Légszennyezés. Légkör kialakulása. Őslégkör. Csekély gravitáció. Gázok elszöktek Föld légkör nélkül maradt

Átírás

1 BME -Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék Légszennyezés VÁROSI KÖRNYEZETVÉDELEM 2012 Horváth Adrienn Légkör kialakulása Őslégkör Hidrogén + Hélium Csekély gravitáció Gázok elszöktek Föld légkör nélkül maradt Felszín hűlése Földkéreg szilárdulása Feltörő gázok Második Őslégkör Összetétele: 80% vízgőz 17% CO 2 NH 3 és CH x 1

2 Légkör kialakulása 4-4,5 milliárd évvel ezelőtt a felszín hőmérséklete 100 C alá hűlt Vízgőz kondenzálódott Óceánok, tengerek kialakulása 3,2-3,5 milliárd éve megjelent a földi élet Növények kivonják a légkörből a CO 2 -ot és O 2 -t bocsájtanak ki Ózonréteg kialakulása, O 2 tartalom növekedése 1 milliárd éve 21%-on megállt és állandósult Légkör összetétele Alkotó Nitrogén (N 2 ) Arány 78 V% Oxigén (O 2 ) 21 V% Argon (Ar) 0,9 V% Állandó alkotók CO 2 CH 4 H 2 SO 2 NO x NH 3 0,1 V% Változó alkotók Erősen változó alkotók 2

3 Légszennyezés Ókor, középkor Háztartási hulladékok rothadási gázai Kovácsok, üvegfúvók, mészégetők, stb. szennyező anyagai Újkor Ipari eredetű szennyezőanyagok (vegyszerek, gázok, porok) Közlekedés (gázok, porok) A szennyezőanyagok mennyisége és összetétele is jelentősen megváltozott! Szennyezőanyagok Antropogén eredetű szennyezők Elsődleges szennyezők CO 2, CO NO x, NO, NO 2 SO 2 illékony szerves vegyületek (illékony szénhidrogének) nehézfémek: Hg, Cd, Pb, Cu, Zn por, korom azbeszt (kőzetgyapot ásványi szálak) 3

4 Szennyezőanyagok Antropogén eredetű szennyezők Másodlagos szennyezők ózon peroxi-acetilnitrát aldehidek formaldehid, acetaldehid Természetes eredetű szennyezők pollenek N 2 O (dinitrogén-oxid) NH 3 (ammónia) CH 4 (metán) atka ürülék radon (belső terekben) Levegő állapotát meghatározó jellemzők Emisszió Transzmisszió Immisszió 4

5 Emissziók Forrástípus szerint Pontforrás pl. gyárak, kémény Vonal menti pl. autópálya Területileg megoszló pl. iparterület Emissziók Fosszilis tüzelőanyagok elégetésével 7 fő területről jutnak szennyezőanyagok a légkörbe: Mező, erdő és vízgazdálkodás Ipar Hőközpontok gázok, égéstermékek Erőművek Közlekedés közúti járművek, dízel mozdony, repülőgép Szolgáltatás Lakosság Fűtés, melegvíz, hulladék 5

6 Közlekedési emissziók Legnagyobb környezetterhelés Szennyezőanyagok: SO 2 (kén-dioxid) NO x (nitrogén-oxidok) CO és CO 2 (szén-monoxid és szén-dioxid) CH-ek (szénhidrogének) Pb (ólom) O 3 (ózon) Gumi Bitumen Por Korom CO (szén-monoxid) Színtelen, szagtalan, íztelen gáz Mennyiségét tekintve a legtöbb szennyező anyag a troposzférában Kialakulása: Szén és széntartalmú anyagok tökéletlen égése Izzó szén és CO 2 reakciója (CO 2 + C = 2CO) CO 2 disszociációja (CO 2 CO + O) Forrásai: természetes és antropogén kibocsátás Természetes Képződés sebessége Távozás sebessége Antropogén Képződés sebessége > Távozás sebessége 6

7 Természetes eredetű CO (szén-monoxid) Termeszétes forrás Mocsarak, rizsföldek, óceánok víztestben lebomló szerves anyagokból, klorofil bomlása Legnagyobb része közvetett formában a metán oxidációjából származik Szerves anyag Anaerob körülmény Biológiai bomlás Metán Atmoszférában található hidroxil-ionok CO Antropogén eredetű CO (szén-monoxid) Közlekedés belső égésű és reaktív motorok ( a teljes CO kibocsátás 2/3-a) Ipar kőolaj, vaskohászat, hulladékkezelés (kb. 10%) Mezőgazdaság égetés, erdőtüzek (kb. 10%) Erőművek fosszilis tüzelőanyag használata (kb. 1%) 7

8 CO koncentrációjának alakulása a nap során CO órás adatsora Országos Légszennyezettségi Mérőhálózat (OLM) ( CO kibocsátás csökkentési lehetőségei Szükségessége az emberi szervezetben a vér oxihemoglobinjából az oxigént kiszorítja, ezáltal csökken a szövetekhez szállított oxigén Közlekedés Tüzelőanyag levegővel való tökéletes elegyítése Füstgázok lassú lehűtése gépkocsiknál nem lehetséges Gyors oxidálás CO 2 -dá Tüzelőberendezések A tüzelőanyag szemcseméretének, szerkezetének, levegővel való elegyítésének és a tartózkodási idő szabályozásával 8

9 CO 2 (szén-dioxid) Színtelen, szagtalan gáz Legjelentősebb forrásai: égés és légzési folyamatok C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O Legnagyobb fogyasztója a fotoszintézis Hatásai: üvegházhatású gáz nagyobb koncentrációban mérgező Utóbbi évszázad során vált szennyezőanyaggá, az emberi tevékenység által, a keletkezés sebessége meghaladja a természetes kivonás sebességét XIX. sz.: 290 ppm, 2000: 390 ppm, aug.: 397 ppm NO x (nitrogén-oxidok) NO NO 2 N 2 O NO x NO toxikus (mérgező), NO 2 -erősen toxikus NO, NO 2 savas eső, fotokémiai szmog és az ózonréteg csökkenésében játszik szerepet N 2 O (kéjgáz) -rendkívül stabil, nem toxikus A troposzférikusózon koncentrációja a levegőben lévő NO 2 /NO aránytól függ minden olyan anyag ami gyorsítja a NO 2 NO átalakulását, az ózon koncentrációját növeli 9

10 NO x -ok forrásai Természetes eredetű (80%) Villámlás Talajba jutó elhalt szervezetek N-tartalmának átalakulása Vizekben oxigénhiányos környezetben mikrobiológiai folyamatok során Emberi tevékenységből (20%) Közlekedés benzin és dízel motorok Energiatermelés fosszilis tüzelőanyag égetése Trágyázás NO x kibocsátás csökkentési lehetőségei Tüzelőanyag váltás Nitrogénben szegényebb tüzelőanyag Levegő N-tartalma miatt nem lehet kiküszöbölni! Égési folyamatok befolyásolása Égési hőmérséklet / felmelegedési sebesség csökkentése Füstgáz visszavezetés (recirkuláció) Hűtés (pl. víz beffecskendezéssel) Füstgáz tisztítása Abszorpció Redukció (metán, ammónia felhasználásával) 10

11 SO 2 (kén-dioxid) Színtelen, irritáló szagú gáz, vízben jól oldódik Természetes háttér-koncentrációja: 1 ppb Képződése: Kéntartalmú anyagok égésekor Elemi kén égése Hatásai: Emberre: krónikus hatású felső légutak irritációja Molekuláris oxigénnel vagy fotokémiai oxidáció során kénsavvá (H 2 SO 4 ) alakul; városi levegőben szulfát aeroszol képződik (kén-dioxidból létrejövő kénsav részecskék) Savas eső SO 2 forrásai Természetes (30-40%) Vulkáni tevékenység Biológiai folyamatokból származó egyéb kénvegyületek (pl. H 2 S, (CH 3 ) 2 S dimetil-szulfid) a légkörben gyorsan SO 2 -dá oxidálódnak Mesterséges (60-70%) Fosszilis tüzelőanyag égetése Színesfém kohászat iparilag fontos fémek, (pl. Cu, Zn, Cd, Pb) gyakran szulfidos ércként fordulnak elő közvetlenül nem kohósíthatók, oxidálni kell 11

12 SO 2 csökkentése Tüzelőanyag kéntartalmának csökkentése Széntüzelésű erőműveket gáz-vagy olajtüzelésűre váltani Füstgáz tisztítása meszes-mészköves CaCO 3 + SO 2 CaSO 3 + CO 2 CaSO 4 2H 2 O (gipsz) A legkönnyebben eltávolítható légszennyező Probléma: különböző formában megjelenő (elemi kén, kénsav, gipsz) eltávolított kén kezelése Ózon képződése a troposzférában Szúrós szagú, nagyon reakcióképes, irritatív, instabil gáz Troposzférikus ózon koncentrációja nyáron a déli órákban a legnagyobb (éjszaka nem képződik) NO 2 + energia = NO + O O + O 2 + M = O 3 + M* O 3 + NO = NO 2 + O 2 A városi levegőben azonban NO 2 / NO nem 10 : 1 (egyensúlyi ózonkoncentráció esetén), hanem 1 : 10 => tisztán a NO 2 ciklus nem képes olyan mennyiségű ózont termelni, mint amilyen koncentráció a városi levegőt jellemzi Élettartama tiszta időben: nap Szennyezett levegőben: néhány óra 12

13 Szénhidrogének Osztályozás: Alifás (pl. propán-bután gáz, paraffinok) vagy aromás (pl. naftalin) Szénatomok között egyszeres (telített) vagy többszörös (telítetlen) kötés A telítetlenek kémiai szempontból aktívabbak Szénhidrogének természetes forrásai Legnagyobb mennyiségben: Metán szerves vegyületek anaerob bomlása során Növények (citrusfélék, fenyők) által emittált Terpén Pl. limonén, mentol, kámfor Policiklikus aromás szénhidrogének Erdőtüzek Kőolajtartalmú kőzetek eróziója Természetes olajszivárgás 13

14 Szénhidrogének antropogén forrásai Leggyakoribb források Elégetett motorhajtóanyag füstgázai Festékek elpárolgó oldószertartalma (toluol, észterek, alkánok) Gumiipar által felhasznált korom gyártása Egyéb kőszén- és kőolajipari termékek előállítása Dohányzás PAH(policiklikus aromás szénhidrogén) emisszió Kőszénfeldolgozás Kőolaj feldolgozás (pl. bitumen) Bitumen felhasználás (vízszigetelés, zsindelyek, útburkolat) Fatüzelés, biomasszatüzelés Alumínium- és elektroacélipar Peroxi-acetilnitrátok Másodlagos, antropogén szennyezőanyagok 0,02 ppm felett egészségkárosító hatás Koncentrációja függ: Szénhidrogének acilgyökképző képességétől Ózon koncentrációjától Szennyezett levegő NO 2 /NO arányától Termikusan bomlanak hőmérséklet emelkedésével képződésük visszafordítható Fotokémiailag is bomlanak napközben 1-2 óra az élettartamuk Városi levegőben a koncentrációja kb. 1/6-ra csökkent a katalizátoros autók megjelenésével 14

15 Aeroszol részecskék Természetes eredetű Sókristályok a vízfelszínen szétpattanó buborékokból Vulkánkitörések Természetes eredetű H 2 S-ből képződő kénsavból és ammóniából ammónium-szulfát részecskék Talaj aprózódásából a szél által felkapott por, erdőtüzek Antropogén eredetű Ipari folyamatok során őrlés, kohászat, cement-és mész gyártás, stb. Hulladék és mezőgazdasági égetés Közlekedés - dízel gépjárművek, alkatrészek és abroncs kopása Néhány példa a közeli múltból 2010 április Eyjafjallajökull kitörése, Izland Kb 250 millió m 3 szilárd törmelékanyag Magas fluortartalom csontszilárdság csökkenése 2010 augusztus Moszkva, Oroszország Erdőtüzek, magas hőmérséklet 15

16 Néhány példa a közeli múltból Peking, utcakép 2013 januárjában Por, korom Égés során kisméretű szilárd részecskék, por keletkezik szilárd széndarabra rárakódott elégetlen vegyületekből és fémekből áll A legveszélyesebb szennyezőanyagnak tartják a finom részecskéket (PM 2,5-2,5 µm nél kisebb részecskék) Aeroszol: gázban diszpergált folyadék és/vagy szilárd részecske Füst: gázban eloszlatott szilárd részecske Köd: folyadékcseppek diszperziója gázban 16

17 Részecskék mérettartománya µmgyorsan ülepszik 0,1-10 µmlebegő porok 0,001-0,1 µmnem ülepednek 10 µm-nélnagyobbak általában mechanikai folyamatok során jönnek létre 0,1-10 µmtartományba esők általában égési folyamatok eredményei Részecskék ülepedése Száraz kiülepedés Turbulens Gravitációs Nedves kiülepedés Forrás: Mészáros E.,

18 Részecskék káros hatásai Növelik az atmoszféra zavarosságát Csökkentik a láthatóságot Korlátozzák a napsugárzás melegítő hatását (negatív sugárzási kényszer) Fokozzák a gázhalmazállapotú légszennyezők toxicitását (SO 2, NO 2 a részecske felületére adszorbeálódva mélyebbre hatol) Mélyen behatol a légzőrendszerbe Mélyen behatol a légzőrendszerbe 2,5 µm 18

19 Közlekedés károsanyag kibocsátásának változása a sebesség függvényében CO kibocsátás Közlekedés károsanyag kibocsátásának változása a sebesség függvényében CH kibocsátás 19

20 Közlekedés károsanyag kibocsátásának változása a sebesség függvényében NO x kibocsátás Antropogén légszennyezés - összefoglalás Szennyező tevékenység Fosszilis tüzelőanyag égetése Szilárd+aeroszol Gáz+gőz A felhasznált anyagból szennyezőanyag %-a Por, füst, pernye SO x, NO, CO, CO 2 0,05-40 Járműmotorok Füst (olajfüst) NOx, CO, savgőzök 4-7 CH-re Petrolkémia Vegyipar Kohászat, fémipar Ásványipar őrlők Szénbányászat, szénipar Köd, füst Pára, köd, füst, szervetlen és szerves sók Por, füst, ércpor, homok Por, korom, pernye, szilikátok Por, korom, pernye SO x, H 2 S, NH 3, CH, merkaptánok SO x, CO, NH 3, szerves és szervetlen savak SO 2, CO, fluoridok, szervesanyagok SO 2, C Fluoridok, kátrány, fenol, SO 2, H 2 S, CH-ek 0,25-1,5 0,5-2 Mezőgazdaság Por, köd Szervesanyagok, NH 3, bűzös anyagok 0,

21 Környezeti hatások Üvegházhatás CO 2 55%-kal járul hozzá, CH 4 (15%), N 2 O(6%), freon(24%) aeroszol negatív sugárzási kényszer Savas eső CO 2, NO 2, SO 2, NH 4 Szmog téli London típusú nyári Los Angeles típusú Egészségügyi kockázat légzőszervi megbetegedések (NO 2, SO 2, por, korom, azbeszt, stb.) idegrendszeri károsodás (Hg, Pb) Gazdasági károk, épített környezet károsodása Klímaváltozás Globális probléma kisebb területre nehezen előre jelezhető a változás iránya és mértéke Kárpát-medencére: Átlaghőmérséklet növekedés Extrém csapadékesemények és hőmérsékletek előfordulásának gyakorisága megnő Csapadék: éves eloszlása megváltozik Városban összetett dolgok hőszigetek, helyi szélrendszerek alakulnak ki Felszínborítottság növekedése, légszennyezés több csapadék 21

22 Savas eső A légköri CO 2 miatt eleve 5,6 a csapadék ph értéke SO 2 kénsav (60-70%) NO x salétromsav vizek és talajok pufferkapacitása mennyire változik meg a ph érték hozzáadott sav vagy lúg hatására Savas eső hatásai Vízi ökoszisztémát károsíthatja halak, növények Talaj ph csökkenése Al 3+ ion koncentráció megnő Épített környezetre: Kalcium-karbonát tartalmú anyagok (márvány, mészkő, beton) károsodása CaCO 3 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + H 2 O + CO 2 Megoldás: tömörebb anyagra cserélni (durva mészkövet forrásvízire) Fémek oldása tetőfelület, ereszcsatorna, felszíni szennyeződés 22

23 Szmog Téli szmog London típusú Képződési feltételei Szén és olaj égéstermékek magas koncentrációja (CH-ek, korom, SO 2 ) Szélcsend, nedves levegő Időbelisége Kora reggeli órákban alakul ki Szmog Nyári szmog Los Angeles típusú Képződési feltételei Megnövekedett gépjárműforgalom Zavartalan napsugárzás Szélcsend Időbelisége Napszakonként másmás szennyezőanyagok jellemzik VOC Illó szerves anyagok (Volatile Organic Compounds) Néhány példa a keletkező aldehidekre: formaldehid, acetaldehid és benzaldehid A Los Angeles típusú szmog kialakulásában részt vevő néhány fotokémiai reakció 23

24 Los Angeles típusú szmog Szmogot alkotó főbb komponensek időbeli alakulása fotokémiai folyamatokban a napsugárzás jelentős szerepe miatt a nyálkahártya A fotokémiai szmog erősödésével a levegő vöröses-barna árnyalatú lesz, mivel a irritáló vegyületek (ózon, PAN, aldehidek) koncentrációja a déli órákban éri el napsugárzás kék komponensét a NO maximumát és napnyugtával jelentősen 2 elnyeli. csökken. Egészségügyi hatások CO a vér hemoglobinjából az oxigént kiszorítja Nagyvárosok csomópontjain, rosszul szellőzött alagutakban károsító szintet is elérheti reakcióképesség csökkenése SO 2 szem és felső légutak nyálkahártyáit izgatja NO levegőben gyorsan átalakul NO 2 -dá A vízzel a tüdőben sav keletkezik Vérerek tágulása PAH számos rákkeltő vegyülete van NH 3 0,5 mg/dm 3 :könnyezés, szemfájdalom 0,7 mg/dm 3 : súlyos keringési és légzési zavarok Por, korom, pernye legveszélyesebbek a 0,25-10 µm szemcseméretű részecskék Egyéb szennyezők adszorpciója a részecskék felületén 24

25 Gazdasági károk Acél korróziós sebessége 2-4x a városban, mint vidéken Műanyagok károsodása Ózon hatására meggyorsul a gumi töredezése Épületek vakolata bomlik SO 2 meggyorsítja a műemlékek károsodását Határértékek [µg/m 3 ] Légszennyező anyag Határérték [µg/m 3 ] órás 24 órás éves Határérték Tűréshatár Határérték Tűréshatár Határérték Tűréshatár Veszélyességi fokozat Kén-dioxid 250 Nitrogéndioxid 1 év alatt max 24x év alatt max 18x III. 1 év alatt max 3x 50% % 2 II. Szén-monoxid % II. Szálló por 50 50% % 1 III. (PM 10 ) 1 év alatt max 35x Ólom 0,3 100% 3 I. Higany 1 I. Benzol % 2 I. A légszennyezettség egészségügyi határértékei, célértékei, hosszú távú célkitűzései és a PM 2,5 -re vonatkozó specifikus kötelezettségek a 4/2011. (I. 14.) VM rendelet alapján 25

26 Nemzetközi egyezmények 1979 Genf Országhatáron átterjedő levegőszennyezésről 1985 Helsinki kénkibocsátás csökkentése (1993-ig 30%-os csökkenés 1980-hoz képest) 1988 Szófia Nitrogén-oxid kibocsátás csökkentése 1991 Genf illékony szerves vegyületek (VOC) kibocsátásának szabályozása 1994 Oslo kénkibocsátás további csökkentése (hazánk 2010-ig 60%-os csökkentés 1980-hoz képest) 1998 Aarhus nehézfémek légköri kibocsátásának csökkenéséről 1999 Göteborg a savasodás, az eutrofizációés a felszínközeli ózon csökkentéséről 2002 aug. Kiotó hazánk 6%-os CO 2 csökkenést vállalt ig az es időszakhoz képest Városi levegőminőséget befolyásoló fő légszennyező anyagok Szennyezettség változásának iránya Jelenlegi helyzet SO 2 csökken kedvező NO x növekszik kedvezőtlen Szálló por (PM10) állandó kedvezőtlen Talajközeli O 3 állandó megfelelő CO állandó megfelelő 26

27 Átszellőzés Jelentős szerepe van a levegő minőségében Mértékét befolyásolja: Szélviszonyok Hegyek, dombok Beépítettség foka és típusa Utak iránya, szélessége Légáramlási viszonyok szabad légkör, súrlódási légkör, talajközeli légkör Átszellőzés Friss levegőt hozó szellő Termikusan indukált helyi szélrendszer Ventillációs folyosók zöld folyosók, parkok, folyómedrek, stb. Hegy-völgyi szél Napszakos szélrendszer Város topográfiája Áramlásmódosító Épületblokk szélirányra merőleges, párhuzamos; város szélfelöli oldalán, különböző pontokon Utcák szélessége széliránnyal ferde szöget bezáró 27

28 Kerékpározás Uniós emissziócsökkentési célok 1990 és 2050 között: Közlekedési szektor kibocsátásának 60%-os csökkentése Csak technikai fejlesztéssel nem lehet elérni Európai Kerékpáros Klub (ECF) tanulmánya Közösségi kerékpáros rendszerek nagy lehetőséget jelentenek Ha a kerékpáros közlekedés gyakorisága: EU 27 tagországában Dánia (2,6 km/nap) 2050-re 26%-os csökkenést lehetne realizálni EU kőolajimportja: 955 millió hordó/év Ha mindenki annyit kerékpározna, mint a dánok: kb. 10%-kal csökkenthető az olaj importja Forrás: kerekparosklub.hu Kerékpározás Benoit Blondel (ECF tanulmány szerzője, az ECF környezeti és egészségügyi szakembere) szerint: Ha komolyan akarjuk venni ezeknek a céloknak az elérését, akkor változtatni kell a szokásainkon. Nem azon van a hangsúly, hogy kevesebbet kell közlekedni. Inkább a közlekedés módja a meghatározó, hogy mely közlekedési lehetőségeket támogatják a kormányok. 28