Környezetmérnöki alapok (AJNB_KMTM013) 5. A levegőtisztaság-védelem alapjai. A légkör keletkezése. A légkör összetétele

Átírás

1 A légkör keletkezése Környezetmérnöki alapok (AJNB_KMTM013) 5. A levegőtisztaság-védelem alapjai 2018/2019-es tanév I. félév Dr. habil. Zseni Anikó egyetemi docens SZE, AHJK, Környezetmérnöki Tanszék A Föld keletkezésekor: főleg H 2, He, CO 2, NH 3, CH 4, N 2, CO, H 2 O alkotja (redukáló hatású légkör) vulkáni működés: gázok H 2 O fotodisszociáció: O 2 UV hatására: O 3 élet kialakulhat a tengerekben fotoszintézis: O 2 -t termel (oxidáló hatású légkör) kb. 300 millió éve a maihoz hasonló O 2 szint CO 2 szint: csökken a földtörténet során (logaritmikus skála!) A légkör összetétele present atmospheric level légzésre lehetőség van UV szűrés már hatékony A légkör rétegei, hőmérsékletük és nyomásuk (1 mb=100 Pa) A légkör tömegarányos és térfogatarányos összetétele (Bolygónk születése nyomán) 1

2 Légszennyező anyagok Légszennyező források Légszennyező anyag: származásától és állapotától függetlenül az az anyag, amely olyan mértékben jut a levegőbe, hogy azzal az embert és a környezetét kedvezőtlenül befolyásolja vagy anyagi kárt okoz természetes légszennyező anyagok a Föld felszínén egyenletesen helyezkednek el a képződési sebesség kb. egyenlő az atmoszférából történő távozás sebességével antropogén légszennyező anyagok az emberi források általában koncentráltak a képződés sebessége általában gyorsabb, mint a távozásé Elsődleges gázhalmazállapotú légszennyezők Másodlagos szennyezőanyagok Természetes légszennyező források: vulkánok (kén-oxidok és porok) erdőtüzek (szén-monoxid, szén-dioxid, nitrogén-oxidok és porok) szélviharok (por) élő növények (szénhidrogének, pollen) lebomló növények (metán, hidrogén-szulfid) talaj (vírusok, por) tenger (só) Antropogén légszennyező folyamatok: szállítás energiatermelés ipar Légszennyező emberi tevékenységek Légszennyező források Az emisszió fajtája és mennyisége számos tényezőtől függ: lakosság száma az energiatermeléshez és fűtéshez használt tüzelőanyag fajtája az ipari termelés mértéke, korszerűsége a légszennyező anyagok leválasztásának foka gépjárművek száma és műszaki színvonala éghajlat stb. Az emisszió döntően: közlekedésből fosszilis tüzelőanyagok égetéséből iparból származik pontszerű források pl. kémény, kürtő, szellőző diffúz források hulladéklerakók felszíne, pernyehányók, meddőhányók vonalas légszennyező források pl. közút, vasút, légifolyosó, vízi út azaz oxidációs, égési folyamatokból! Levegőtisztaság-védelem Légszennyező anyagok A levegőtisztaság-védelem feladata a szennyező anyagok légtérbe történő jutásának a megakadályozása, ill. koncentráció-szintjük olyan alacsony értéken történő tartása, amely még tartós vagy folyamatos jelenlét esetén sem okoz károsodást az ember szervezetében és környezetében. üvegházhatású gázok (ÜHG): CO 2, N 2 O, CH 4, fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluorkarbonok (PFC-k), kén-hexafluorid (SF 6 ) ezeken kívül: vízgőz, halonok, ózon, egyéb klór-flourkarbon vegyületek (CFC-k) savasodást okozó gázok: SO 2, NO x, NH 3 ózonprekurzorok: NMVOC, NO x, CO, CH 4 szálló por 2

3 CO 2, CH 4, N 2 O CO 2 : szén-dioxid fosszilis tüzelőanyagok elégetése erdőégetés erdőhiány miatti lekötés csökkenés mészkőfelhasználás CH 4 : metán természetes forrásai: bomlás, fermentáció antropogén forrásai: rizstermelés, hulladékok bomlása, bányászat, energia-ipar, biomassza tüzelés, kérődzők N 2 O: dinitrogén-oxid műtrágyázás, gyártási folyamatok (salétrom, adipin, glioxil, glioxálsav) A szén-dioxid kibocsátás csökkenése Magyarországon ( ) A kiotói jegyzőkönyv aláírásának (1992) és teljesítésének (2012) éve kiemelve (KSH adatok) HFC, PFC, SF 6 Freonok és halonok HFC-k: fluorozott szénhidrogének freonok kiváltására alkalmazzák az 1990-es évek 2. felétől hazánkban (hűtőberendezések hűtőközegeként) PFC-k: perfluorkarbonok CF 4 és C 2 F 6 primer Al előállításakor 2006-ban megszűnt hazánkban az Al előállítás kibocsátás megszűnt SF 6 : kén-hexafluorid sűrűsége a levegő 5-szöröse nagy villamos szilárdság nagy zárlati teljesítményű hálózatok megszakítóiban gáztöltet freonok (fluorozott, klórozott szénhidrogének): pl. CFCl 2, CFCl 3 hűtőközeg, vivőanyag halonok: C + F + Cl + Br atomokból állnak tűzoltás 1986 Monterali egyezmény: felhasználásuk csökken, Magyarországon megszűnt stabilak feljutnak a sztratoszférába is fotokémiai folyamatok klóratomok ózont lebontják sztratoszférikus ózon mennyiségét hazánk felett továbbra is csökkentik Ózonréteg károsító gázok felhasználása hazánkban (KSH) Kén-dioxid (SO 2 ) legfőbb ok: tüzelési folyamatok káros hatásai: légzési nehézségek klorofil bontása épületek károsítása vízben jól oldódik: H 2 O + SO 2 H 2 SO 3 fajlagos kibocsátás: olajtüzelés: 1000 mg/mj, szén: 600 mg/mj, földgáz: 10 mg/mj Az igényeket importból fedeztük, előállítás hazánkban nem volt 3

4 Kén-dioxid kibocsátás hazánkban (forrás: VM) A kén-dioxid-kibocsátás alakulása és szektoronkénti megoszlása az elmúlt két évtizedben Nitrogén-oxidok (NO x: NO és NO 2 ) 2NO + O 2 = 2NO 2 3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO legfőbb források: égési folyamatok (közlekedés!) káros hatások: tüdő- és légúti ártalmak savas esők szmogképződés Nitrogén-oxid kibocsátás hazánkban szektoronként 4

5 Illékony szerves vegyületek VOC: Volatile Organic Compounds NMVOC: No Metan Volatile Organic Compounds: nem metán illékony szerves vegyületek NO x -kal reakció fotokémiai füstköd antropogén források: tüzelőanyagok, üzemanyagok, oldószerek párolgása Policiklusos aromás szénhidrogének Szén-monoxid (CO) PAH: Policyclic Aromatic Hydrocarbons nagy molekulasúlyú, 4-7 benzolgyűrű összekapcsolódásából eredő vegyületek források: gépkocsik kipufogógáza (mintegy 30 PAH) szerves anyagok magas T-n történő kezelése fitomassza égetés rákkeltők emisszió: 3400 Mt/év (Földön) források: 80%-ban természetes források tüzelőberendezés, közlekedés tökéletlen égési folyamatok eredménye rendkívül mérgező (CO-hemoglobin) NO x jelenlétében Nitro-PAH Felszínközeli ózon (O 3 ) fotokémiai szmog fő alkotója közlekedési eredetű légszennyező anyagokból napfény hatására keletkezik NO 2 NO + O O + O 2 O 3 sejteket elpusztítja ember: tüdőszövetek roncsolása, tüdőödéma Mo: felszínközeli ózonkoncentráció nőtt 5

6 Szálló por PM 10 : 10 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (10-5 m) PM 2,5 : 2,5 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (2,5 x 10-6 m) (1 mm = 1000 μm) forrásai: természetes, antropogén ipari üzemekben technológiai folyamatok során, pl.: ásvány- és ércőrlés cementgyártás szilárd energiahordozók (szén) elégetésekor fafeldolgozás dízelüzemű járművek keletkezés helyén nagyon nagy koncentráció is lehet káros hatás nem rögtön, tüdőelváltozások minél kisebb méretű, annál nagyobb az egészségügyi kockázat különösen ha nehézfémeket, nehezen lebomló szerves anyagokat tartalmaz PM10 ágazatonkénti megoszlása időszakban (KSH 2015) Európa szállópor (PM10) szennyezettsége A napi átlagokra vonatkozó 50 µg/m3-os határérték túllépését mutatják a vörös pöttyök. A PM 2,5 ágazatonkénti megoszlása időszakban (KSH 2015) 6

7 A levegő öntisztulása Füstköd (szmog) képződés A, a szennyező anyag eltávozik a légtérből (és egy másik szférát szennyez!) pl. ülepedés, kimosódás, kondenzáció, adszorpció, abszorpció B, a szennyező anyagok kevéssé ártalmas anyagokká alakulnak át C, a szennyező anyagok koncentrációja csökken, felhígul (de az összmennyiség nem változik!) nagyvárosok és ipari területek fölött esetenként létrejövő, füstből, porból, reaktív kémiai komponensekből álló szennyeződés meteorológiai viszonyok (szélsebesség, turbulencia, diffúziós paraméterek, inverziós időjárási helyzet) fontos szerepe redukáló (Londoni típusú) füstköd oxidáló (Los Angeles típusú) füstköd Gázterjedési módok összehasonlítása a) szétterjedés normális körülmények között b) szétterjedés inverziós időjárási körülmények között Az inverziós réteg kialakulása 7

8 Londoni típusú szmog Kialakulása: főleg télen jön létre (3-5 C) magas páratartalom (>80%) szélcsend inverziós légréteg fő kiváltó ok: fűtés (szén) a szennyezett, el nem távozott levegőnek magas a CO, por, korom, SO 2 -tartalma általában hajnalban jelentkezik redukáló típusú London: kb haláleset, hirtelen halál (SO 2, kénsav a tüdőbe jut tünetek: kötőhártya-gyulladás, fejfájás, mellkasi fájdalom, köhögés, légszomj, hányás, hasi görcs voltak) A halálozások száma, valamint a levegő kén-dioxid és füstkoncentrációja, London, dec. Fotokémiai szmog (Los Angeles típusú) A fotokémiai szmog jellegzetes reakciói nagyvárosokra jellemző meleg, napsütéses napokon: C alacsony páratartalom, kis szélsebesség fő kiváltó ok: autók kipufogógázai (autópályák, autóutak!) NO x, CO, szénhidrogének oxidáló típusú UV sugárzás hatására: NO 2 NO + O (atomos) O 2 + O O 3 gerjesztett O-atomok OH - szénhidrogének lebontása szerves gyökök peroxi-acetil-nitrát (PAN) Fotokémiai szmog (folyt.) A fotokémiai szmog komponensei koncentrációjának időbeli változása csökken a tüdő vitálkapacitása, a látásélesség, koncentrálóképesség szemirritáció, köhögés, ingerlékeny légutak, fejfájás, torokfájás, légzési nehézség, asztmás roham növények is károsodnak (csökken a fotoszintézis és a gyökérlégzés) PAN koncentrációja 0,02 ppm fölötti: órákon belül károsodik a vegetáció növekvő UV sugárzás redukáló komponensek fogyasztják az ózont 8

9 9

10 A levegőszennyezés elleni védekezés műszaki lehetőségei az energiahordozók struktúrájának megváltoztatása (szénről földgázra: SO 2 emisszió csökkenne) a tüzelőanyagok vagy a füstgázok kéntelenítése magas kémények építése (mennyiség nem csökken!) zárt technológiák alkalmazása üzemek áttelepítése (mennyiség nem csökken!) gépkocsik emissziójának szabályozása stb. porleválasztás gáztisztítás szennyező anyagok leválasztása levegőből Légszennyező anyagok leválasztása Szennyező anyagok leválasztási eljárásai levegőből a tisztítás mértékét környezetvédelmi előírások határozzák meg tisztítási hatásfok nő költség exponenciálisan nő további feladat: mi legyen a leválasztott komponenssel a tisztítás után a tisztítás során a szennyező komponenseket ártalmatlan anyagokká alakítják vagy a szennyező anyagokat hasznosítható alakban nyerik vissza, újra felhasználják vagy a tisztítás során csak dúsulnak a szennyező anyagok, további kezelésükről vagy elhelyezésükről gondoskodni kell Szilárd szennyezők leválasztása levegőből Tömegerőn alapuló leválasztás Szilárd szennyezők Száraz leválasztás tömegerőn alapuló leválasztás centrifugális erőn alapuló leválasztás elektrosztatikus leválasztás Nedves leválasztás leválasztó mozgó alkatrész nélkül leválasztó mozgó alkatrésszel nedves elektrosztatikus leválasztás Porkamrák 10

11 Porszűrők A ciklon felépítése és a benne áramló gáz útja Tömlős szűrő porleverő berendezéssel és ellenáramú öblítő gázvezetéssel 1: tömlőtartó, 2: pillangószelep, 3: tisztítás alatti kamra (Moser-Pálmai 1992) Centrifugális erőn alapuló leválasztás Elektrosztatikus leválasztás Multiciklon Örvénycsövek Elektrosztatikus leválasztók szerkezeti megoldásai Nedves leválasztás a porszemcséket folyadékkal nedvesítik, a mosófolyadékhoz kötődve azok a gázfázisból távoznak berendezései pl.: permetes mosók töltetes tornyok nedves dinamikus berendezések tányéros tornyok nedves centrifugális berendezések Venturi-mosók (gázporlasztásos mosók) Permetező mosótorony 11

12 Töltetes tornyok Venturi-mosó Gáz halmazállapotú szennyezők leválasztása levegőből Gáz halmazállapotú szennyezők adszorpció abszorpció Szennyező anyag leválasztása kondenzáció Szennyező anyag átalakítása termikus égetés katalitikus égetés katalitikus redukció véggázok biológiai tisztítása 12