12年生
大気・水・土壌の汚染
汚染物質は大気・水・土壌の間を移動し、反応・蓄積して生物に害を及ぼすことがあります。発生源と影響、排煙脱硫や自動車触媒による化学的制御を学びます。
直観汚染は三つの環境をつなぐ
大気に放出された汚染物質は雨に溶け、土壌に沈着し、河川へ流れ、生物に蓄積することがあります。拡散後の処理より、放出を防ぐ方が効果的な場合が多いです。
学校学校レベル：汚染物質とその変化
定義: 一次汚染物質と二次汚染物質
一次汚染物質は SO₂ や CO のように直接放出されます。二次汚染物質は、排出物と環境中の成分との反応で生じ、地表オゾンや硫酸塩エアロゾルが例です。
| 汚染物質 | 発生源と主な影響 |
|---|---|
| SO₂・NOₓ | 含硫燃料の燃焼、高温のエンジン・炉；酸性沈着や呼吸器刺激を引き起こす |
| CO・粒子状物質（PM₂.₅/PM₁₀） | 不完全燃焼・すす・道路粉じん；CO は酸素運搬を妨げ、微小粒子は肺の奥まで入る |
| VOC・重金属（Pb、Hg、Cd、As） | 揮発・燃焼、採鉱・冶金・廃棄物；一部の VOC は光化学スモッグを生じ、金属は有毒で残留しうる |
| 栄養塩・農薬 | 肥料・排水から窒素とリンが流入し富栄養化を招く；残留性農薬は生物濃縮することがある |
燃料中の硫黄は燃焼して SO₂ になります。大気中で酸化・水和されると硫酸や硫酸塩粒子が生じ、窒素酸化物から硝酸が生じることもあります。酸は雨水や土壌の pH を下げ、栄養イオンを流出させたり有害なアルミニウムを溶出させたりします。
硫黄型スモッグは冷たく湿った空気中の SO₂ や粒子と関係します。光化学スモッグは日光下で NOₓ と VOC からオゾンなどの酸化性物質が生じて形成されます。対流圏オゾンは有害ですが、成層圏オゾンは生物を保護します。
硝酸塩やリン酸塩の流入は富栄養化を招きます。藻類が増殖し、その後の分解で溶存酸素が消費され、酸素不足により魚が死ぬことがあります。原因は過剰な肥料だけでなく、排水や水流の変化も含みます。
例: 二酸化硫黄の除去
排煙脱硫に石灰石を使います。6.40 kg の SO₂ を捕集するのに必要な純 CaCO₃ の化学量論量を求めます。モル質量は SO₂ が 64.1、CaCO₃ が 100.1 g mol⁻¹ です。
解答
正味反応は CaCO₃ + SO₂ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O + CO₂ で、モル比は 1:1 です。n(SO₂)=6400/64.1=99.8 mol より、n(CaCO₃)=99.8 mol、m≈9.99 kg です。実設備では反応剤を過剰にし、接触不完全も考慮します。
白金・パラジウムとロジウムを含む三元触媒は、理論空燃比付近で CO と未燃炭化水素を酸化し、NOₓ を還元します。ディーゼルではアンモニアによる選択触媒還元を用いる場合があります。
例: 雨水の酸性度を比べる
大気中の CO₂ と平衡にある清浄な雨の典型値 pH 5.6 と比べ、pH 4.0 の [H⁺] は何倍ですか。
解答
[H⁺]=10⁻ᵖᴴ mol L⁻¹ なので、比は 10^(5.6−4.0)=10^1.6≈40 です。清浄な雨も CO₂ が溶けて炭酸を生じるため弱酸性であり、酸性沈着は主に硫酸と硝酸によってさらに酸性になります。
大学大学への展望：排出・輸送・制御
よく混合された箱の簡単な収支式は dC/dt = E/V − kC − Qout C/V + Qin Cin/V です。排出 E、体積 V、化学反応や沈着による除去 k、換気を表します。拡散図は空間的な広がりと除去の競合を示します。
環境制御では発生源削減・捕集・変換を組み合わせます。石灰石による排煙脱硫は SO₂ を固体硫酸塩へ移します。触媒装置は有害ガスをより害の少ない生成物へ変えますが、排出をすべてなくすものではなく、保守も必要です。
参考文献
- Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change · John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis, 2016
- Air Quality Guidelines: Global Update 2005 · World Health Organization, 2006