Оксид углерода (СО, угарный газ) - продукт неполного сгорания топлива, попадающий в атмосферный воздух с выбросами про­мышленных предприятий и выхлопными газами автотранспор­та. В воздухе жилых помещений оксид углерода может появлять­ся при печном отоплении в случае преждевременного закрытия дымовой трубы,в газифицированных помещениях при неис­правных горелках и в результате утечки газа из сети. Около 0,5-1,0 % оксида углерода содержит табачный дым. В производственных условиях оксид углерода может образо­вываться и накапливаться в рабочих помещениях в результате технологических процессов. Принято считать, что 1/3 всего количества СО, загрязняющего атмосферу, связана с деятельностью человека.

Оксид углерода является токсичным веществом. Проникая через легкие в кровь, он образует прочное химическое соеди­нение с гемоглобином - карбоксигемоглобин , блокируя про­цессы транспорта кислорода к тканям, в результате чего в ор­ганизме наступает кислородное голодание - аноксемия острого или хронического характера в зависимости от концен­трации СО. Чаще встречаются хронические отравления, выражающиеся головной болью, снижением памяти, расстройством сна, повышенной утомля­емостью и др.

Метан (СН 4 ) - образуется как естественным путем в результате жизнедеятельности микроорганизмов в застой­ных и почвенных водах, так и в результате деятельности человека: при разработке и эксплуатации газовых и нефтяных месторожде­ний, использовании природного газа, сжигании угля. В последние коды количество метана в атмосфере увеличивается на 1 % в год.

Диоксид серы (SO 2, сернистый газ) – относится к приоритетным загрязняющим веществам. Поступает в атмосферу при сжигании топлива, богатого серой, например каменного угля и сернистых сортов нефти на тепловых электростанциях, нефтеперерабаты­вающих заводах, в котельных и других промышленных пред­приятиях.

Сернистый газ обладает резким запахом и оказывает раздра­жающее действие на слизистые оболочки глаз и верхних дыха­тельных путей. При хроническом отравлении наблюдаются ко­нъюнктивиты, бронхиты и прочие поражения. Этот газ оказывает вредное влияние на растительность, особенно на хвойные породы деревьев, а также на металлические поверхности, вызывая их коррозию, так как диоксид серы окис­ляется в триоксид серы, который с влагой воздуха образует аэ­розоль серной кислоты, входящий в состав кислотных дождей.

Оксиды азота (NO, NO 2 , N 2 O) - содержатся в выхлопных газах автотранспорта и в выбросах промышленных предприятий, производящих азотную кислоту, азотные удобрения, взрывчатые вещества и др. Наиболее вредным веществом является диоксид азота (NO 2), который обладает раздражающим действием на слизистые обо­лочки верхних дыхательных путей. Попадая в организм человека, он взаимодействует с гемоглобином крови, вызывая образова­ние метгемоглобина и гипоксические расстройства. Длитель­ное вдыхание малых концентраций оксидов азота вызывает по­явление бронхитов, анемию, ухудшение течения сердечных заболеваний.

Разложение диоксида азота в атмосферном воздухе под вли­янием ультрафиолетовых лучей на оксид азота и атомарный кислород приводит к образованию свободных радикалов озона. Оксиды азота и углеводороды соединяются с кислородом и об­разуют оксиданты, среди которых имеются очень токсичные вещества, участвующие в образовании фотохимического смога вместе с оксидами азота.

Канцерогенные углеводороды - это полициклические арома­тические углеводороды, самым сильным из которых является 3-4-бенз(а)пирен, поступающие в атмосферу с выхлопными га­зами двигателей внутреннего сгорания, выбросами предпри­ятий нефте- и коксохимической промышленности и других предприятий, использующих в качестве топлива нефть и ка­менный уголь. 3-4-бенз(а)пирен содержится также в табачном дыме.

Давно установлена зависимость между уровнем загрязне­ния атмосферного воздуха канцерогенами и частотой возник­новения случаев заболеваний раком легкого.

Прочие вредные примеси. Твердые вещества, взвешенные в атмосферном воздухе, представляют собой пыль естественного и искусственного про­исхождения. Различают следующие виды естественной пыли: космическая, вулканическая, морская, лесных пожаров и на­земная, имеющая наибольшее гигиеническое значение. Она со­стоит из почвенной пыли и пыли растительной. Почвенная пыль населенных мест, расположенных в пустынных и полу­пустынных местностях, на 70-80 % состоит из минеральных соединений с высоким содержанием свободной двуокиси крем­ния, но опасность возникновения силикоза от нее невелика.

К растительной пыли относятся пыльца цветущих растений, споры грибов и бактерий.

Пыль искусственного происхождения поступает в воздух при сжигании твердого топлива (угля) в виде золы, недожога и са­жи. Зола представляет собой негорючие примеси к углю, недо­жог - несгоревшие частицы угля, сажа - продукт неполного сгорания угля, являющийся наиболее патогенным компонен­том, так как содержит канцерогенные вещества [бенз(а)пирен, метилхолантрен, антрацен].

Пыль может оказывать на человека косвенное и прямое не­благоприятное воздействие. Косвенное влияние пыли отме­чается в атмосфере и заключается в уменьшении интенсивнос­ти солнечной радиации, содействии образованию облачности и туманов, что ведет к снижению естественной освещенности помещений и как следствие близорукости и рахита у детей, остео­пороза у взрослых, способствует выживанию патогенных мик­робов в окружающей среде. Прямое же действие пыли: раздражающее, механическое, кан­церогенное, токсическое, эпидемиологическое, фиброгенное, кариесогенное, лучевое, аллергенное, эпидемиологическое - может наблюдаться в неблагоприятных производственных ус­ловиях.

Соединения хлора и фтора (СН 3 С1, НС1, фреоны и продукты их разрушения). В природных естественных условиях в океанической воде образуется хлористый метил (СН 3 С1), который поднимается в стратосферу и под действием солнечного излучения разлагается на атомы хлора. Затем из хлора образуется соляная кислота. Однако естественный хлор и его соединения оказывают незна­чительное воздействие на атмосферу. Большую опасность пред­ставляет антропогенное загрязнение атмосферы химическими со­единениями, содержащими хлор или фтор, или оба этих элемен­та. Это так называемые фреоны: хлорфторпроизводные метана, этана и циклобутана (CFC1 3 , CF 2 C1 2 и др.).

Фреоны широко применяются как растворители в баллончи­ках с аэрозолями различного назначения, как охлаждающие жид­кости в холодильниках и кондиционерах. Фреоны легко проника­ют в стратосферу, так как являются инертными газами. Однако на высотах 30 - 40 км под действием ультрафиолетовой части сол­нечного излучения (в диапазоне длин волн 180 - 225 нм) они разлагаются с выделением активных атомов хлора. Затем при взаимо­действии с кислородом образуется оксид хлора (С1 2 0), а в реакциях с HN0 3 , СН 4 и другими химическими соединениями обра­зуется хлористый водород (HCl). Хлористый водород хорошо растворяется в воде, поэтому эффективно вымывается осадками.

Значительное количество хлористого водорода (от сотен тысяч до 1,5 млн т) выбрасывается в стратосферу (до высоты 18 - 20 км) после крупных вулканических извержений. В среднем за 1 год за счет вулканической деятельности в стратосферу попадает около 0,3 млн т НС1.

В 1987 году в соответствии с Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) вступил в действие «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой», предусматривающий постепенное сокращение производства и потребления ряда хлорфторуглеродов. В частности в соответствии с этим протоколом фреон R-12 (как наиболее способствующий разрушению озонового слоя) и R-22, а также другие фреоны, разрушающие
озоновый слой, перестали применяться в бытовой технике.

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные Стали).

Рассмотрим влияние примесей отдельно.

Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.

т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа (см. ниже), растворяется в феррите и цементите.

Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства. Но так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.

Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции:

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.

При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавленная в основной

мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04 %), а в электропечи менее 0,02 %. Уменьшить содержание до 0,01 % и меньше металлургическими приемами затруднительно и достигается это использованием исходной высокочистой шихты (например, железо ПВ). Диаграмма состояния железо-фосфор приведена на рис. 150, а.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %, но она резко снижается при понижении температуры (рис. 150, б) и согласно последним исследованиям при 200 °С и ниже она составляет всего лишь Однако это количество фосфора обычно присутствует в стали.

Рис. 160. Диаграмма состояния : а - общий вид; б - растворимость Р в а-жедезе

Отсюда можно заключить, что фосфор целиком растворяется в а-железе.

Тем не менее углерод и легирующие элементы уменьшают растворимость фосфора, однако, металлографически избыточные соединения не обнаруживаются. Поэтому и в этих случаях фосфор находится в а-растворе, но такой раствор является пересыщенным.

Современными методами исследования было показано, что находящийся в растворе фосфор неравномерно распределяется и обогащает (сегрегирует) границы зерен. Малая скорость диффузии фосфора в -железе практически исключает выделение фосфидных выделений из раствора.

Фосфидные включения в виде, так называемой, фосфидной эвтектики (стэдит) наблюдается в фосфористых чугунах, содержащих фосфора

Растворяясь в -железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние (рис. 151), иначе вызывает хладноломкость стали. Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях фосфор желательный

элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов - продукт горения топлива . В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электри ческой печи сера удаляется из стали.

Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005 %.

Рис. 151. Влияние фосфора на хладноломкость стали

Рис. 152. Диаграмма состояния

Сера нерастворима в железе (рис. 152) и любое ее количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа который входит в состав эвтектики, образующейся при

Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости.

Обычно сернистая эвтектика присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т. е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение располагается вокруг зерен (рис. 153, а).

Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины.

Последнее связано с тем. что еще в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры происходит оплавление (т. е. образование расплава в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 152). Отдельные обособленные округлые включения сульфидов уже менее вредны (рис. 153, б).

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

Рис. 153. Сернистые включения в виде: а - оторочек по границам зерна; б - обособленных включений, в - сульфида марганца,

Сульфид марганца плавится при т. е. при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки 1.

При температурах горячей обработки сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы (рис. 153, в; 154, а).

Сульфиды пластичны и деформируются при горячей обработке в отличие от оксидова, которые хрупки, под действием

механических сил крошатся и располагаются в виде цепочек (рис. 154, б).

Пластинчатая форма включений сульфида марганца не влияет на свойства стали в направлении вдоль прокатки, но существенно, примерно в 2 раза, снижает пластические и вязкие свойства поперек прокатки, т. е. увеличивает анизотропию свойств (отношение «поперечных» и «продольных» свойств).

Современный прием скругления сульфидных включений - это обработка («модифицирование») жидкой стали или силикокальцием или редкими землями (церием).

Рис. 154. Неметаллические включения: а - сульфиды (пластичные); б - оксиды (хрупкие)

Эти модификаторы в первую очередь соединяются с серой, образуя соответственно сульфиды кальция или сульфиды церия, которые при температурах прокатки прочнее сульфидов марганца и не деформируются в пластины, а сохраняют округлую форму (см. рис. 153, б), более или менее распределяются в металлической матрице, не образуя в отличие от оксидов цепочки.

Такая модификация сульфидных включений улучшает «поперечные» свойства и коэффициент анизотропии относительного сужения и ударной вязкости от 0,5 при пластинчатой форме сульфидов повышается до 0,8.

Явление анизотропии учитывается в ГОСТах и технических условиях на металлопродукцию, в которых оговаривается направление вырезки образца.

В настоящее время широко распространен такой метод выплавки стали, при котором шлак приготавливают в отдельной печи (так называемый синтетический шлак). В результате обработки металла таким шлаком происходит более полное удаление серы, а также улучшаются свойства главным образом при испытании поперек волокна.

Своеобразно влияние серы на вязкие свойства, поскольку сера присутствует в большинстве марок стали в виде сульфидов марганца,

это ее влияние получило название сульфидный эффект. В отличие от других «вредных» элементов сера не повышает, а даже понижает порог хладноломкости, хотя и понижает ударную вязкость при вязком изломе (рис. 155).

Другими словами снижение содержания серы полезно в том смысле, что при этом повышается сопротивление вязкому разрушению, но снижается сопротивление хрупкому.

Рис. 155. Влияние серы на вязкие свойства стали

Как и фосфор, сера (см. ниже п. 6) облегчает обрабатываемость резанием.

«Газы». Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства (табл. 15).

Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в -твердом растворе; образовывать различные

Таблица 15. (см. скан) Примерное содержание газов в стали, (по массе)

соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды, оксиды).

Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам, см. с. 354).

Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла.

Растворимость водорода, азота, кислорода и углерода в а-железе невелика, но так как с понижением температуры эта растворимость резко уменьшается (рис. 156), то в условиях обычного (неравновесного) охлаждения стали после прокатки или ковки образуется пересыщенный твердый раствор этих элементов в -железе.

Рис. 156. Растворимость примесей внедрения углерода, кислорода и азота в а-желеэе

Теоретически правильнее эти элементы, а также углерод называть примесями внедрения, тем более что влияние их на свойства специфично и похоже.

Пластическая деформация и последующий невысокий нагрев такого пересыщенного раствора приводят к сильному охрупчиванию вследствие процессов старения (так называемое «деформационное старение»). Это проявляется в первую очередь в уменьшении запаса вязкости и в повышении порога хладноломкости. Так как содержание указанных примесей невелико (см. табл. 15), то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако в отличие почти от всех механических свойств примеси внедрения сильно влияют на вязкие свойства, уменьшая ударную вязкость и резко повышая порог хладноломкости (рис. 157, а, б).

Водород не образует соединений с железом (гидридов), поэтому он может выделяться из металла. После выплавки сталь содержит некоторое количество водорода, которое с течением времени постепенно уменьшается. Продолжительность этого процесса может быть несколько дней, недель или месяцев (в зависимости от толщины изделия). При этом механические свойства улучшаются.

Из сказанного следует, что наличие водорода, азота и кислорода в металле ухудшает его свойства.

Радикальным средством уменьшения указанных элементов и неметаллических включений в металле является выплавка или разливка металла в вакууме. Вакуумированный металл обладает более высокими свойствами вследствие высокой чистоты по неметаллическим включениям и отсутствия (практически) растворенных атомов водорода, азота и кислорода.

Примеси цветных металлов. Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов ( и др.). Обычно содержание этих элементов невелико - сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси : кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS , так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25 o С.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS , которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 o С. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости .

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность

(δи ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO 2 , Al 2 O 3 )нитридов (Fe 2 N ), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N , кислород О ) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 , лучше в вакууме ~10 -2 …10 -3 мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Нагартованная сталь

Широкое применение нашли в хозяйстве проволока, тонкие листы. Эти виды изделий получают в металлургии прокаткой, волочением в холодном состоянии. В результате такой обработки металл упрочняется за счет явления, которое называется наклеп. За счет комнатной температуры упрочнение не снимается. Такой вид обработки называется нагартовкой.

Нагартовка стали сильно зависит от степени наклепа и от содержания углерода (рис. 7).

Рекордные значения σв получены для обжатия до 90 % в стали 1,2 % С при ∅ проволоки 0,1 мм.

Нагартовка - неизбежный процесс любой пластической деформации. Нагартовка (наклеп) сопровождается увеличением прочности и твердости и существенным снижением пластичности.

Поэтому после прокатки или волочения в холодном состоянии листы, швеллеры, трубы нагартовываются.

Чаще всего это желательное изменение свойств. Бывает, что нежелательное. Например, чеканку на нагартованном медном листе не сделаешь - порвется. Приходится снимать наклеп термической обработкой (отжигом).

Все сказанное выше о воздействии атмосферных загрязнений на людей, животный мир и растительность может быть подтверждено несколькими примерами. Как известно, отдельные нефтеперерабатывающие заводы и предприятия США используют в качестве топлива многосернистую нефть. В одном из штатов, где расположены такие заводы и предприятия, было проведено широкое медицинское обследование населения. Результаты обследования показали, что у лиц, которые жаловались на неприятные запахи, имеются различные болезненные явления общего характера: головные боли, бессонница, удушье, раздражение верхних дыхательных путей. Все эти явления периодически возникали в связи с поступлением в атмосферу вредных примесей. Все описанные явления нередко приводили к повышенной утомляемости, понижению работоспособности и функциональным нарушениям со стороны нервной системы. При обследовании состояния здоровья 1322 младших учащихся (Институт общей и коммунальной Гигиены АМН СССР), проживающих в районе выбросов мощной теплоэлектроцентрали, у многих практически здоровых детей были обнаружены начальные фиброзные изменения легких, а сами дети жаловались на частые головные боли, общую слабость, раздражение слизистых оболочек глаз, быструю утомляемость и др. Аналогичные жалобы были у населения, проживающего в районе вискозного завода в Белоруссии, где имело место загрязнение атмосферного воздуха сероуглеродом и сернистым ангидридом.

О неблагоприятном влиянии атмосферных загрязнений на рогатый скот можно судить по следующему факту, зарегистрированному вблизи одного из западногерманских заводов: большое стадо рогатого скота, принадлежавшее населению заводского поселка, было полностью уничтожено. Кроме того, население этого поселка отметило резкое уменьшение количества пчел, гибель отдельных видов диких животных и повреждение растительности даже на расстоянии 5 км от завода. Несомненную роль в этом сыграло загрязнение воздуха сернистым ангидридом и пылью, содержащей мышьяк, окись железа, сурьму и др. Имеются многочисленные сообщения о гибели крон и уничтожении листвы на деревьях вблизи химических комбинатов. К вредному влиянию атмосферных загрязнений следует отнести также ухудшение жилищно-бытовых условий населения: вследствие неприятных запахов многие лишены возможности открывать окна и проветривать помещения, имеет место загрязнение сажей и копотью внешней отделки зданий. Некоторые промышленные выбросы оказывают разрушающее действие на металлическую кровлю жилых и общественных зданий.

Особо следует обратить внимание на то, что в составе угольной смолы и пыли обнаруживаются некоторые канцерогенные продукты. Эти вещества конденсируются на частицах золы и сажи, поступающих в виде дымовых газов в атмосферный воздух. Об этом следует помнить, так как некоторые виды топлива, содержащие канцерогенные соединения, образуют при неправильном сжигании очень большое количество дымовых газов. Источниками подобного загрязнения атмосферного воздуха в городах могут быть также асфальтобетонные, толевые, рубероидные и сланцеперегонные предприятия. Сравнительные данные распространения рака легких среди жителей различных населенных мест показали, что это заболевание чаще поражает лиц, длительно проживающих в промышленных городах, воздушный бассейн которых характеризуется содержанием больших количеств атмосферных загрязнений.

Наконец, пыль и дым в воздушном бассейне населенных мест снижают прозрачность атмосферы, обусловливая уменьшение общей освещенности и, что особенно важно, вызывают значительное ослабление интенсивности ультрафиолетовой части солнечной радиации. Измерения освещенности рассеянным светом в промышленном районе Москвы и на расстоянии 8-10 км от центра установили, что в пределах города освещенность на 40-50% ниже. По сравнению с окрестностями напряженность солнечной радиации в Париже ниже на 25-30%, в Балтиморе - на 50%, а в Берлине - на 67%.

Атмосферный воздух населенных пунктов, в особенности крупных промышленных городов, может загрязняться промышленными выбросами. Источниками загрязнения атмосферного воздуха газообразными примесями являются предприятия химической, коксохимической, металлургической промышленности, производство полимеров, органических растворителей, электростанции, предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и т. д., а также домовые топки и городской автотранспорт.

Атмосферный воздух населенных мест может загрязняться сернистым газом (SO 2), сероводородом (H 2 S), сероуглеродом (CS 2), окисью углерода (CO), окислами азота (N 2 O 5), углеводородами, хлором, свинцом, парами ртути, фосфором, марганцем, мышьяком и др.

Сернистый газ (SO 2). Из химических примесей в атмосферном воздухе чаще всего встречается сернистый газ. Количество его в дымовых газах зависит от содержания серы в топливе. Мощным источником загрязнения воздуха сернистым газом являются котельные, которые сжигают много угля, предприятия цветной металлургии, сернокислотное производство, коксохимические заводы.

Концентрация сернистого газа в атмосферном воздухе зависит от источника загрязнения, расстояния от него, направления ветра и т. д. и варьирует в больших пределах, доходя иногда возле предприятия до 15-20 мг/м 3 .

Сернистый газ раздражает слизистые оболочки верхних дыхательных путей. Порогом обонятельного ощущения является концентрация 2,6 мг/м 3 , порогом раздражающего действия - около 20 мг/м 3 .

Сернистый газ вызывает сдвиги в обменных процессах. Высокие концентрации его при длительном воздействии ведут к развитию катара верхних дыхательных путей, бронхита, диспепсических расстройств. Он способен вызывать гипергликемию, что свидетельствует об общетоксическом действии его. Сернистый газ вредно действует на растительность. В концентрациях 1:1 000 000 он вызывает у растений видимые глазом повреждения. При кратковременном воздействии сернистый газ при концентрации 0,92 мг/м 3 действует на процессы ассимиляции растений, что не имеет места при концентрации 0,62 мг/м 3 .

Окись углерода (CO). Окись углерода - газ без запаха и цвета. Плотность по отношению к воздуху - 0,967. Окись углерода образуется при неполном сгорании топлива, ее образование всегда связано с доменным, коксовым, газогенераторным и другими производствами. Окись углерода обнаруживается в значительном количестве в светильном, водяном, дымовых и выхлопных газах. Вместе с дымом и газами, выбрасываемыми промышленными предприятиями, окись углерода попадает в атмосферный воздух. Воздух на магистралях больших городов может содержать повышенное количество окиси углерода за счет выхлопных газов автотранспорта (в среднем до 10 мг/м 3). На расстоянии 1 км от металлургического комбината в атмосферном воздухе в среднем найдено 57 мг/м 3 окиси углерода.

Окись углерода является кровяным и общетоксическим ядом. Экспериментально и клинически установлена возможность хронического отравления окисью углерода. Наблюдения показывают, что концентрацию окиси углерода порядка 20-30 мг/м 3 можно принять за пороговую, за которой уже наблюдаются нарушения в организме, в частности в нервной системе.

Окислы азота (NO, N 2 O 5 , NO 2). Окислы азота - смесь газов непостоянного состава. Они легко соединяются с водяными парами воздуха и превращаются в азотистую и азотную кислоты.

Окислы азота могут попасть в атмосферный воздух в значительных oколичествах как выбросы промышленных предприятий, при производстве азотной, серной, щавелевой и других кислот, при взрывных работах и определяться на довольно большом расстоянии от предприятий (2,56 мг/м 3 на расстоянии 1 км; 1,43 мг/м 3 на расстоянии 2 км). При длительном вдыхании малых концентраций окислов азота наблюдаются бронхиты, упадок питания, анемия, разрушение зубов, расстройство желудочной секреции, активизируется туберкулезный процесс, ухудшается течение сердечных заболеваний.

Другие газообразные примеси. В атмосферном воздухе может встречаться сероводород (H2S), источником которого являются промышленные предприятия (химические заводы, металлургические предприятия, нефтеперерабатывающие заводы), процессы гнилостного разложения органических веществ, скопление нечистот, утилизационные заводы и пр. В последнем случае атмосферный воздух может загрязняться и другими продуктами органического разложения - сернистым аммонием, летучими жирными кислотами, индолом, скатолом и т. д. Их присутствие даже в незначительных количествах воспринимается обонянием и вызывает неприятные субъективные ощущения, иногда доходящие до тошноты и рвоты. Порогом раздражающего действия является 14-20 мг/м 3 . Концентрация 0,04-0,012 мг/м 3 является порогом ощущения запаха.

Заводы по производству сероуглерода и вискозы могут быть источником загрязнения атмосферного воздуха сероуглеродом (слабый запах сероуглерода ощущается при концентрации 0,05 мг/м 3 воздуха). Атмосферный воздух может загрязняться и высокотоксическими веществами (пары ртути, свинец, фосфор, мышьяк и т. д.).

Механические примеси в воздухе

Атмосферный воздух населенных пунктов содержит то или иное количество пыли: наземной пыли (почвенная, растительная), морской, пыли космического происхождения и т. д. Но главным источником пылевой загрязненности атмосферного воздуха являются промышленные предприятия (рис. 11). Пыль представляет собой аэродисперсную систему, в которой дисперсной фазой является раздробленное твердое вещество, а дисперсионной средой - воздух. Пыль бывает органическая (растительного или животного происхождения), неорганическая (металлическая, минеральная) и смешанная. В атмосферном воздухе наблюдается обычно смешанная пыль.

Способность пылевых частиц удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии или выпадать из него, оседая с разной скоростью, зависит от их размеров и удельного веса. Взвешенная в воздухе пылинка подвергается воздействию двух противоположно направленных сил - силы тяжести и силы трения. Если сила тяжести больше силы трения (пылевые частицы размером больше 10 мк), то частицы оседают с возрастающей скоростью, если сила трения уравновешивает силу тяжести (частицы пылинок размером 10-0,1 мкм), то они оседают с постоянной скоростью (закон Стокса), а пылевые частицы диаметром меньше 0,1 мкм, как правило, не выпадают из дисперсной системы, находясь в постоянном - броуновском - движении.

Со степенью дисперсности пыли, определяющей, таким образом, поведение ее в воздухе, связана и судьба пыли в дыхательных путях. Пылевые частицы размером 10 мкм и больше задерживаются в верхних дыхательных путях (нос, носоглотка, трахея, крупные бронхи), пылинки меньше 10 мкм проникают в альвеолы и там задерживаются, оказывая патологическое действие на организм в зависимости от характера пыли. Наибольшую опасность в этом отношении представляет пыль с размером частиц меньше 5 мкм. Более крупные пылинки, по-видимому, выпадают из струи вдыхаемого воздуха, не достигая альвеол. Пылинки размером меньше 0,1 мкм на 64-77% задерживаются в легких, а не выводятся из них током выдыхаемого воздуха, как принято было считать.

Вместе с тем имеется ряд обстоятельств, препятствующих оседанию пыли в дыхательном аппарате: разность температур вдыхаемого воздуха и стенок дыхательных путей, испарение влаги с этих стенок, способствующее отталкиванию пылевых частиц и т. д.

Вблизи промышленных предприятий там, где не применяются пылезащитные установки (пылеулавливающие), атмосферный воздух содержит в основном пылевые частицы небольших размеров. В пыли электростанций, загрязняющей атмосферный воздух, содержатся пылинки следующих размеров:

Для характеристики пылевой загрязненности воздуха и гигиенической оценки ее важное значение имеет выяснение количества пыли, содержащейся в определенном объеме воздуха. Количественная характеристика выражается обычно в весовых (гравиметрических) показателях - в миллиграммах пыли на 1 м 3 , воздуха. Определение запыленности воздуха путем подсчета пылинок в 1 см 3 воздуха (кониметрический метод) в настоящее время имеет мало сторонников.

Максимальные разовые концентрации пыли в атмосферном воздухе промышленных городов при отсутствии очистных сооружений могут достигать 1-3 мг/м 3 , а в отдельных случаях - 6,82 мг/м 3 .

По данным Р. А. Бабаянца, максимальные разовые концентрации пыли в обследованном им городе находились в пределах от 0,84 до 13,85 мг/м 3 . По данным Института гигиены имени Ф. Ф. Эрисмана, в одном из крупных городов максимальные разовые концентрации пыли после проведения мероприятий по золоулавливанию были: в центре города 0,15-1,48 мг/м 3 , в жилом районе 0,22-1,38 мг/м 3 , в промышленном районе 0,67-1,93 мг/м 3 .

Гигиеническая характеристика загрязнения атмосферного воздуха

Газообразные вещества и пыль атмосферного воздуха, превышая допустимые уровни, оказывают вредное воздействие на организм.

В продуктах неполного сгорания каменного угля, нефти установлено наличие канцерогенных соединений, вызывающих в эксперименте рак у мышей. В каменноугольной смоле обнаружено большое количество канцерогенных веществ, из которых сильнодействующими являются 3,4-бензпирен, 1,2- и 5,6-дибензантрацен. Многие авторы связывают рост удельного веса рака легких среди городского населения с наличием канцерогенных веществ в саже, содержащейся в атмосферном воздухе.

Имеются указания на то, что в задымленных районах Цинциннати рак легких встречается в 4 раза чаще, чем в малозадымленных. В промышленных городах ФРГ и США отмечается повышенная заболеваемость органов дыхания (фарингиты, бронхиты, трахеиты) и др.

В известных метеорологических условиях вследствие поступления в атмосферу окислов серы при сжигании топлива наблюдались токсические туманы, вызывающие расстройство дыхания и сердечно-сосудистой деятельности.

В декабре 1962 г. в Лондоне наблюдался туман, который сопровождался повышенной смертностью населения, особенно детей раннего возраста и лиц старше 55 лет. Наблюдения показали, что в туманные дни с 5 по 8 декабря в атмосферном воздухе резко повысилась концентрация сажи и сернистого газа, адсорбируемых водяными парами (в 10 раз более обычных).

С 1 по 5 декабря 1930 г. под Льежем (Бельгия) было зарегистрировано несколько тысяч случаев отравления среди населения, из них 70 смертных, вследствие того что выпускаемые в воздух сернистый газ и фтористый водород в связи с сильным туманом достигли опасных концентраций. Загрязнение атмосферы городов иногда является следствием фотохимических реакций углеводородов и окислов азота.

Газообразные вещества, загрязняющие атмосферный воздух, могут вызывать хроническое отравление. Не исключена возможность понижения резистентности организма к инфекционным заболеваниям в результате длительного вдыхания небольших концентраций ядовитых веществ, находящихся в атмосферном воздухе. Нельзя не учитывать и вредного воздействия неприятных ощущений, связанных с распространением запахов таких газов, как сероуглерод, сероводород, сернистый и серный ангидрид, хлор и др., а также действия на организм аллергенов, присутствие которых в атмосферном воздухе в ряде случаев не исключено. Не может не сказаться на здоровье населения и влияние аэрозолей тяжелых металлов (свинец, цинк), если они постоянно и в значительном количестве присутствуют в атмосферном воздухе. Экспериментально установлено, что в районе выбросов медеплавильного завода в организме животных происходит накопление свинца.

Пыль атмосферного воздуха может содержать известное количество свободной SiO 2 . Обычно возможность возникновения бытового силикоза среди городского населения маловероятна вследствие сравнительно невысокой запыленности воздуха городов. Однако в населенных местах вблизи мощных электростанций возможность пресиликотических изменений не исключена.

К этому нужно добавить, что содержание пыли в атмосферном воздухе городов обусловливает потери части солнечной радиации, которая поглощается пылевыми частицами. Так, интенсивность солнечной радиации в городах на 15-25% ниже, чем в сельских местностях. Эта потеря происходит также за счет ультрафиолетовой части солнечной радиации, за счет лучей с длиной волны от 315 до 290 ммк, имеющих большое значение для роста и жизнедеятельности организма, особенно в детском возрасте. Путем эксперимента на белых крысах установлено, что потеря 15-25% ультрафиолетовых лучей приводит к повышению уровня фосфатазы и понижению фосфора, т. е. к явлениям, идущим параллельно с тяжестью рахита.

Запыленность атмосферного воздуха уменьшает общую освещенность и способствует образованию туманов. Так, освещенность рассеянным светом в промышленных районах крупного города на 40-50% меньше, чем в его окрестностях.

Пылевые примеси воздуха могут способствовать образованию туманов в силу их способности превращаться в ядра конденсации водяных паров. В результате этого в такой местности увеличивается количество пасмурных дней, а следовательно, возрастает и неблагоприятное воздействие климата на население (недостаточность солнечных дней, понижение общей освещенности, высокая влажность воздуха и т. д.).

В крупных городах отмечается глазной травматизм вследствие попадания в глаз угольной пыли.

Промышленные выбросы (пыль, сернистый газ) оказывают неблагоприятное влияние на растительность, причем это влияние иногда распространяется на очень далекие (до 25 км) расстояния от предприятия.

Пыль и сажа, содержащиеся в атмосферном воздухе, проникают в жилище и, естественно, ухудшают санитарные условия жизни населения, проживающего в районе выбросов промышленных предприятий.

Мероприятия по санитарной охране атмосферного воздуха. Забота о здоровье населения выдвигает требования борьбы с загрязнением атмосферного воздуха.

Начиная с 30-х годов XX столетия в результате бурного развития промышленности определилось новое направление в гигиене населенных мест - санитарная охрана атмосферного воздуха. Большой фактический материал, накопленный в результате исследований, лег в основу передового советского законодательства об охране чистоты воздушного бассейна промышленных городов. С этой целью установлен контроль по соблюдению гигиенических нормативов предельно допустимых в атмосферном воздухе концентраций (ПДК) загрязняющих его веществ.

Всесоюзная государственная санитарная инспекция утвердила предельно допустимые концентрации веществ в атмосферном воздухе населенных мест (табл. 4).

Предельно допустимой концентрацией вредного вещества считается такая концентрация, при которой исключается неблагоприятное воздействие этого вещества на организм в течение неограниченно длительного времени. Различают разовую предельно допустимую концентрацию, под которой подразумевается наиболее высокая концентрация, определяемая путем кратковременного (15-20 минут) отбора проб, и среднесуточную - среднеарифметическое из многих проб, отобранных в течение суток. Обеспечение чистоты воздуха на уровне приведенных ПДК в атмосферном воздухе промышленных городов требует проведения санитарно-гигиенических мероприятий. Коренное разрешение этой задачи немыслимо в капиталистических странах, где промышленные предприятия принадлежат буржуазии, которая не заинтересована в проведении этих подчас дорогостоящих мероприятий. В Советском Союзе ведется огромная работа по санитарной охране атмосферного воздуха. Для обеспечения чистоты атмосферного воздуха большое значение имеют мероприятия по борьбе с выбросами котельных, электростанций и теплоэлектроцентралей, борьба с выхлопными газами автотранспорта, теплофикация городов, исключающая необходимость мелких котельных установок, газификация их, способствующая значительному снижению загрязнения атмосферного воздуха сажей, электрификация железнодорожного транспорта, рекуперация (возвращение материалов или энергии, израсходованных один раз при проведении процесса, для повторного использования в этом процессе) промышленных выбросов и пр.

Санитарно-технические мероприятия направлены на обеспечение очистки промышленных выбросов от пыли и газов, загрязняющих атмосферный воздух. Для улавливания пыли и золы существуют различные устройства от простых (пылеотстойные камеры) до более или менее сложных (циклон, мультициклон, различного рода золоулавливатели и т. д.).

Очистка воздуха в циклонах (рис. 12) и мультициклонах (рис. 13) осуществляется следующим образом. Проходя через эти устройства, воздух получает вращательное движение. В результате образовавшейся центробежной силы пылевые частицы отбрасываются к стенкам циклона, выпадают из воздуха и скапливаются в нижней части прибора, откуда и удаляются. Коэффициент очистки воздуха в циклоне составляет обычно 40-50%, мультициклоне - 63%. Большей эффективностью отличается мокрый золоулавливатель (92-98%). Наконец, высокоэффективным устройством для золо- и пылеулавливания являются электрофильтры (рис. 14). Они основаны на следующем принципе. Когда запыленный воздух проходит через трубку, соединенную с положительным полюсом постоянного тока, в центре которой имеется проволока, соединенная с отрицательным полюсом, пылевые частицы приобретают отрицательный заряд, отбрасываются к стенкам трубки, теряют свой заряд и выпадают из воздуха.

Для сероочистки предложено несколько методов (магнезитовый, известковый, аммиачный и др.), основанных на улавливании сернистого газа, причем наиболее совершенные из них позволяют очистить воздух от сернистого газа на 98-99%. К важным мероприятиям по охране атмосферного воздуха относятся запрещение строительства в селитебной зоне предприятий, загрязняющих атмосферный воздух, размещение их на специальных промышленных площадках с учетом направления господствующих ветров, соблюдение установленных санитарными нормами (CH 245-63) разрывов между промышленными предприятиями и жилыми кварталами, широкое и массовое озеленение городов, их благоустройство и рациональная санитарная очистка.