Poluanti atmosferici - Poluarea cu monoxid de de carbon CO

Poluanti atmosferici

Poluarea cu monoxid de de carbon CO

1.Caracteristici generale

La temperatura mediului ambiental, monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor, insipid, de origine atat naturala cat si antropica. Monoxidul de carbon se formeaza in principal prin arderea incompleta a combustibililor fosili.

Surse naturale: arderea padurilor, emisiile vulcanice si descarcarile electrice.

Surse antropice: se formeaza in principal prin arderea incompleta a combustibililor fosili.

Alte surse antropice: producerea otelului si a fontei, rafinarea petrolului, traficul rutier , aerian si feroviar.
Monoxidul de carbon se poate acumula la un nivel periculos in special in perioada de calm atmosferic din timpul iernii si primaverii (acesta fiind mult mai stabil din punct de vedere chimic la temperaturi scazute), cand arderea combustibililor fosili atinge un maxim.
Monoxidul de carbon produs din surse naturale este foarte repede dispersat pe o suprafata intinsa, nepunand in pericol sanatatea umana.

Efecte asupra sanatatii populatiei

Este un gaz toxic, in concentratii mari fiind letal (la concentratii de aproximativ 100 mg/m3) prin reducerea capacitatii de transport a oxigenului in sange, cu consecinte asupra sistemului respirator si a sistemului cardiovascular.
La concentratii relativ scazute:
- afecteza sistemul nervos central;
- slabeste pulsul inimii, micsorand astfel volumul de sange distribuit in organism;
- reduce acuitatea vizuala si capacitatea fizica;
- expunerea pe o perioada scurta poate cauza oboseala acuta;
- poate cauza dificultati respiratorii si dureri in piept persoanelor cu boli cardiovasculare;
- determina iritabilitate, migrene, respiratie rapida, lipsa de coordonare, greata, ameteala, confuzie, reduce capacitatea de concentrare.
Segmentul de populatie cea mai afectata de expunerea la monoxid de carbon o reprezinta: copiii, varstnicii, persoanele cu boli respiratorii si cardiovasculare, persoanele anemice, fumatorii.

Efecte asupra plantelor

La concentratii monitorizate in mod obisnuit in atmosfera nu are efecte asupra plantelor, animalelor sau mediului.

2. Metode de masurare:

Metoda de referinta pentru masurarea monoxidului de carbon este metoda spectrometrica in infrarosu nedispersiv (NDIR): ISO 4224

Valoarea minima pentru protectia sanatatii umane este de 10ug/m³.

3. Masuri de combatere a poluarii cu monoxidul de carbon

Principala masura care trebuie luata in privinta eliminarii emisiilor de monoxid de carbon se refera la folosirea benzinei fara plumb, iar pentru autovehiculele care folosesc benzina cu plumb utilarea acestora cu un echipament special, instalat pe conducta de esapament. Acest echipament consta dintr-un catalizator si o sonda lambda. Prin folosirea acestui echipament se poate ajunge la o reducere a nocivitatii gazelor eliminate (CO si NOx) de pana la 90%. Motoarele care sunt construite pentru utilizarea benzinei fara plumb nu necesita astfel de echipament.

Drept substante catalizatoare se folosesc oxizii metalici, hidroxizii, pulberile metalice, clorurile etc., iar echipamentul consta dintr-un cilindru de ceramica, cu multe canale, a caror suprafata este acoperita cu circa 2 g de platina, ca substanta catalitica.

Sonda lambda are ca scop obtinerea unui amestec eficient intre aer si benzina fara plumb pentru asigurarea unei reactii eficiente intre oxigenul din aer si gazul de esapament.

In cazul in care monoxidul de carbon rezulta din diverse procese industriale, emisiile pot fi stopate printr-un control atent al arderii, iar in unele cazuri trebuie introduse echipamente de depoluare.

Epurarea gazelor cu continut de CO se bazeaza pe reactia acestuia cu vaporii de apa in prezenta unui catalizator pe baza de fier.

CO + H₂O → CO + H

Pentru un continut scazut de CO din gazele reziduale (< 2%) eficacitate mai mare o are procesul de metanizare:

CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O

Cel mai frecvent, in cazul epurarii gazelor reziduale cu continut de CO nu se pune problema utilizarii acestuia, ci a indepartarii cu o eficacitate cat mai mare.

Purificarea gazelor prelucrate decurge in prezenta unui numar mare de tipuri de catalizatori. Unele tipuri de catalizatori pot fi folositi pentru arderea oxidanta a CO si a hidrocarburilor pana la dioxid de carbon si apa, iar altele in procesul de reducere a oxizilor de azot cu ajutorul monoxidului de carbon:

2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂

Oxidarea CO si a hidrocarburilor se realizeaza in strat catalitic (Pt, Pd, NiO, CuO,Co3O4). Activarea oxigenului adsorbit la suprafata catalizatorului constituie etapa limitativa in procesul de oxidare a CO. La adsorbtia oxigenului pe suprafata catalizatorului rezulta diverse forme de oxigen legat superficial.

Poluarea cu dioxid de sulf SO₂

1.Caracteristici generale

Dioxidul de sulf este un gaz incolor, amarui, neinflamabil, cu un miros patrunzator care irita ochii si caile respiratorii.

Surse naturale: eruptiile vulcanice, fitoplanctonul marin, fermentatia bacteriana in zonele mlastinoase, oxidarea gazului cu continut de sulf rezultat din descompunerea biomasei.

Surse antropice (datorate activitatilor umane): sistemele de incalzire a populatiei care nu utilizeaza gaz metan, centralele termoelectrice, procesele industriale (siderurgie, rafinarie, producerea acidului sulfuric), industria celulozei si hartiei si, in masura mai mica, emisiile provenite de la motoarele diesel.

Efecte asupra sanatatii populatiei

In functie de concentratie si perioada de expunere dioxidul de sulf are diferite efecte asupra sanatatii umane.
Expunerea la o concentratie mare de dioxid de sulf, pe o perioada scurta de timp, poate provoca dificultati respiratorii severe. Sunt afectate in special persoanele cu astm, copiii, varstnicii si persoanele cu boli cronice ale cailor respiratorii.
Expunerea la o concentratie redusa de dioxid de sulf, pe termen lung poate avea ca efect infectii ale tractului respirator.
Dioxidul de sulf poate potenta efectele periculoase ale ozonului.

Efecte asupra plantelor

Dioxidul de sulf afecteaza vizibil multe specii de plante, efectul negativ asupra structurii si tesuturilor acestora fiind sesizabil cu ochiul liber.
Unele dintre cele mai sensibile plante sunt: pinul, legumele , ghindele rosii si negre, frasinul alb , lucerna , murele.

Efecte asupra mediului

In atmosfera, contribuie la acidifierea precipitatiilor, cu efecte toxice asupra vegetatiei si solului.
Cresterea concentratiei de dioxid de sulf accelereaza coroziunea metalelor, din cauza formarii acizilor.
Oxizii de sulf pot eroda: piatra , zidaria, vopselurile , fibrele, hartia , pielea si componentele electrice.

2. Metode de masurare

Metoda de referinta pentru analiza dioxidului de sulf este cea prevazuta in ISO/FDIS 10498 (proiect de standard) 'Aer inconjurator - determinarea dioxidului de sulf' - metoda fluorescentei in ultraviolet.

Mecanismul de formare a acizilor in atmosfera

3. Metode de reducere a emisiilor de SO₂

Pentru reducerea emisiilor de dioxid de sulf la centralele termoelectrice cu carbuni se folosesc scruberele sau se inlocuiesc carbunii cu continut mare de sulf, iar uneori prin metode cunoscute se realizeaza spalarea sulfului.

In cazul proceselor de obtinere a acidului sulfuric prin oxidarea catalitica a dioxidului de sulf la trioxidul de sulf, epurarea gazelor reziduale de dioxid de sulf se efectueaza prin absorbtia acestuia in solutii alcaline sau alcalii solide cu formarea acidului sulfuric, sulfului, sulfatului de amoniu sau a altor compusi. In aceste cazuri se utilizeaza varul sau slamuri de oxizi de calciu sau magneziu.

CaO + SO₂ + 1/2O₂ → CaSO₄

MgO + SO₂ + 1/2O₂ → MgSO₄

Uneori absorbtia dioxidului de sulf se realizeaza in solutie apoasa de amoniac, dupa care are loc oxidarea ulterioara a acestuia utilizandu-se carbunele activ drept catalizator obtinandu-se in final acid sulfuric diluat (15%).

Pentru retinerea dioxidului de sulf se pot utiliza carbonati ai metalelor alcaline. Reactiile care au loc sunt:

SO₂ + M₂CO₃ → M₂SO₃ + CO₂

M₂SO₃ + 1/2O₂ → M₂SO₄

Sulfatii si sulfitii formati sunt redusi cu carbune activ pana la sulfuri. Acest proces de reducere are loc la 1070K, iar sulfurile metalice formate se regenereaza cu ajutorul dioxidului de carbon si a vaporilor de apa:

M₂S + CO₂ + H₂O → M₂CO₃ + H₂S

Hidrogenul sulfurat se oxideaza pana la sulf elementar (procedeul Claus):

H₂S + 1/2O₂ → S + H₂O

Metoda de oxidare catalitica in faza lichida a dioxidului de sulf pentru obtinerea acidului sulfuric, la temperaturi ridicate, decurge cu emisii foarte scazute de dioxid de sulf in atmosfera. Gradul de captare a dioxidului de sulf in acest procedeu este aproape 100% si are loc atat epurarea gazelor sarace in dioxid de sulf (0,1-1% SO2), provenite de la centralele termice si intreprinderile siderurgice, cat si a celor bogate in dioxid de sulf (cu un continut de SO2 pana la 100%).

Reducerea efectelor negative ale ploilor acide este dificila si costisitoare. In unele tari cum ar fi Suedia de exemplu, pentru reducerea aciditatii pentru un numar mai mare de 3000 de lacuri, s-a recurs la alcalinizarea apei, folosindu-se in acest scop varul care, dealtfel, a fost utilizat si in cazul solurilor poluate cu depuneri acide.

Poluarea cu dioxid de carbon CO₂

1.Caracteristici generale

Principalii produsi ai proceselor de combustie sunt oxizii de carbon, proportia cea mai mare reprezentand-o dioxidul de carbon. Randamentul de ardere a unui combustibil este cu atat mai mare cu cat continutul de dioxid de carbon este mai mare fata de monoxidul de carbon.

Dioxidul de carbon este produsul arderii complete a combustibililor fosili si se degaja in cantitati proportionale cu acestia ceea ce inseamna o crestere de 1,5 ppm a concentratiei dioxidului de carbon atmosferic pe an [Smith, 1990]. In perioada preindustriala continutul mediu de dioxid de carbon din atmosfera era de 290 ppm. Consumul crescand de combustibili a avut drept efect cresterea concentratiei medie a dioxidului de carbon la inceputul anilor '90 la valoarea de 350 ppm. Se estimeaza o concentratie de 500 ppm dioxid de carbon pentru anul 2050.

Cantitatea de dioxid de carbon pusa anual in libertate la nivel mondial are o valoare de 20 ori mai mare decat celelalte impuritati solide si gazoase puse anual in libertate din activitatile antropice. Cu toate acestea nu reprezinta un pericol direct asupra organismului uman datorita nivelului ridicat al concentratiei minime toxice (3-4%).

Acumularea dioxidului de carbon in atmosfera impreuna cu alti compusi are drept urmare modificarea regimului de transfer al caldurii de la nivelul solului in atmosfera si favorizeaza efectul de sera.

Dioxidul de carbon, vaporii de apa, clorofluorocarburile, metanul si alte gaze sunt 'transparente' pentru radiatiile din domeniul vizibil si infrarosu de lungimi de unda mici, dar absorb si reflecta o parte mare din radiatiile infrarosii de lungimi de unda mari. Energia solara ajunge mai ales sub forma de radiatii de lungimi de unda mici si este reflectata de

atmosfera in proportie de 25%. Atmosfera absoarbe 25%, iar suprafata terestra 45% din energia solara (din care 5% este transmisa in atmosfera prin conductie si convectie si 24% consumata in procesele de evaporare a apei de suprafata) iar 5% este reflectata

Prin efectul de sera atmosfera radiaza cantitati mari de energie sub forma de radiatii cu lungimi mari de unda spre Pamant astfel incat valoarea reala a acestei energii este de 88% (aproape dublu fata de cat primeste direct de la soare (45%)). Se produce o incalzire a scoartei terestre care in schimb emite energie sub forma de radiatii de lungimi mari de unda in proportie de 104% fata de cea primita initial. Atmosfera radiaza in spatiu in proportie de 66% energie sub forma de radiatii de lungimi mari de unda

Principalul gaz care produce efectul de sera datorita concentratiei sale mari in atmosfera este dioxidul de carbon. Gazele (CH , N O, CCl , CFCl (freon 11), CF Cl (freon 12), O , CH Cl participa la formarea efectului de sera intr-o proportie mai mica (figura 43).

Influenta vaporilor de apa este aproape constanta deoarece la acumularea unor cantitati suplimentare de apa are loc condensarea excesului sub forma de precipitatii. Efectul produs de aceste din urma gaze este aproximativ acelasi cu cel produs de dioxidul de carbon chiar daca concentratiile lor sunt mai mici datorita cantitatii de radiatie infrarosie mai mare pe care o absorb.

Cresterea continua a concentratiilor gazelor absorbante de radiatii infrarosii in atmosfera poate crea dupa parerea specialistilor o crestere a temperaturii medii a atmosferei cu peste 2°C in 100 ani. Acest fapt poate duce la modificari substantiale ale climei: reducerea severa a umiditatii solului, deplasarea zonelor ploioase spre nord, topirea zapezilor si a ghetarilor, extinderea zonelor aride. Variatia temperaturii medii a atmosferei terestre indica o crestere continua in ultimii 10 ani.

2. Metode de reducere a emisiilor de CO₂

Reducerea emisiilor de gaze care au efect de sera este extrem de dificila si trebuie sa se realizeze la nivel global. Daca pentru un stat dezvoltat inlocuirea unei tehnologii poluante cu alta mai putin poluanta este uneori numai o problema de timp, pentru cele slab dezvoltate sau in curs de dezvoltare acest lucru este aproape imposibil. Astfel in SUA se emite anual o cantitate de 5t dioxid de carbon pentru fiecare locuitor in timp ce in China 0,4t dioxid de carbon. Dezvoltarea economica a statelor slab sarace va impune cresterea

emisiilor de dioxid de carbon astfel ca pentru atingerea unui produs national brut pe locuitor de numai 15% din cel al SUA in China ar trebui sa se consume o cantitate de combustibili fosili egala cu cea din SUA. In concluzie atata timp cat populatia este in continua crestere, cat se incearca reducerea emisiilor numai la nivel local, iar statele dezvoltate nu iau in considerare imbunatatirea si inlocuirea tehnologiilor si in tarile sarace nu se va putea elimina riscul schimbarilor climatice. CO recuperat, eventual, din gazele de ardere ar putea fi folosit la sinteza unor materii prime secundare ca formaldehida si metanolul:

2H₂ + CO₂ → CH₂O + H₂O

5/2H₂ + CO₂ = CH₃OH + H₂O

Oxizi de azot NOx (NO / NO2)

1.Caracteristici generale

Oxizii de azot sunt un grup de gaze foarte reactive, care contin azot si oxigen in cantitati variabile. Majoritatea oxizilor de azot sunt gaze fara culoare sau miros.

Principalii oxizi de azot sunt:
- monoxidul de azot (NO) care este un gaz este incolor si inodor;
- dioxidul de azot (NO2) care este un gaz de culoare brun-roscat cu un miros puternic, inecacios.
Dioxidul de azot in combinatie cu particule din aer poate forma un strat brun-roscat.
In prezenta luminii solare, oxizii de azot pot reactiona si cu hidrocarburile formand oxidanti fotochimici.
Oxizii de azot sunt responsabili pentru ploile acide care afecteaza atat suprafata terestra cat si ecosistemul acvatic.

Surse antropice: oxizii de azot se formeaza in procesul de combustie atunci cand combustibilii sunt arsi la temperaturi inalte, dar cel mai adesea ei sunt rezultatul traficului rutier, activitatilor industriale, producerii energiei electrice. Oxizii de azot sunt responsabili pentru formarea smogului, a ploilor acide, deteriorarea calitatii apei, efectului de sera, reducerea vizibilitatii in zonele urbane .

Efecte asupra sanatatii populatiei

Dioxidul de azot este cunoscut ca fiind un gaz foarte toxic atat pentru oameni cat si pentru animale (gradul de toxicitate al dioxidului de azot este de 4 ori mai mare decat cel al monoxidului de azot). Expunerea la concentratii ridicate poate fi fatala, iar la concentratii reduse afecteaza tesutul pulmonar.
Populatia expusa la acest tip de poluanti poate avea dificultati respiratorii, iritatii ale cailor respiratorii, disfunctii ale plamanilor. Expunerea pe termen lung la o concentratie redusa poate distruge tesuturile pulmonare ducand la emfizem pulmonar.
Persoanele cele mai afectate de expunerea la acest poluant sunt copiii.

Pragul olfactiv uman este de 0,12 ppm ceea ce corespunde limitei de concentratie suportata de om pe durata indelungata

Efecte asupra plantelor si animalelor

Expunerea la acest poluant produce vatamarea serioasa a vegetatiei prin albirea sau moartea tesuturilor plantelor, reducerea ritmului de crestere a acestora.
Expunerea la oxizii de azot poate provoca boli pulmonare animalelor, care seamana cu emfizemul pulmonal, iar expunerea la dioxidul de azot poate reduce imunitatea animalelor provocand boli precum pneumonia si gripa.

Alte efecte

Oxizii de azot contribuie la formarea ploilor acide si favorizeaza acumularea nitratilor la nivelul solului care pot provoca alterarea echilibrului ecologic ambiental.
De asemenea, poate provoca deteriorarea tesaturilor si decolorarea vopselurilor, degradarea metalelor.

2. Metode de masurare

Metoda de referinta pentru analiza dioxidului de azot si a oxizilor de azot este cea prevazuta in ISO 7996/1985 'Aer inconjurator - determinarea concentratiei massive de oxizi de azot' - metoda prin chemiluminiscenta.

3. Metode de reducere a emisiilor

Masurile de eliminare si reducere a poluarii cu oxizi de azot sunt diferite in functie de natura sursei.

Astfel in cazul in care oxizii de azot provin de la autovehicule reducerea emisiilor se realizeaza in mod similar cu cele de monoxid de carbon, respectiv cu ajutorul catalizatorilor. La autovehiculele de tip nou care folosesc benzina fara plumb reducerea de 90% este obtinuta automat prin constructia de motoare corespunzatoare.

In cazul surselor stationare numai reducerea cantitatii de carburanti folositi, modificarea unor procese tehnologice industriale ar putea rezolva partial micsorarea poluarii cu oxizi de azot.

Epurarea gazelor de oxizii de azot poate fi eficient realizata prin intermediul carbunelui activ. Oxizii de azot pot fi transformati prin reducere catalitica in azot molecular, gaz ce nu are actiune toxica. Drept catalizatori se folosesc aliajele metalelor din grupa platinei (Pd, Ru, Pt, Rn), iar ca reducatori se utilizeaza metanul, hidrogenul, monoxidul de carbon, amoniacul, etc. De asemenea, oxizii de azot pot fi indepartati prin reactie cu compusi bazici in faza lichida (absorbtie).

Smogul fotochimic

1.Caracteristici generale

Sub denumirea de smog sunt cunoscute (in limba engleza smoke = fum, fog = ceata) fenomenele atmosferice de suprapunere a poluarii cu fum si gaze nocive peste ceata.

Prin efectul combinat al acestora apare un sinergism care determina o nocivitate extrem de mare a diferitelor gaze toxice (in special a SO2 si NO2) aflate chiar in concentratii sub limita maxima admisa.

Smogul este un fenomen destul de frecvent in orasele cu circulatie intensa si cu industrie puternica, in care, datorita particularitatilor geografice si climaterice exista conditii pentru formarea cetii, a calmului atmosferic si a inversiei termice.

Cele mai vestite pentru formarea smogului sunt metropolele: Los Angeles, Londra, New York, New Orleans si Minneapolis unde in decursul ultimilor 50 de ani s-au semnalat reale catastrofe de poluare din cauza smogului format.

2. Mecanismul producerii smogului fotochimic

Cei mai importanti compusi nocivi identificati in smog sunt oxidanti puternici ca: ozonul, peroxizii organici (peroxid de acetil), nitriti si nitroperoxizi (nitrit si nitrat de peroxiacetil), peroxizi anorganici (peroxid de hidrogen), radicali liberi etc.

Cercetarile efectuate pentru stabilirea proprietatilor smogului oxidant au relevat cresterea concentratiei agentilor oxidanti spre amiaza cand radiatiile solare sunt puternice si scaderea concentratiei dupa apusul soarelui. De asemenea formarea smogului este favorizata de cantitati mari de hidrocarburi si oxizi de azot din atmosfera, intensitatea radiatiilor de unde scurte, stabilitatea termica a aerului (inversiunile termice), viteza redusa a vantului etc. S-a stabilit existenta influentei intensitatii traficului rutier asupra aparitiei smogului.

In perioada verii, in SUA, concentratia de fond a ozonului este de aproximativ 0,04 ppm. Aceasta valoare de fond a concentratiei ozonului provine in principal din patru surse: aparitiei nedorite a aerului stratosferic bogat in ozon, producerii in situ a ozonului in prezenta hidrocarburilor, emisiei de compusi organici volatili din fotooxidarea naturala a vegetatiei si transportul pe zone intinse a ozonului format din fotooxidarea compusilor organici antropogenici si a emisiilor de oxizi de azot. Mecanismele de transport a aerului bogat in ozon din stratosfera in zonele de joasa inaltime ale troposferei sunt numeroase, cel mai important se pare a fi asociat cu transportul turbionar care are loc in zonele superioare ale aerului de presiune mica asociat cu curentii de aer. Acesta este un mecanism intermitent astfel incat contributia ozonului stratosferic la cresterea concetratiei ozonului de suprafata va avea variatii temporale considerabile. In unele situatii acest mecanism a condus la valori ale concentratiei ozonului care depasesc valoarea de fond de 0,12 ppm.

Efectele smogului fotochimic asupra organismului uman

Expunerea la acest poluant duce la efecte:

- acute: uscaciune a mucoaselor gurii, nasului, modificari ale acuitatii vizuale, cefalee pana la congestie pulmonara, edem si moarte. La concentratii de 0,02-0,05 ppm ozonul este sesizat olfactiv, la 0,1-1 ppm creaza tulburari de vedere, modificari ale functiei pulmonare, iar la 0,8-1,7 ppm apar congestiile pulmonare.

- cronice: leziuni cronice pulmonare (bronsita, pneumonii), aparitia si dezvoltarea tumorilor pulmonare.

Efectele smogului asupra plantelor

Efectele negative ale smogului asupra plantelor sunt numeroase si se datoreaza oxidantilor. Astfel, PAN prezinta toxicitate fata de plante atacand frunzele tinere si cauzand arsuri si inegriri ale acestora. Oxizii de azot chiar la concentratii mari au toxicitate scazuta fata de plante.

3 Masuri de combatere a formarii smogului fotochimic

Un control riguros al substantelor de baza ale formarii smogului contribuie la buna protejare a mediului. Pentru aceasta s-a realizat constructia de autovehicule cu motoare ale caror emisii nocive (NOx, CO, CnHm) sunt extrem de reduse.

In privinta emisiilor rezultate din sursele stationare mari, cum ar fi de exemplu cele provenite de la fabricile chimice, rafinarii de petrol, controlul acestora este mai usor. Dificil este controlul surselor stationare mici unde procesul este de multe ori intermitent, sezonier si dependent de materia prima.