Загрязнение аммиаком - Ammonia pollution

Загрязнение аммиаком это выброс соединения аммиак (химическая формула NH3) в окружающую среду, что может отрицательно повлиять на экосистему и здоровье человека. Выбросы в основном происходят от сельского хозяйства, включая животноводство и использование удобрений. Другие источники, такие как океаны, пожары, автомобили и промышленные процессы также 一 в меньшей степени 一 способствуют присутствию аммиака в окружающей среде.[1] Обнаружение аммиака облегчается за счет использования фильтрующих элементов и тканевых денюдеров (газоотделителя). Также используются такие методы, как спутниковая съемка и анализ дождевой воды.[2] Еще многое неизвестно о влиянии загрязнения аммиаком, но рост выбросов беспокоит ученых. Уровень аммиака в атмосфере в 2010 г. был более чем в два раза выше, чем в 1940 г.[3] Аммиак в настоящее время признан многими странами в качестве основного загрязнителя, и некоторые из них начали принимать меры по ограничению своих выбросов.[2]

Источники

В таблице ниже перечислены источники загрязнения аммиаком и их процентный вклад в глобальные выбросы аммиака. Источники также классифицируются как антропогенный (в результате человеческого) или естественного происхождения.

ИсточникОписаниеПроцент глобальных выбросовТип
сельское хозяйство1. Отходы животноводства содержит большое количество азот потому что фермеры используют корм с высоким содержанием питательных веществ. Почти 80% этого азота попадает в навоз животных в виде аммоний (NH4+), который превращается в аммиак (NH3) через испарение:

Около половины NH4+ преобразуется в газообразный аммиак, который затем попадает в атмосферу или растворяется в стоках. Улетучивание увеличивается во влажной, теплой и кислой среде.[4][5]

2. Искусственное удобрение использование, например, в суспензия производится с высоким содержанием питательных веществ. Сюда входят соединения на основе азота, такие как аммоний (NH4+), который, как и навоз, выделяется в виде аммиака в результате испарения (в атмосферу или со стоками).[5][2]

Более 70%


(⅔ от домашнего скота)

(⅓ от удобрения)

Антропогенный
ОкеаныРазложение отходов в океане выделяет аммоний в морскую воду. Уровни поверхности могут выбрасывать его в атмосферу в результате улетучивания, которое усиливается с сильными волнами, сильным ветром, высокой кислотностью и высокими температурами.[6][7]15%Натуральный
Лесные пожарыГорение биомассы (органического вещества) приводит к выделению многих химических веществ, которые иногда включают аммиак. Различная биомасса приводит к разным выбросам. Сжигание биомассы тропических лесов, таких как Бассейн Амазонки, выделяет наибольшее количество аммиака.[8][2]10%Антропогенный и природный
АвтомобилиВ каталитические преобразователи в двигателях сокращают выбросы вредных химических веществ, но также вызывают выделение аммиака в качестве побочного продукта. Это вызывает работа трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Более новые автомобили сократили выбросы аммиака за счет таких модификаций, как снижение температуры выхлопных газов и увеличение соотношения воздуха и топлива.[2][9]< 2%Антропогенный
Промышленные процессыПроизводственные предприятия могут выделять аммиак в качестве побочного продукта при химическом сжигании или в сточных потоках.[3]< 2%Антропогенный
ДругойЧеловеческие отходы, отходы диких животных и разложение все они способствуют выбросу аммиака за счет улетучивания.[3]< 1%Антропогенный и природный

Эффекты

Аммиак снижает биоразнообразие наземных и водных экосистемы а также формы аэрозоли в атмосфере, которая при вдыхании может вызвать осложнения для здоровья человека.

Биоразнообразие

Выбросы газообразного аммиака попадают в почву и воду Земли как влажными, так и сухими отложение. Водный аммиак, другая форма соединения, может просачиваться прямо в землю или попадать в водные экосистемы. Загрязнение как наземных, так и водных организмов аммиаком снижает биоразнообразие в основном за счет нитрификация.

Земные эффекты

В наземных условиях аммиак увеличивает кислотность почвы (снижает pH) и вызывает эвтрофикация (переизбыток полезных веществ). Оба они возникают в результате нитрификации. В этом процессе аммиак превращается в нитрат бактериями (обычно родов Нитросомонады и Нитробактер ) выполнение следующей двухэтапной реакции:

Шаг 1: Аммиак (NH3 ) является окисленный в нитрит (НЕТ2-) от:

Шаг 2: Нитриты (НЕТ2-) окисляется до нитрата (NO3-)

Продукты этой реакции включают водород (ЧАС+) ионы которые снижают pH почвы и приводят к подкислению. Повышенная кислотность почвы в экосистеме приводит к снижению защиты от низких температур, засухи, болезней и инвазивных видов. Другой продукт, нитрат (NO3-), является ключевым питательным веществом для роста растений. Этот избыток нитрата от нитрификации аммиака способствует нитрофильный растения (те, которые предпочитают высокие концентрации нитратов) и недостатки других. Например, увеличение популяций нитрофильных растений затеняет другие растения от необходимого солнечного света. Чувствительные группы растений, такие как лишайник и мох особенно восприимчивы к загрязнению аммиаком и среды обитания, такие как болота, торфяники, луга, пустоши, и леса в основном страдают.[10][11]

Водные эффекты

В водных условиях аммиак вызывает потребность в азотном кислороде, эвтрофикацию и изменения в здоровье рыб. Азотная биологическая потребность в кислороде (NBOD) возникает как прямой результат нитрификации (см. Земные эффекты). Растворенный кислород (O2) используется при нитрификации для реакции с NH3. В результате получается меньше O2 доступны для организмов, которые от него зависят. Нитрификация также высвобождает нитраты, что приводит к эвтрофикации, как и в наземных условиях. Нитрофильный водоросли и макрофиты создавать большие цветы в стоячей воде. Это создает нагрузку на ресурсы, а также может косвенно отравлять организмы через образование токсичных водорослей. Напротив, аммиак может нанести прямой вред организмам с проницаемой кожей, если они его впитают. Гибель рыбы и изменения в ее росте, состоянии жабр, веса органов и уровней гематокрита (красных кровяных телец) связаны с воздействием аммиака.[12]

Человеческое здоровье

Газообразный аммиак, который не осаждается, образует аэрозоли путем объединения с другими выбросами, такими как диоксид серы (ТАК2) и оксиды азота (НЕТИкс). Атмосферные реакции между диоксидом серы, оксидами азота, промежуточными продуктами и другими газами в конечном итоге приводят к образованию нитрат аммония (NH4Нет3) и сульфат аммония (NH4HSO4) следующим образом:

Полученный аммоний (NH4) аэрозоли относятся к категории мелких твердые частицы (PM2,5 или твердые частицы размером менее 2,5 микрон). Небольшой размер частиц PM2,5 позволяет им попадать в легкие и кровоток при вдыхании. Частицы аммония могут вызвать осложнения, в том числе: астма, рак легких, сердечно-сосудистые проблемы, врожденные дефекты, и преждевременная смерть человека. Более мелкие PM2,5 аммония могут также перемещаться на большие расстояния (100–1000 км) по сравнению с непрореагировавшим аммиаком (менее 10–100 км) в атмосфере.[1] Некоторые страны, такие как Китай, сосредоточились на сокращении SO2 и нетИкс выбросы, однако увеличились NH3 загрязнение по-прежнему приводит к образованию PM2,5 и ухудшает качество воздуха. [13]

Методы мониторинга

Загрязнение аммиаком обычно измеряется его присутствием в атмосфере. Он не имеет автоматической релейной системы, как при других измерениях загрязняющих веществ, таких как углекислый газ; поэтому пробы аммиака должны собираться другими методами, включая пакеты фильтров, тканевые денудеры, спутниковую съемку и анализ дождевой воды.

Пакеты фильтров

Пакеты фильтров состоят из воздушного насоса, оснащенного Тефлон и стекловолокно фильтр. Насос всасывает воздух, а фильтры удаляют частицы аммиака. Фильтр из тефлона и стекловолокна покрыт лимонная кислота который реагирует со слабощелочными частицами аммиака. Эта реакция по существу «склеивает» аммиак. Позже фильтр тестируется с Реактив Несслера (индикатор аммиака) и спектрофотометр показывает количество присутствующего аммиака.[14]

Тканевые денудеры

Денюдеры ткани функционируют пассивный отбор проб (насос не используется, и сбор зависит только от потока воздуха). Труба, снабженная тканевыми фильтрами с обеих сторон, служит туннелем для диффузии воздуха. Ткань покрыта фосфорная кислота который притягивает газообразный аммиак (основание). Воздух проходит через трубку, и аммиак прилипает к фильтрам, которые затем можно проверить на содержание NH.3 концентрации с использованием реактива Несслера и спектрофотометра.[14]

Спутниковая съемка

Системы спутников измеряют газовые сигнатуры в атмосфере с течением времени. Сигнатура аммиака нанесена на диаграмму, что позволяет оценить его распространенность в воздухе и места его наибольшей концентрации. НАСА с 2008 года использует спутниковые изображения для мониторинга выбросов аммиака.[2]

Анализ дождевой воды

Ведра дождя собираются и затем проверяются на содержание аммиака с использованием методов, описанных выше. Это обеспечивает концентрацию газообразного аммиака, захваченного водяным паром из атмосферы.[2]

Нормативные документы

Хотя сейчас аммиак признан потенциально опасным загрязнителем воздуха, только некоторые страны приняли дальнейшие меры по сокращению своих выбросов. Стратегии сокращения в основном сосредоточены на контроле за методами ведения сельского хозяйства.

Политика

В Европейский Союз с 1999 года действует две политики по предотвращению загрязнения аммиаком. К ним относятся Гётеборгский протокол (1999) и Директива по комплексной защите и контролю загрязнения (1999). Директива о национальных потолочных значениях выбросов была также введена в действие в 2001 году ЕС для дальнейшего сокращения выбросов NH.3 выбросы. В 2012 году Гётеборгский протокол был пересмотрен, чтобы установить новые, более строгие потолочные ограничения на аммиак до 2020 года и включить в него все страны ЕС-27. В объединенное Королевство в частности, объявила, что они планируют сократить выбросы на 16% к 2030 году, однако никаких новых политик принято не было. Другие страны любят Китай и Соединенные Штаты признают аммиак в качестве загрязнителя, но не имеют политики для его регулирования.[15]

Стратегии сокращения

Нормативные акты по загрязнению аммиаком в основном сосредоточены на смягчении последствий за счет более эффективных методов ведения сельского хозяйства. Одно из предлагаемых изменений - хранение навоза и удобрений в больших резервуарах для хранения, чтобы предотвратить сток и улетучивание в воздух. Другая стратегия заключается в кормлении скота менее белковым рационом. Это приведет к уменьшению количества азотных белков (включая аммиак) в навозе. Последняя идея - использовать меньше мочевина и удобрения на основе аммония, которые склонны к улетучиванию с образованием аммиака.[4] [15]

Смотрите также

Распределение частицы вызвано загрязнением аммиаком в США
В лишайник Bryoria fuscescens который чувствителен к загрязнению аммиаком

использованная литература

  1. ^ а б "Аммиак | Информационная система о загрязнении воздуха". www.apis.ac.uk. Получено 2020-11-15.
  2. ^ а б c d е ж г Плаутц, Джейсон (13 сентября 2018). «Аммиак, плохо изученный ингредиент смога, может стать ключом к ограничению смертельного загрязнения». Наука. Дои:10.1126 / science.aav3862. ISSN  0036-8075.
  3. ^ а б c Bauer, Susanne E .; Цигаридис, Костас; Миллер, Рон (2016). «Значительное загрязнение атмосферы аэрозолями, вызванное выращиванием пищевых продуктов в мире». Письма о геофизических исследованиях. 43 (10): 5394–5400. Дои:10.1002 / 2016GL068354. ISSN  1944-8007.
  4. ^ а б «Удивительный способ, которым испарения с ферм вредит нашему здоровью». Ensia. Получено 2020-11-14.
  5. ^ а б Дель Моро, Сара; Холкомб, Джесс; Хорнек, Дон; Салливан, Дэн. (2013). Улетучивание аммиака [Презентация PowerPoint]. Центр сельскохозяйственных исследований и распространения знаний Хермистон, Орегон. https://extension.oregonstate.edu/sites/default/files/documents/1/delmorofarmfairnh3.pdf
  6. ^ Paulot, F .; Джейкоб, Д. Дж .; Johnson, M. T .; Bell, T. G .; Baker, A.R .; Keene, W. C .; Lima, I.D .; Doney, S.C .; Сток, К. А. (2015). «Глобальные выбросы аммиака в океан: ограничения, связанные с наблюдениями за морской водой и атмосферой». Глобальные биогеохимические циклы. 29 (8): 1165–1178. Дои:10.1002 / 2015GB005106. ISSN  1944-9224.
  7. ^ Агентство по охране окружающей среды США, OW (2015-08-20). «Критерии водных организмов - аммиак». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-10-22.
  8. ^ «Что останется в воздухе после лесного пожара, зависит именно от того, что сгорело». Эос. Получено 2020-11-14.
  9. ^ Ван, Чэнсюн; Тан, Цзяньвэй; Харл, Гэвин; Гонг, Хуэйминь; Ся, Вэньчжэн; Чжэн, Тинтин; Ян, Дунся; Ге, Юньшань; Чжао, Юнькунь (2019-11-05). «Образование аммиака над трехкомпонентными катализаторами Pd / Rh во время колебаний от обедненной к обогащенной смеси: влияние старения катализатора, температуры выхлопных газов, лямбда и продолжительности в богатых условиях». Экологические науки и технологии. 53 (21): 12621–12628. Дои:10.1021 / acs.est.9b03893. ISSN  0013-936X.
  10. ^ Гатри, Сьюзен; Джайлз, Сара; Дункерли, Фэй; Табакчали, Хадил; Харшфилд, Амелия; Иопполо, Бекки; Манвилл, Катриона (16.09.2018). «Влияние выбросов аммиака в сельском хозяйстве на биоразнообразие: обобщение данных». Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  11. ^ «Влияние азотных удобрений на pH почвы». Горячая линия по овощным культурам. Получено 2020-11-14.
  12. ^ Агентство по охране окружающей среды США, ORD (04.11.2015). «Аммиак». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-11-14.
  13. ^ Фу, Сяо; Ван, Шусяо; Син, Цзя; Чжан, Сяое; Ван, Дао; Хао, Цзимин (13.06.2017). «Повышение концентраций аммиака снижает эффективность контроля за загрязнением частицами, достигаемую за счет сокращения выбросов SO2 и NOX в Восточном Китае». Письма по экологическим наукам и технологиям. 4 (6): 221–227. Дои:10.1021 / acs.estlett.7b00143.
  14. ^ а б Фитц, Д.Р .; Pisano JT; Goorahoo, D; Krauter, CF; Малкина, ИЛ (2016). Пассивный денудер потока для оценки выбросов аммиака на молочной ферме, 11-я Международная конференция по инвентаризации выбросов, Сан-Диего, 2003. EPA.
  15. ^ а б «Выбросы аммиака (NH3) - Европейское агентство по окружающей среде». www.eea.europa.eu. Получено 2020-11-15.