утворенням сірчаної кислоти, яка випаде в осад у вигляді кислотних дощів.

\[SO_2 + OH \rightarrow HOSO_2 \label{1} \]

\[HOSO_2 + O_2 \rightarrow HO_2 + SO_3 \label{2} \]

\[SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 \label{3} \]

Занепокоєння щодо шкідливого впливу кислотних дощів призвели до сильного тиску на промисловість, щоб мінімізувати викид SO ₂ та NO. Наприклад, на вугільних електростанціях зараз використовуються «скрубери» SO ₂, які уловлюють SO ₂ своєю реакцією з вапном (СаО) для отримання дигідрату сульфіту кальцію (CaSO ₃ ·2H ₂ O; рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Принципова схема системи мокрого скруббера. У вугільних електростанціях SO ₂ може бути видалений («очищений») з відпрацьованих газів шляхом його реакції з вапном (СаО) і розпиленням води з отриманням дигідрату сульфіту кальцію (CaSO ₃ · 2H ₂ O). Видалення SO ₂ з газів перешкоджає його перетворенню в SO ₃ і подальшу реакцію з дощовою водою (кислотними дощами). Системи очищення зараз зазвичай використовуються для мінімізації впливу на навколишнє середовище великомасштабного спалювання викопного палива.

токсичні забруднювачі

Токсичні забруднювачі повітря, також відомі як небезпечні забруднювачі повітря, - це ті забруднювачі, які, як відомо або підозрюються, спричиняють рак або інші серйозні наслідки для здоров'я, такі як репродуктивні ефекти або вроджені дефекти, або несприятливий вплив на навколишнє середовище. Приклади токсичних забруднювачів повітря включають бензол, який міститься в бензині; перхлоретилен, який виділяється з деяких об'єктів хімчистки; метиленхлорид, який використовується як розчинник та знімач фарби в ряді галузей промисловості; та інші, такі як діоксин, азбест, толуол та метали, такі як кадмій, ртуть, хром та сполуки свинцю.

Більшість токсичних речовин повітря походять з людських джерел, включаючи мобільні джерела (наприклад, автомобілі, вантажівки, автобуси) та стаціонарні джерела (наприклад, заводи, нафтопереробні заводи, електростанції), а також внутрішні джерела (наприклад, деякі будівельні матеріали та миючі розчинники). Деякі токсичні речовини повітря також виділяються з природних джерел, таких як виверження вулканів та лісові пожежі. Вплив токсичних речовин повітря відбувається головним чином через дихання, але деякі токсичні забруднювачі повітря, такі як ртуть, можуть осаджуватися на ґрунтах або поверхневих водах, де вони засвоюються рослинами і потрапляють всередину тварин і в кінцевому підсумку збільшуються через харчовий ланцюг. Як і люди, тварини можуть відчувати проблеми зі здоров'ям, якщо з часом піддаються впливу досить високих кількостей токсичних речовин повітря.

Вплив забруднення повітря на здоров'я людини

Всесвітня організація охорони здоров'я (ВООЗ) та інші міжнародні агентства визнають забруднення повітря основною загрозою здоров'ю людини. Численні наукові дослідження пов'язували забруднення повітря з різними проблемами зі здоров'ям (Таблиця\(\PageIndex{1}\)), включаючи: загострення респіраторних та серцево-судинних захворювань; зниження функції легенів; збільшення частоти та вираженості дихальних симптомів, таких як утруднене дихання та кашель; збільшення сприйнятливість до респіраторних інфекцій; вплив на нервову систему, включаючи мозок, такі як втрата IQ та вплив на навчання, пам'ять та поведінку; рак; і передчасна смерть. Безпосередні наслідки забруднення повітря можуть проявитися після одноразового впливу або багаторазового впливу. Інші наслідки для здоров'я можуть проявлятися або через роки після того, як сталося вплив, або лише після тривалих або повторних періодів впливу.

Безпосередні наслідки забруднення повітря включають подразнення очей, носа та горла, головні болі, запаморочення та втома. Такі негайні наслідки, як правило, короткочасні і піддаються лікуванню. Іноді лікування полягає в простому усуненні впливу людини на джерело забруднення, якщо його можна виявити. Симптоми деяких захворювань, включаючи астму, пневмоніт гіперчутливості та лихоманку зволожувача повітря, також можуть проявитися незабаром після впливу деяких забруднювачів повітря в приміщенні.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Джерела і вплив на здоров'я критеріїв забруднюючих речовин

Забруднювач	Джерела	Вплив на здоров'я
Приземний озон (O 3)	Вторинний забруднювач зазвичай утворюється в результаті хімічної реакції летючих органічних сполук (ЛОС) і NO x в присутності сонячного світла.	Знижує функцію легенів і викликає респіраторні симптоми, такі як кашель і задишка; посилює астму та інші захворювання легенів, що призводять до збільшення вживання ліків, госпіталізації, відвідування відділення невідкладної допомоги (ЕД) та передчасної смертності.
Тверді частинки (PM)	Викидаються або утворюються в результаті хімічних реакцій; спалювання палива (наприклад, спалювання вугілля, дров, дизеля); промислові процеси; сільське господарство (оранка, спалювання полів); і грунтові дороги.	Короткочасне опромінення може посилити захворювання серця або легенів, що призводять до респіраторних симптомів, збільшення вживання ліків, госпіталізації, відвідування ЕД та передчасної смертності; тривале опромінення може призвести до розвитку захворювань серця або легенів та передчасної смертності.
Свинець	Металургійні заводи (металургійні заводи) та інші металургійні галузі; спалювання етилованого бензину в літаках з поршневими двигунами; сміттєспалювальні заводи; виробництво акумуляторів.	Пошкоджує нервову систему, що розвивається, що призводить до втрати IQ та впливає на навчання, пам'ять та поведінку у дітей. Серцево-судинні та ниркові ефекти у дорослих та ранні наслідки, пов'язані з анемією.
Оксиди азоту (NO x)	Спалювання палива (наприклад, електромережі, промислові котли та транспортні засоби) та спалювання дров.	Посилити захворювання легенів, що призводять до респіраторних симптомів, госпіталізації та відвідування ЕД; підвищена сприйнятливість до респіраторної інфекції.
Окис вуглецю (СО)	Спалювання палива (особливо транспортних засобів), промислові процеси, пожежі, спалювання відходів та спалювання деревини в житлових приміщеннях.	Зменшує кількість кисню, що надходить до органів і тканин організму; посилює серцеві захворювання, що призводить до болю в грудях та інших симптомів, що призводять до госпіталізації та відвідувань ЕД.
Діоксид сірки (SO 2)	Спалювання палива (особливо вугілля з високим вмістом сірки); електромережі та промислові процеси; і природні джерела, такі як вулкани.	Посилює астму і посилення респіраторних симптомів. Сприяє утворенню частинок з супутніми наслідками для здоров'я.

Джерело: www.epa.gov

Імовірність негайних реакцій на забруднювачі повітря залежить від декількох факторів. Вік і раніше існуючі медичні умови є двома важливими впливами. Деякі чутливі особи, здається, мають більший ризик впливу на здоров'я, пов'язаних із забрудненням повітря, наприклад, ті, хто має раніше існуючі захворювання серця та легенів (наприклад, серцева недостатність/ішемічна хвороба серця, астма, емфізема та хронічний бронхіт), діабетики, дорослі люди похилого віку та діти. В інших випадках, чи реагує людина на забруднювач, залежить від індивідуальної чутливості, яка надзвичайно варіюється від людини до людини. Деякі люди можуть стати сенсибілізованими до біологічних забруднювачів після багаторазового впливу, і, схоже, деякі люди також можуть бути сенсибілізовані до хімічних забруднювачів.

Резюме

• Забруднення повітря означає введення в атмосферу речовин, які мають шкідливий вплив на людину, інші живі організми та навколишнє середовище або у вигляді твердих частинок, крапель рідини або газів.
• Основними джерелами забруднення повітря є викиди газів від автомобілів, що працюють на викопному паливі, та продукти їх реакції (CO, NO _x, озон), а також тверді частинки, SO ₂ та ЛОС.
• Приклади токсичних забруднювачів повітря включають бензол, який міститься в бензині; перхлоретилен, який виділяється з деяких об'єктів хімчистки; метиленхлорид, який використовується як розчинник та знімач фарби в ряді галузей промисловості; та інші, такі як діоксин, азбест, толуол та метали такі як кадмій, ртуть, хром та сполуки свинцю.
• Смог - це суміш забруднювачів повітря (діоксид сірки, оксиди азоту, озон та тверді частинки), які часто утворюються над міськими районами внаслідок спалювання викопного палива. Термін був придуманий з термінів «дим» і «туман», що стосуються коричневого серпанок, який забруднює повітря, значно зменшуючи видимість і ускладнюючи деяким людям дихання.
• Численні наукові дослідження пов'язували забруднення повітря з різними проблемами зі здоров'ям.

Автори та атрибуція

• Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.)
• TextMap: General CHemistry (Averill and Eldredge)
• Template:ContribAgnewM
• Wikipedia