เรื่องต่างๆ ของชีววิทยา

ลำดับตอนที่ #2 : ฝนกรด(Acid Rain)

ความเป็นกรด-ด่างของสิ่งต่างๆ วัดกันด้วยค่าพีเอช (pH) ค่า pH มีค่าอยู่ระหว่าง 1-14 ซึ่งขึ้นอยู่กับสมดุลย์ของกรดและด่าง โดยความเป็นกลางมีค่า pH 7 กรดมีค่า pH ต่ำกว่า 7 ส่วนด่างมีค่า pH สูงกว่า 7

ค่า pH มีความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของกรด หรืออีกนัยหนึ่งปริมาณไฮโดรเจนอิออน (H+) ที่มีอยู่ในของเหลว โดยที่ค่า pH ต่ำๆ จะยิ่งมีปริมาณไฮโดรเจนอิออนมากขึ้นเป็นทวีคูณ และตัวเลขของค่า pH แต่ละหนึ่งค่าที่ลดลง จะมีความเป็นกรดหรือปริมาณไฮโดรเจนอิออนเพิ่มขึ้น 10 เท่า กล่าวคือ น้ำฝนที่มีค่า pH 4 มีความเป็นกรดเป็น 10 เท่าของน้ำฝนที่มีค่า pH 5 และมีความเป็นกรดเป็น 100 เท่าของน้ำฝนที่มีค่า pH 6

โดยทั่วไปหยดน้ำฝนที่เกิดจากการควบแน่นในบรรยากาศควรจะมีค่าความเป็นกรด-ด่าง หรือค่า pH ใกล้ ๆ 7 อย่างไรก็ตามก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ที่มีอยู่ตามธรรมชาติในบรรยากาศเมื่อละลายเข้าไปในหยดน้ำฝนกลายเป็นกรดอ่อนคาร์บอนิค หยดน้ำฝนจึงมีค่า pH ต่ำลง น้ำฝนตามธรรมชาติจะมีค่า pH เท่ากับ 5.6 อย่างไรก็ตาม สารกรดที่อยู่ในบรรยากาศ ก็ละลายเข้าไปในหยดน้ำฝนได้เช่นกัน ทำให้เกิดเป็นกรดกำมะถันหรือกรดซัลฟูริค และกรดดินประสิวหรือกรดไนตริคซึ่งเป็นกรดแก่และ จะทำให้ค่า pH ของหยดน้ำฝนมีค่าต่ำลงไปอีก คือ มีความเป็นกรดมากขึ้นกว่าที่เป็นอยู่ตามธรรมชาติ เมื่อตกลงมาในแหล่งน้ำและผืนดิน ก็จะทำให้น้ำและดินมีความเป็นกรดมากขึ้น เกิดผลกระทบเสียหายต่อพืช สัตว์ และระบบนิเวศวิทยา นอกจากนี้ ความเป็นกรดของน้ำฝนยังก่อให้เกิดการสึกกร่อนของวัสดุสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ อีกด้วย

 

แหล่งที่มาของสารกรดในบรรยากาศ

สารมลพิษที่เป็นตัวการทำให้เกิดสารกรดในบรรยากาศ (Acid Precursors) ที่สำคัญๆ มีอยู่ 2 ชนิด ชนิดแรก คือ ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์ ซึ่งรวมถึงก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และก๊าซซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ และชนิดที่สอง คือ ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจนซึ่งรวมถึงก๊าซไนตริคออกไซด์และก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์แหล่งที่มาของสารมลพิษเหล่านี้ มีทั้งที่เป็นแหล่งธรรมชาติ (Natural Sources) และแหล่งมนุษย์สร้าง (Man-made Sources) หรือที่เป็นกิจกรรมของมนุษย์

อนุมูลสำคัญที่นับว่ามีอิทธิพลต่อการลด pH ในน้ำฝน คือ อนุมูลซัลเฟต และไนเตรต ซึ่งมาจากกรดซัลฟูริค และกรดไนตริก โดยมีแหล่งกำเนิดที่สำคัญ มาจากการสันดาปของเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งมักจะมีซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบจำนวนน้อย ขณะสันดาปซัลเฟอร์ในเชื้อเพลิงฟอสซิลจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ กลายเป็นซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ส่วนไนโตรเจนก็จะทำปฏิกิริยากันเองกับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงเกิดเป็นไนตริกออกไซด์ ออกไซด์ของสารทั้งสองชนิดดังกล่าวจะถูกเติมออกซิเจนในบรรยากาศช้า ๆ เกิดเป็นซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ จากนั้นจะถูกดูดซับโดยความชื้นในบรรยากาศเกิดเป็นกรดซัลฟูริคและกรดไนตริค หรือกระบวนการอาจจะเกิดการดูดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และไนโตรเจนไดออกไซด์เข้าไปในเมฆและเกิดการเติมออกซิเจน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นกรดในภายหลังก็ได้ จากนั้นเมื่อละลายในน้ำฝนทำให้ความเป็นกรดในน้ำฝนสูงกว่าปกติ และตกลงมาเป็นฝน

ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์และก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน ส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศจากกิจกรรมของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล ประเภทต่างๆเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและพลังงานมาให้มนุษย์เราใช้อยู่ทุกวันนี้ กิจกรรมดังกล่าวได้แก่ การเผาถ่านหินและน้ำมันเตาในโรงไฟฟ้าและโรงงาน อุตสาหกรรม การเผาขยะ และการเผาน้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล และน้ำมันเจต ในยานพาหนะประเภทต่างๆ เช่น รถยนต์ รถบรรทุก รถโดยสารประจำทาง รถไฟ เรือ และเครื่องบิน เป็นต้น

ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์เกิดจากการรวมตัวของสารกำมะถันในเชื้อเพลิงฟอสซิลกับก๊าซออกซิเจนในอากาศขณะเผาไหม้ โดยปริมาณก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์ที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาและปริมาณสารกำมะถันที่เจือปนอยู่ในเชื้อเพลิงนั้น นอกจากนี้ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์ยังเกิดจากอุตสาหกรรมประเภทต่างๆ ได้แก่ อุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม อุตสาหกรรมผลิตกรดกำมะถัน และอุตสาหกรรมถลุงสินแร่โลหะที่มีสารกำมะถันเจือปนอยู่ เช่น ทองแดง สังกะสี และตะกั่ว เป็นต้น ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจนเกิดขึ้นในระหว่างการเผาเชื้อเพลิงประเภทต่างๆ เช่นเดียวกับก๊าซออกไซด์ของ ซัลเฟอร์ โดยเกิดจากการรวมตัวของก๊าซไนโตรเจนในอากาศและสารไนโตรเจนในเชื้อเพลิงกับก๊าซออกซิเจนในอากาศในระหว่างการเผาไหม้ ยิ่งอุณหภูมิการเผาไหม้สูงๆ และมีปริมาณก๊าซออกซิเจนในการเผาไหม้มากๆ จะยิ่งเกิดก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจนมาก นอกจากนี้ ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจนยังเกิดจากอุตสาหกรรมประเภทต่างๆ ได้แก่ อุตสาหกรรมผลิตกรดดินประสิวและสารประกอบ อุตสาหกรรมผลิตปุ๋ย และอุตสาหกรรมผลิตวัตถุระเบิด เป็นต้น

กลไกการตกสะสมของกรด

ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์และออกไซด์ของไนโตรเจนที่ถูกปล่อยออกจากแหล่งกำเนิดเข้าสู่บรรยากาศ จะถูกเปลี่ยนไปเป็นกรดซัลฟูริคและกรดไนตริคด้วยปฏิกิริยากับออกซิเจนและความชื้นแล้วตกกลับสู่พื้นดิน ในเวลาต่อไปนานเข้าจะเกิดการสะสมของกรดขึ้น การตกสะสมของกรดเกิดได้ 2 ทาง คือ การตกสะสมเปียก และการตกสะสมแห้ง

1.การตกสะสมเปียก (Wet Depostion) เป็นกระบวนการที่กรดซัลฟูริค และ กรดไนตริคในบรรยากาศรวมตัวกับเมฆ และต่อมากลายเป็นฝนตกลงสู่พื้นดิน ที่เรารู้จักกันดีในชื่อ ฝนกรด หรือ ในรูปของหิมะ และหมอกที่มีสภาพเป็นกรด

2.การตกสะสมแห้ง (Dry Depostion) เป็นการตกของกรดในสภาวะที่ไม่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ ได้แก่ การตกของก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน และอนุภาค/ละอองซัลเฟตและไนเตรท กรดที่แขวนลอยในบรรยากาศจะถูกพัดพาไปโดยลมและตกสะสมบนผิวดิน ต้นไม้ สิ่งก่อสร้าง รวมถึงการเข้าสู่ระบบการหายใจของมนุษย์ด้วย

รูปแสดงการเกิดฝนกรด

ผลกระทบของการตกสะสมของฝนกรด

การตกสะสมของกรดจะทำให้ดิน แหล่งน้ำจืด และอื่นๆ มีสภาพความเป็นกรดมากขึ้น ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตต่างๆ เช่น ต้นไม้และปลา ผลกระทบจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของกรดที่ตกสะสม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง กรดอ่อน (ค่า pH สูง) ที่ตกลงมาในปริมาณมากจะก่อให้เกิดผลกระทบสูงกว่ากรดแก่ (ค่า pH ต่ำ) แต่ตกในปริมาณน้อย การประเมินผลกระทบจึงไม่ได้ดูที่ค่า pH อย่างเดียว เราจะต้องพิจารณาปริมาณการตกสะสมของกรดโดยรวมด้วย ผลกระทบจากฝนกรดนั้นขึ้นอยู่กับ ความสามารถในการสะเทินกรดของสภาพแวดล้อมที่ฝนกรดตกลงมา เช่น ถ้าพื้นดินในบริเวณนั้นมีหินปูนปรากฎอยู่มาก ก็จะเกิดปฏิกิริยาสะเทินกรด

1.ผลต่อวัสดุ สารประกอบซัลเฟอร์สามารถกัดกร่อนวัสดุ และสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ได้ และเร่งให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะ

2.ผลกระทบต่อป่าไม้ ฝนกรดอาจจะมีผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งแวดล้อม เช่น กรณีป่าดำ ในประเทศเยอรมันนี ฝนกรดจะเข้าไปทำลายห่วงโซ่อาหารที่สำคัญ คือ พืช ป่าไม้ที่มีความต้านทานกรดต่ำ ทำลายสัตว์ขนาดเล็กในระบบนิเวศน์ ในปัจจุบันมีรายงานว่า ทะเลสาบในภาคตะวันออกของประเทศแคนาดา ประมาณ 150,000 แห่ง มีสภาพเป็นกรดสูงกว่าจนกระทั่ง ปลา ที่อาศัยอยู่เปลี่ยนรูปร่างไป และทะเลสาบอีกราว 14,000 แห่ง มีสภาพเป็นกรดสูงจนปลาอาศัยอยู่ไม่ได้ ทะเลสาบในภาคตะวันออกของสหรัฐอเมริกากว่า 1,000 แห่ง มีสภาพเป็นกรดสูง สิ่งมีชีวิตเล็กๆอาศัยอยู่ไม่ได้

3.ผลกระทบต่อดิน ทำให้ดินขาดความอุดมสมบูรณ์ สารโลหะหนักสามารถละลายในดินได้มากขึ้น เช่น สารแคดเมียม ปรอท ตะกั่ว ทำให้ดินมีความเป็นพิษมากขึ้น

4.ผลกระทบต่อ แหล่งน้ำ มีผลต่อการดำรงชีวิตของปลา สัตว์น้ำ ลดการขยายพันธุ์

5.ผลต่อสุขภาพของมนุษย์

การควบคุมและลดปัญหาฝนกรด

วิธีที่ดีที่สุดเพื่อป้องกันการเกิดฝนกรด คือ การลดอัตราการปล่อยสารมลพิษที่เป็นตัวการ คือ สารประกอบออกไซด์ของซัลเฟอร์ และสารประกอบออกไซด์ของไนโตรเจน สามารถทำได้ดังนี้

1.ประหยัดและใช้พลังงานให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด เพื่อลดปริมาณการผลิตพลังงานโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล

2.ใช้พลังงานที่ไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซัล เช่น พลังงานลม แสงอาทิตย์ เป็นต้น

3.ใช้เชื้อเพลิงที่มีการปนเปื้อนของซัลเฟอร์ต่ำ หรือทำการกำจัดซัลเฟอร์ก่อนที่นำไปเผาไหม้

4.ติดตั้งระบบหัวเผาเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิด NOx ต่ำ (Low – NOx Burner)

5.ติดตั้งระบบบำบัด SOx และ NOx