Légszennyezés. A Föld légkörének (jelenlegi) összetétele. Települési levegőminőség

Átírás

1 Légszennyezés Települési levegőminőség A Föld légkörének (jelenlegi) összetétele Alkotó Nitrogén (N 2 ) Oxigén (O 2 ) Argon (Ar) egyéb nemesgázok CO 2 CH 4 H 2 O 3 H 2 O CO SO 2 NO x NH 3 Arány 78 térfogat% 21 térfogat% 0,9 térfogat% 0,1 térfogat% Állandó alkotók (tartózkodási idejük több ezer több millió év is lehet) Változó alkotók (1-100 év közötti tartózkodási idő) Erősen változó alkotók (1 év alatti tartózkodási idő) 1

2 Légszennyezési problémák kialakulása Az ipari forradalom előtt (XVIII. századig) háztartási hulladékok rothadási gázai (bűz) kovácsok, üvegfúvók, mészégetők, stb. szennyező anyagai Az ipari forradalom óta ipari eredetű szennyezőanyagok (vegyszerek, gázok, porok) közlekedés (gázok, porok) A szennyezőanyagok mennyisége és összetétele is jelentősen megváltozott! 2

3 Légszennyező anyagok csoportosítása Antropogén eredetű légszennyezők (emberi tevékenységek során keletkeznek) Természetes eredetű légszennyezők (biológiai és más embertől független folyamatok során keletkeznek) Elsődleges légszennyezők Másodlagos légszennyezők közvetlenül a kibocsátó forrásból jutnak a légkörbe az elsődleges szennyezőkből keletkeznek, kémiai vagy fotokémiai reakciók termékeként Természetes eredetű légszennyezők por talajból, vulkánkitörésekből pollenek növényi eredetű illékony szerves vegyületek (izoprének, terpének) NH 3 (ammónia) szerves anyagok bomlásából N 2 O (dinitrogén-oxid) CH 4 (metán) atka ürülék radon belső terekben 3

4 Antropogén eredetű légszennyezők Elsődleges szennyezők CO 2, CO NO x, NO, NO 2 SO 2 káros hatású szerves vegyületek (policiklusos aromás szénhidrogének PAH; illékony szénhidrogének VOC) szálló por (égés- és kopástermékek) nehézfémek: Hg, Cd, Pb, Cu, Zn azbeszt (kőzetgyapot: ásványi szálak) Másodlagos szennyezők O 3 (ózon) peroxi-acetil-nitrátok (PAN) aldehidek: formaldehid, acetaldehid, stb. Levegőminőséget meghatározó folyamatok Emisszió szennyezőanyagkibocsátás (mennyiség, minőség) Transzmisszió (terjedés) Immisszió szennyezettségi állapot (koncentráció) egy adott helyen Felszín tulajdonságai: domborzat, érdesség beépítettség (átszellőzés) mg/m 3 µg/m 3 ppm ppb Meteorológiai tényezők: légkör állapota (stabilitás, függőleges hőmérsékleti gradiensből fakadó rétegződés) szél (sebesség, irány) Szennyezőanyag tulajdonságai: ülepedés, átalakulás (lebomlás, kémiai reakciók) 4

5 Emisszió forrástípusok Pontforrások nagyobb ipari létesítmények, pl.: erőmű, hőközpont, hulladékégető Diffúz (megoszló) források vonal menti megoszlású autópálya, vasútvonal Területi megoszlású lakóövezet kéményei, kiterjedt iparterület Szennyezőanyag terjedése pontforrásból 5

6 Légkör állapotának hatása a terjedésre a függőlegesen elmozduló légtömeg a környezetével azonos hőmérsékletű és megegyező sűrűségű (termikus egyensúlyi állapot) napszakos változás éjjel nappal Légkör állapotának hatása a terjedésre inverzió a csóva felett, alatta labilis légréteg: jellemzően reggel, kora délelőtt (városokban derült éjszaka is) inverzió a csóva alatt, felette labilis légréteg: jellemzően napnyugta után 6

7 Kibocsátások ágazatok közti megoszlása Szennyezőanyag-kibocsátások Budapesten, 2002-ben (t/év): Ágazat NO x CO por SO 2 Ipar Közúti közlekedés Lakossági fűtés Szolgáltatók Légi közlekedés Összesen forrás: Kémiai Nemzeti Profil Tervezet, 2005 (KvVM) Közúti közlekedés emissziói Legjelentősebb városi környezetterhelés! Szennyezőanyagai: CO és CO 2 (szén-monoxid és szén-dioxid) NO x (nitrogén-oxidok) C x H y (szénhidrogének) Szálló por részecskék (égési és aprózódási folyamatokból) SO 2 (kén-dioxid) Cu (réz), Zn (cink), Pb (ólom) és egyéb nehézfémek 7

8 Közlekedés károsanyag-kibocsátásának változása a sebesség függvényében CO kibocsátás Közlekedés károsanyag-kibocsátásának változása a sebesség függvényében C x H y kibocsátás 8

9 Közlekedés károsanyag-kibocsátásának változása a sebesség függvényében NO x kibocsátás CO (szén-monoxid) Színtelen, szagtalan, íztelen gáz (mérgező!) Keletkezése: szén és széntartalmú anyagok tökéletlen égése izzó szén és CO 2 reakciója (CO 2 + C = 2CO) CO 2 disszociációja (CO 2 CO + O) Természetes források fotokémiai reakciók, erdőtüzek mocsarak, rizsföldek, óceánok (víztestben lebomló szerves anyagokból) Antropogén források közlekedés: belső égésű motorok (a teljes CO kibocsátás 2/3-a) ipar: kőolaj, vaskohászat, hulladékkezelés (kb. 10%) mezőgazdaság: égetés, erdőtüzek (kb. 10%) Természetes képződés sebessége távozás sebessége Antropogén képződés sebessége V távozás sebessége 9

10 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 mennyisége fulladás 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 10

11 Színtelen, szagtalan gáz Legjelentősebb forrásai: égés és légzési folyamatok C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O CO 2 (szén-dioxid) Legnagyobb fogyasztója a fotoszintézis Az utóbbi évszázad során vált szennyezőanyaggá az emberi tevékenység következtében keletkezésének sebessége meghaladja a természetes kivonás sebességét: XIX. század: 290 ppm, 2000: 390 ppm, aug.: 402 ppm Hatásai: üvegházhatású gáz ( klímaváltozásban betöltött szerep) nagy koncentrációban fulladást okoz ( mustgáz ) NO x (nitrogén-oxidok) NO NO 2 NO x N 2 O NO toxikus (mérgező), NO 2 - erősen toxikus NO, NO 2 savas eső, fotokémiai szmog és az ózonréteg csökkenésében játszik szerepet N 2 O (nevetőgáz, kéjgáz) - rendkívül stabil, nem toxikus A troposzférikus ózon koncentrációja a levegőben lévő NO 2 /NO aránytól függ 11

12 NO x forrásai Természetes eredetű (80%) villámlás elhalt szervezetek N-tartalmának átalakulása 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 teljesen kiküszöbölni! Égési folyamatok befolyásolása égési hőmérséklet / felmelegedési sebesség csökkentése füstgáz visszavezetés (recirkuláció) hűtés (pl. víz befecskendezéssel) Füstgáz tisztítása abszorpció redukció (metán, ammónia felhasználásával) 12

13 Színtelen, irritáló szagú gáz, vízben jól oldódik Természetes háttér-koncentrációja: 1 ppb Természetes forrásai (30-40%) vulkáni tevékenység SO 2 (kén-dioxid) biológiai folyamatokból származó kénvegyületek (pl. H 2 S) oxidációja Mesterséges forrásai (60-70%) kéntartalmú anyagok (pl. fosszilis tüzelőanyagok) égetése színesfém kohászat: iparilag fontos fémek, (pl. Cu, Zn, Cd, Pb) gyakran szulfidos ércként fordulnak elő, amit kohósítás előtt oxidálni kell ( pörkölés ) Hatásai: emberre: krónikus hatású (felső légutak irritációja) vízzel reagálva kénessavvá (H 2 SO 3 ), majd további oxidációval kénsavvá (H 2 SO 4 ) alakul; városi levegőben szulfát aeroszol képződik (kén-dioxidból létrejövő kénsav részecskék) Savas eső SO 2 (kén-dioxid) 13

14 SO 2 kibocsátás csökkentési lehetőségei Tüzelőanyag kéntartalmának csökkentése széntüzelésű erőműveket biomassza-, gáz- vagy olajtüzelésűre váltani (részmegoldás ) Füstgáz tisztítása viszonylag könnyen kivitelezhető pl. meszes-mészköves eljárás: CaCO 3 + SO 2 CaSO 3 + CO 2 CaSO 4 2H 2 O (gipsz) Probléma: különböző formában megjelenő (elemi kén, kénsav, gipsz) eltávolított kén kezelése O 3 (ózon) Szúrós szagú, instabil, nagyon reakcióképes, irritatív gáz Előfordulása: - Sztratoszféra (magaslégköri ózon) készletek kb. 90%-a - Troposzféra (felszínközeli ózon) kis mennyiségben is szennyező! Hatása: - erőteljes oxidálószer, sejtfalakat roncsolja ( fertőtlenítés, sterilizálás) Élettartama - tiszta időben: nap - szennyezett levegőben: néhány óra 14

15 O 3 (ózon) Troposzférikus O 3 Képződése: NO 2 + energia (sugárzás) NO + O* O* + O 2 O 3 További reakciók (a teljesség igénye nélkül) O 3 + NO NO 2 + O 2 O 3 + energia (sugárzás) O 2 + O* O* + H 2 O 2 OH - NO + O 3 NO 2 + O 2 A troposzférikus ózon koncentráció függ időjárástól: képződéséhez zavartalan napsugárzás szükséges (tiszta, napos idő) napszaktól: a déli órákban a legnagyobb (éjszaka nem képződik) NO 2 / NO aránytól (ha magas, a keletkezés sebessége felülmúlja a fogyás sebességét) 15

16 Szénhidrogének (C x H y ) Igen népes vegyületcsoport Osztályozás: nyílt láncú/gyűrűs aromás/alifás telített/telítetlen A telítetlen, illetve az aromás szénhidrogének kémiai szempontból aktívabbak Természetes és antropogén források is jelentősek Szénhidrogének természetes forrásai Legnagyobb mennyiségben: metán szerves vegyületek anaerob bomlása során Növények (citrusfélék, fenyők) által emittált terpének Pl. limonén, mentol, kámfor Policiklusos aromás szénhidrogének (PAH-ok) erdőtüzek kőolajtartalmú kőzetek eróziója természetes olajszivárgás naftalin antracén fenantrén krizén benzo[a]pirén koronén 16

17 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 (policiklusos aromás szénhidrogén) emisszió: - kőszénfeldolgozás - kőolaj feldolgozás (pl. bitumen) - bitumen felhasználás (vízszigetelés, zsindelyek, útburkolat) - fatüzelés, biomasszatüzelés - alumínium- és elektroacélipar VOC (illékony szerves szénhidrogén) emisszió: - közlekedésből Peroxi-acetil-nitrátok 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 koncentrációjuk kb. 1/6-ra csökkent a katalizátoros autók megjelenésével 17

18 Por, korom, szálló részecskék Szénhidrogének égése során kisméretű szilárd részecskék keletkeznek (szilárd széndarabok és az ezekre rárakódott elégetlen vegyületek, fémek) A legveszélyesebb szennyezőanyagnak tartják a finom szálló por részecskéket (PM particulate matter) PM 10 : 10 µm nél kisebb részecskék PM 2,5 : 2,5 µm nél kisebb részecskék Aeroszol: gázban eloszlatott (diszpergált) folyadék és/vagy szilárd részecske elegye Füst: gázban eloszlatott szilárd részecskék Füstköd (szmog) Köd: folyadékcseppek diszperziója gázban Aeroszol részecskék forrásai Természetes eredetű vízfelszínen szétpattanó buborékokból (sókristályok) vulkánkitörések, erdőtüzek természetes eredetű H 2 S-ből képződő kénsavból és ammóniából ammónium-szulfát részecskék talaj aprózódásából a szél által felkapott por Antropogén eredetű ipari folyamatok során: őrlés, kohászat, cement- és mész gyártás, stb. hulladék- és mezőgazdasági égetés közlekedés: gépjármű alkatrészek és abroncs kopása 18

19 Néhány kirívó példa a közelmúltból 2010 április: Eyjafjallajökull kitörése, Izland kb. 250 millió m 3 szilárd törmelékanyag magas fluortartalom csontszilárdság csökkenése 2010 augusztus: Moszkva, Oroszország erdőtüzek, magas hőmérséklet Néhány kirívó példa a közelmúltból Peking, utcakép 2013 januárjában 19

20 Részecskék mérettartománya µm: gyorsan ülepszik 0,1-10 µm: lebegő porok 0,001-0,1 µm: nem ülepednek 10 µm-nél nagyobbak általában mechanikai folyamatok során jönnek létre 0,1-10 µm tartományba esők általában égési folyamatok eredményei Részecskék ülepedése Száraz kiülepedés turbulens gravitációs Nedves kiülepedés csapadék hatására (a részecskék kondenzációs magot képeznek) Forrás: Mészáros E.,

21 Részecskék hatásai Csökkentik a láthatóságot Korlátozzák a napsugárzás melegítő hatását Fokozzák a gáz halmazállapotú légszennyezők toxicitását SO 2, NO 2 molekulák a részecske felületére adszorbeálódnak Mélyen behatolnak a légzőrendszerbe 2,5 µm Trendek a városi levegőminőségben 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 21

22 Egészségügyi hatások (összefoglalás) CO a vér hemoglobinjából az oxigént kiszorítja nagyvárosok csomópontjain, rosszul szellőzött alagutakban károsító szintet is elérheti SO 2 szem és felső légutak nyálkahártyáit izgatja NO x NO és NO 2 mérgező vízzel reagálva a tüdőben sav keletkezik vérerek tágulása O 3 irritatív, sejtroncsoló PAH számos rákkeltő vegyület van köztük Por, korom, pernye legveszélyesebbek a 10, ill. 0,25 µm alatti szemcseméretű részecskék egyéb szennyezők adszorpciója a részecskék felületén (pl. Hg, Pb idegrendszeri károsodás) Környezeti hatások (összefoglalás) Üvegházhatás CO 2 : 55%-kal járul hozzá, CH 4 (15%), N 2 O (6%), freon (24%) aeroszol: ellentétes hatás (negatív sugárzási kényszer) Savas eső CO 2, NO 2, SO 2 Szmog London típusú ( téli ) Los Angeles típusú ( nyári ) Gazdasági károk, épített környezet károsodása acél korróziós sebessége 2-4x nagyobb városban, mint vidéken műanyagok károsodása (öregedése) ózon hatására meggyorsul a gumi töredezése épületek vakolata bomlik savas eső meggyorsítja a műemlékek károsodását 22

23 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 Savas eső hatásai Vízi ökoszisztémát károsíthatja halak, növények Talaj ph csökkenése Al 3+ ion koncentráció megnő sejtméreg (növénypusztulás) 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 23

24 London típusú szmog Képződési feltételei szén és olaj égéstermékek magas koncentrációja (C x H y, CO, SO 2 ) szélcsend, párás levegő hideg idő (0 C körüli hőmérséklet) Időbelisége kora reggeli órákban alakul ki Hatása reduktív szmog légzési nehézségek, szív- és érrendszeri problémák London, dec London típusú szmog Több ezer halálos áldozat néhány nap leforgása alatt! 24

25 Los Angeles típusú szmog Képződési feltételei erős gépjárműforgalom (C x H y, NO x, CO) zavartalan napsugárzás szélcsend Időbelisége napszakonként más-más szennyezőanyagok dominálnak Hatása oxidáló szmog: légúti panaszok, korrózió A Los Angeles típusú szmog kialakulásában részt vevő néhány fotokémiai reakció Los Angeles típusú szmog Szmogot alkotó főbb komponensek időbeli alakulása A fotokémiai folyamatokban a napsugárzás jelentős szerepe miatt a nyálkahártya irritáló vegyületek (ózon, PAN, aldehidek) koncentrációja a déli órákban éri el a maximumát és napnyugtával jelentősen csökken. 25

26 Los Angeles típusú szmog A fotokémiai szmog erősödésével a levegő vöröses-barna árnyalatú lesz, mivel a napsugárzás kék komponensét a NO 2 elnyeli. Határértékek [µg/m 3 ] Légszennyező anyag Határérték [µg/m 3 ] órás 24 órás éves Határérték Határérték Határérték Veszélyességi fokozat Kén-dioxid 250 (1 év alatt max. 24x) Nitrogén-dioxid 100 (1 év alatt max. 18x) 125 (1 év alatt max. 3x) 50 III II. Szén-monoxid II. Szálló por (PM 10 ) III. (1 év alatt max. 35x) Ólom 0,3 I. Higany 1 I. Benzol 10 5 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 26

27 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 eutrofizáció és a felszínközeli ózon csökkentéséről 2002 aug. Kiotó hazánk 6%-os CO 2 csökkenést vállalt ig az es időszakhoz képest Jelentős szerepe van a levegő minőségében Mértékét befolyásolja: szélviszonyok domborzat (hegyek, dombok, katlanok) beépítettség foka és típusa utak iránya, szélessége Légáramlási viszonyok Átszellőzés szabad légkör, súrlódási légkör, talajközeli légkör 27

28 Átszellőzés Friss levegőt hozó szél termikusan indukált helyi szélrendszer ventillációs folyosók zöld folyosók, parkok, folyómedrek, stb. Hegy-völgyi szél napszakos szélrendszer Város topográfiája áramlásmódosító épületblokk szélirányra merőleges, párhuzamos; város szél felőli oldalán, különböző pontokon utcák szélessége széliránnyal ferde szöget bezáró 28