Соединения углерода

Углерод образует с кислородом два оксида — оксид углерода(П) СО и оксид углерода(1У) С02.

Оксидуглерода(П) (угарный газ) — газ без цвета и запаха. ПДК|У, в воздухе рабочей зоны — 20 мг/м3.

Представляют опасность локальные повышения концентрации СО в атмосфере многих крупных городов, особенно в жаркие и безветренные дни. В 60-е годы XX в. к таким городам относились Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Токио и др. В настоящее время многие крупные промышленные центры России (Магнитогорск, Калининград и др.) характеризуются неблагоприятным состоянием атмосферы, связанным с избыточной концентрацией СО.

Основная масса глобальных выбросов СО приходится на двигатели внутреннего сгорания — 89 % от этого количества поставляют страны Северной Америки и Западной Европы, в том числе около 50 % мирового выброса СО приходится на долю США. В Северном полушарии в атмосферу поступает 94,5 % техногенного СО. Автомобильный транспорт загрязняет окружающую среду выхлопными газами, содержащими оксид углерода. Количество выбросов СО с 1 км основных автомагистралей Московской области составляет в год 4 500 т.

Крупными поставщиками оксида углерода являются многие отрасли промышленности. Так, в черной металлургии при коксовании угля из 1 т образуется 300 — 320 м3 газа, содержащего 4,5 — 5,0 % СО. При мартеновской плавке при получении 1 т стали выделяется до 60 кг СО. В процессе конвертирования угля дымовые выбросы содержат 10—12 г/м3 СО.

По расчетам специалистов выделение СО из антропогенных источников распределяется следующим образом, %: транспорт — 71, сжигание топлива — 1,9, промышленные производства — 7,8, складирование и переработка отходов — 4,5.

Наиболее распространенными методами очистки от СО является абсорбция органическими поглотителями, адсорбция на твердых сорбентах и каталитическое окисление.

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — бесцветный, тяжелый и малореакционный газ. При содержании С02 в воздухе до 1 % он не оказывает токсического воздействия; 4 —5%— разрушающе действует на органы дыхания; 10 % — вызывает сильное отравление. Углекислый газ оказывает наркотическое действие на человека. В воздухе содержится примерно 0,04 % С02.

Надо отметить глобальное техногенное значение кислородных соединений углерода, являющихся «парниковыми газами». Основным источником поступления С02 в атмосферу являются процессы горения. Существенный вклад в этот вид деятельности вносит энергетическая промышленность.

Математическое моделирование баланса поглощения С02 учитывает его поступление в атмосферу от антропогенных источников и природное использование углекислого газа.

В естественных условиях С02 продуцируется в огромных количествах и его круговорот в биосфере является одним из основополагающих процессов массо- и энергообмена в природе, он необходим для поддержания жизни на Земле.

Углекислый газ поглощается растительностью и участвует в выработке хлорофилла. Установлено, что страны Евразии и Америки пока еще являются поглотителями С02 благодаря лесным экосистемам умеренной зоны Северного полушария. Уменьшение содержания диоксида углерода происходит также в широтах, расположенных ближе к экватору, за счет обширной зоны тропических лесов. В результате в атмосфере остается только =53 % от промышленных выбросов углекислого газа. В умеренных и высоких широтах его концентрация увеличивается.

Основная масса техногенных выбросов С02 приходится на долю США и России — 21 и 18 % соответственно от его мирового поступления в атмосферу.

При изучении состава воздуха в жилых и общественных помещениях выявлено повышенное содержание в них СО и С02 при длительном присутствии людей.

Предельные углеводороды имеют общую формулу С„Н2л + 2. Они считаются наиболее инертными среди органических соединений углерода, но в то же время обладают сильными наркотическими свойствами. ПДКр1 в пересчете на углерод составляет 300 мг/м3 (некоторые ученые считают, что в замкнутых пространствах эта цифра должна быть уменьшена в четыре раза).

Предельные углеводороды, присутствующие в атмосфере, участвуют в фотохимических реакциях, образуя токсичные продукты (альдегиды, кетоны, органические пероксиды).

Важнейшим их представителем является метан СН4. Источники поступления метана в окружающую среду имеют природное и антропогенное происхождение.

В связи со сложностью и многообразием природных процессов данные по образованию и распаду метана в природе носят ориентировочный характер и отличаются у разных авторов. Согласно одной из оценок (С.А. Патин, 2001) наибольший вклад в глобальные источники поступления метана в атмосферу дают болота (21,3 %), рисовые поля (20,4 %), жвачные животные (14,8 %), продукты сжигания биомассы (10,2%), природный газ (8,3%), свалки (7,4 %) и добыча угля (6,5 %). Общее количество поступающего в атмосферу метана составляет около 500— 1 000 млн т/год.

Среди природных источников поступления метана в биосферу — разложение органических веществ под действием метанообразующих бактерий, способных получать энергию за счет восстановления углекислого газа по реакции

С02 + 4Н2 = СН4 + 2Н20              (4.20)

Эти процессы непрерывно происходят в анаэробных условиях, как в почвах, так и в илистых отложениях озер и болот, а также в морских осадках, обогащенных органикой и лишенных кислорода.

Микробиологическое образование метана в океанах обычно сопровождается процессами выделения сероводорода.

Сероводородная зона формируется в некоторых морях на глубине 100— 150 м. Ежегодно в поверхностном слое донных отложений толщиной 2 м образуется около 325 млн т метана.

При балансе потребления и расхода воды зона находится на глубине в стабильном состоянии. Если этот баланс нарушается в результате природных условий или антропогенной деятельности, то возможно наступление глубокой конвекции и выход сероводородных вод на поверхность. Примером такого явления служит Мертвое море, в котором в 80-е годы XX в. отравленные сероводородом воды вышли на поверхность и погиб весь животный и растительный мир. Катастрофа произошла очень быстро, всего за 80 — 90 мин.

Другими источниками природного образования метана являются процессы разложения органических веществ в тундровых, лесных и заболоченных зонах.

Метан является основной составной частью природного газа, который широко используется в быту и хозяйственной деятельности. Он применяется для осуществления процессов горения, при выплавке металлов и выработке электроэнергии на тепловых электростанциях, является сырьем для получения водорода.

Другими источниками поступления в атмосферу широкого спектра органических веществ являются полигоны захоронения твердых бытовых отходов. На поверхность через трещины поступает около 150 разнообразных органических веществ. При этом концентрация многих из них превышает ПДК в 10 — 40 раз. Среди этих выбросов одно из первых мест принадлежит метану.

Среднее время жизни метана в атмосфере оценивается в 10 лет. Оттуда он выводится главным образом за счет взаимодействия с радикалами ОН* (гидроксил-радикал).

Помимо метана природный газ имеет в своем составе другие примеси. Природные газы, содержащие сероводород H2S, очень токсичны. Освобожденный от H2S природный газ при содержании в воздухе до 2 % не токсичен.

Бенз(а)пирен является одним из наиболее токсичных соединений углерода. Под этим названием фигурирует сильно канцерогенный 3,4-бенз(а)пирен. Кроме него известны другие неканцерогенные изомеры, например 1,2-бензпирен.

Бенз(а)пирен относится к супертоксичным нормируемым соединениям: ПДКСС (санитарно-токсикологический) — 0,005 мкг/л (1-й класс опасности).

В 1988 г. впервые были опубликованы данные о том, что средняя концентрация бенз(а)пирена в 267 городах бывшего СССР составила 0,0036 мкг/л. Для стран ЕС этот показатель равен 0,0008 мкг/л, для США — 0,0005 мкг/л. В настоящее время в городах России по статистике фиксируется содержание бенз(а)пирена и концентрациях 0,0002—0,002 мкг/л. Показатели выше 0,002 мкг/л были отмечены только в зимний период для отдельных городов европейской части страны.

Необходимо учитывать, что кроме бенз(а)пирена опасность представляют многие другие полициклические органические ароматические соединения углерода (ПАУ) (например, нафталин, антрацен, пирен). Фенольные соединения представлены большой группой ксенобиотиков антропогенного происхождения.

Очистка от ПАУ основана на деструкции (разрушении) облучением ультрафиолетовым светом с длиной волны около 300 нм или солнечным природным светом. Например, при облучении бенз(а)пирена его количество снижается на 50 —60 % через 1,5 ч. Разложение ускоряется в несколько раз в присутствии окислителей.