Környezettechnika. 3. Levegő minőségének és a károsanyag kibocsájtás meghatározásának módjai. Szennyezőanyag leválasztási módok.

Átírás

1 Fodor Béla Környezettechnika 3. Levegő minőségének és a károsanyag kibocsájtás meghatározásának módjai. Szennyezőanyag leválasztási módok Környezettechnika 1

2 Levegőszennyező anyagok leválasztási eljárásai Száraz leválasztás Nedves leválasztás tömegerőn alapuló leválasztás leválasztó mozgó alkatrész nélkül szűrőhatáson alapuló leválasztás leválasztó mozgó alkatrésszel elektrosztatikus leválasztás nedves elektrosztatikus leválasztás Gáz halmazállapotú szennyezők Szennyező anyag leválasztása Szennyező anyag átalakítása Abszorpció termikus égetés adszorpció katalitikus égetés kondenzáció katalitikus redukció véggázok biológiai tisztítása Környezettechnika 2

3 Részecskeméretek Környezettechnika 3

4 Nehézségi erő elvén működő porleválasztók Az ülepedési sebesség az alábbi összefüggéssel számolható: v ü = d 2 ( ρs ρg) 18 η g v ü d ρs, ρg g η ülepedési sebesség [m/s] a szemcs átmérője [m] a szemcse, illetve a vivőgáz sűrűsége [kg/m 3 ] a nehézségi gyorsulás [m/s 2 ] a dinamikai viszkozitás [kg m 1 s 1.] Porkamra ferde betétlapokkal Irányváltásos porleválasztó készülékek Környezettechnika 4

5 Centrifuglis erő elvén működő porleválasztók Az ülepedési sebesség az alábbi összefüggéssel számolható: v c vt = l d 2 ( ρs ρg) 18 η l v c d ρs, ρg η v t ülepedési sebesség [m/s] a szemcse átmérője [m] a szemcse, illetve a vivőgáz sűrűsége [kg/m 3 ] a dinamikai viszkozitás [kg m 1 s 1.] részecske forgástengelytől való távolsága [m] tangenciális sebesség[m/s] Típusok: Egyszerű ciklonok. Olyan nagyra méretezik őket, hogy az adott mennyiségű szenyezett gáz tisztítására egyetlen készülék elegendő legyen. Multiciklonok. Annyi kisméretű ciklont alkalmaznak párhuzamosan kapcsolva, hogy a teljes gázmennyiség tisztítható legyen. Örvénycsövek. Az átmérőjük egészen kicsi. Itt a perdületes áramlást perdítő elemekkel, irányelterelő lapokkal hozzák létre. A kívánt gázmennyiség tisztítására több örvénycsövet alkalmaznak, amelyeket csoportokban helyeznek el. Porleválasztás ciklonban Környezettechnika 5

6 Szűréssel működő porleválasztók A szűrési folyamat lejátszatásakor a portartalmú gázt porózus szűrőrétegen vezetjük keresztül, ekkor a porszemcsék valamilyen szűrőhatás eredményeképpen visszamaradnak. A szűrőréteget szövetek, rostos és szemcsés anyagok képezhetik. A szűrőközeg kialakítási formája szerint tömlős, táskás, szemcseágyas, rostágyas valamint gyertyaszűrőkről beszélhetünk Környezettechnika 6

7 Elektrosztatikus porleválasztók A gázban lebegő, elektromos töltésű porrészecskék az ellentétes pólusú felület felé haladnak és ott leválasztódnak. Az elektrosztatikus porleválasztás alapeleme a leválasztó térbe épített két elektróda. Ha két fegyverzetre, egy sugárzó-és egy leválasztó elektródra, nagyfeszültségű egyenáramot kapcsolunk, a fegyverzetek között heterogén elektromos mező alakul ki. Az elektrosztatikus porleválasztó elvi vázlata A térerő változása a két elektród között Környezettechnika 7

8 Nedves porleválasztás Előnye, hogy megfelelően megválasztott mosófolyadékkal a szilárd és gázalakú szennyező komponensek eltávolítása, azaz a porleválasztás és az abszorpciós eljárás, egy lépésben megvalósítható. Tűz és robbanásveszélyes poroknál, illetve amikor a hordozó gáz tűz-és robbanásveszélyes, kizárólagosan a nedves porleválasztás alkalmazható. A nedves leválasztó berendezés beruházási költsége és helyigénye kisebb, mint az ugyanolyan leválasztási hatásfokkal rendelkező száraz porleválasztóé. Hátránya, hogy a levegő szennyező komponensei a gáztisztítás során a folyadék fázisba kerülnek. A folyadék további tisztításáról tehát gondoskodni kell. Hátránya továbbá hogy a nedves gáztisztító készülékek üzemeltetési költsége magasabb, mint az ugyanazon hatásfokú száraz porleválasztóé, valamint az, hogy télen a szabadba telepített készülék lefagyhat Környezettechnika 8

9 Abszorpció Gépészmérnöki és Informatikai Kar Abszorpción gázok és gőzök folyadékban történő elnyeletését értjük. Az abszorpció során a véggázból eltávolítandó gáz alakú szennyeződéseket folyadék fázisba visszük át. Megkülönböztetünk fizikai és kémiai abszorpciót. Fizikai abszorpciókor az elnyeletett komponens nem lép kémiai reakcióba az abszorbenssel, míg kemoszorpciónál az elnyelt komponens az abszorbenssel kémiai vegyületet képez. A fizikai abszorpció és a reverzibilis reakcióval kísért kemoszorpció megfordítható. A művelet során a következő részfolyamatok mennek végbe: az abszorbeálandó komponens diffúziója a gáz fő tömegéből a folyadék-gáz határrétegig, a gázrészecskék átmenete a folyadék-gáz határrétegen, az abszorbeált gázmolekula diffúziója a folyadék belsejébe. 1. a szennyezett gáz belépése; 2. abszorpciós berendezés; 3. tisztított gáz kilépése; 4. hűtő; 5. hőcserélő; 6. deszorbeáltató kolonna; 7. deszorbeált gáz (szennyező komponens); 8. az elnyelt anyagtól mentesített abszorpciós közeg Környezettechnika 9

10 Adszorpció Gépészmérnöki és Informatikai Kar Adszorpciókor a nagyfelületű szilárd anyag gáz-vagy folyadékelegyből egy vagy több komponenst megköt. A szilárd anyag neve adszorbens, a megkötött anyagot pedig adszorbeáltatott komponensnek, adszorptívumnak vagy adszorbeátumnak nevezzük. Az abszorpcióhoz hasonlóan az adszorpció is fizikai és kémiai lehet. A fizikai adszorpció az adszorbens és az adszorbeálandó anyag között fellépő van der Waals-féle erők hatására jön létre, de a két anyag között kémiai kötés nem alakul ki. Kémiai adszorpció lejátszódásakor a két anyag között kémiai kötés jön létre. Az adszorpciókor felszabaduló adszorpciós hő az adszorpciós energia mértéke. Álló ágyas adszorber Mozgóágyas adszorber Környezettechnika 10

11 Kondenzáció A kondenzációt a gőz, illetve a gőzt tartalmazó gáz hőmérsékletének csökkentésével illetve nyomásának növelésével érhetik el. A levegőtisztaság-védelemben elsősorban a hőmérséklet csökkenés hatására megvalósuló kondenzációt alkalmazzák. Termikus véggáztisztítás A termikus égetést olyan szerves anyagok, elsősorban szénhidrogének vagy bűzös vegyületek ártalmatlanítására használják, amelyeket nem érdemes visszanyerni, de ártalmasak lehetnek az egészségre, tűzveszélyesek lehetnek, vagy kellemetlen szagforrások komponenseiként szerepelhetnek. Az égetési eljárások az utóbbi évben megbízhatósági és gazdaságossági szempontból jelentősen fejlődtek. Az üzemeltetési költségek a modern berendezéseknél hővisszanyeréssel csökkenthetőek. Biológiai véggáztisztítás A biológiai gáztisztításban a gázszennyezések lebontására mikroorganizmusokat alkalmaznak. Mivel a mikroorganizmusok élettevékenységéhez a víz nélkülözhetetlen, azok a biológiailag lebontható szennyezések eliminálhatók ezen a módon, amelyek vízben oldódnak. A módszer előnye, hogy a lebontás kis hőmérsékleten játszódik le. A lebontást végző mikroorganizmusok csak szűk phtartományban életképesek, ezért a megfelelő ph-tartásáról gondoskodni kell. Bizonyos szennyezésekre (pl. nehéz fémek) a baktériumok érzékenyek, ezek jelenlétében dezaktiválódnak vagy elpusztulnak Környezettechnika 11

12 Szag és csökkentése Egyes légszennyező forrásokból távozó gázok és gőzök jelentős része igen intenzív szaggal rendelkezik. Ezek a szaganyagok a kibocsátást tekintve általában kis mennyiségűek, de már igen kis koncentrációban is jelentős szaghatást okoznak a szagforrások környezetében. A műszeres koncentrációméréssel párhuzamosan elvégzett érzékszervi vizsgálatok eredményeképp meghatározták az egyes szaganyagok szaglási küszöbértékét (szaglási határ), amely azt a szaganyag koncentrációt jelenti, amelyet egy átlagos orral rendelkező ember már érzékelni tud. A szag nem egy anyag tulajdonsága vagy jellemzője, hanem az anyag által az emberekből kiváltott reakciója. A szaganyagok jellemzői, az immisszió előforduló koncentrációi jelentősen nehezítik az anyagok azonosítását. Ezeken túl a szag nagyságának, koncentrációjának mikroanalitikai mérése a következő további nehézségekbe ütközik: a mikroanalitikai vizsgálatok hosszú időt vesznek igénybe, az eredményekre a szaggal kapcsolatos vitás esetekben viszont gyorsan szükség lenne; a mikroanalitikai vizsgálatok anyag-és műszerigényessége igen költségessé teszi a vizsgálatokat, ezt csak fokozza, hogy ezeket csak laboratóriumi körülmények között lehet végrehajtani; egyes komponensek koncentrációja gyakran a mérési határ alatt van; az egyes komponensek koncentrációiból nem lehet a ténylegesen kialakuló szag jellegére és nagyságára következtetni (nem ismertek pl. a gázok szinergista hatásai). Ezen mérési nehézségek következtében a szag nagyságának, a szennyezett levegő szagkoncentrációjának meghatározására az érzékszervi vizsgálat bizonyult a legalkalmasabbnak. Ezen vizsgálatok során a műszer maga az emberi orr. A vizsgálat során nem az egyes komponensek koncentrációjának mérése történik, hanem a szagkeverék szaghatásának értékelése Környezettechnika 12

13 Szag mérése Érzékszervi vizsgálat Valamely szag nagyságának érzékszervi vizsgálattal történő mérésekor komoly nehézség, hogy a kiértékelő műszer az érzékelő személy orra, amely ugyan lehetővé teszi a szubjektív értékelést, de nehezen alkalmazható objektív értékelő berendezésként. Az is nehezíti az ilyen módon történő mérést, hogy az értékelő személynek a szagérzete folyamatos szagterhelés esetén csökken, azaz az értékelő személy orra elfárad, hozzászokik a vizsgált szaghoz. Ezeket a szempontokat az objektív mérési eredményt adó mérési módszer kifejlesztésekor figyelembe kellett venni. A szagkoncentráció mérése dinamikus olfaktometriával A szagmérésre jelenleg alkalmazott berendezés gyakorlatilag nem más, mint egy precíziós gázkeverő készülék, amelynek az érzékelője továbbra is az emberi orr. A vizsgálandó bűzös levegőt semleges referenciagázzal hígítják egyre csökkenő mértékben mindaddig, amíg a mérő személy a detektálásra kiképzett orrmaszkban megérzi a szag megjelenését. További fontos kérdés a mérést végző személyek kiválasztása. A kiválasztásra vonatkozó magyar szabvány a mérés során átlagos szaglóképességű személyek közreműködését írja elő. A mérésre alapvetően a következő személyek alkalmasak: év közötti életkorúak, nem szenvednek meghűléses betegségben, a mérés időpontja előtti 30 percben nem étkeztek, dohányoztak; a vizsgálat napján nem fogyasztottak erősen fűszeres ételt, nem használtak a mérést megelőzően erős illatú kozmetikumot Környezettechnika 13

14 Szagkibocsájtás csökkentésének lehetőségei A szagkibocsátásának csökkentésére két alapvető módszer alkalmazható: az aktív, illetve a passzív (end of pipe) eljárások. Az aktív megoldások alkalmazása esetén már a technológiai tevékenység során csökkentjük, megakadályozzuk a szaganyagok keletkezésének lehetőségét. Ez a szagforrások (bűzös technológiai tevékenységek) jellemzőinek megfelelő megváltoztatásával érhető el. A passzív eljárások lényege az, hogy a kibocsátó forrásból kilépő szagszennyezett levegőt utólagos kezeléssel tisztítjuk meg a szennyező anyagoktól. A szagkibocsátás csökkentésének aktív módszerei A szag kialakulását, a keletkezett szaghatás nagyságát álattartás esetén a következő tényezők befolyásolják: a tartott állat fajtája, faja; a tartási mód: almozott, almozatlan; kötött, kötetlen; a takarmányozás módja; a takarmány minősége; alom (trágya) minősége, nedvességtartalma; beszórt alom minősége; padozat kialakítása (lejtés, vizelet és csurgalékvíz elvezetése); itatóberendezések üzemeltetése; etető-berendezések üzemeltetése; trágyaeltávolítás gyakorisága. A szagkibocsátás csökkentésének passzív módszerei A különböző bűzös technológiák által okozott szaghatás csökkentésével kapcsolatban felmerült passzív megoldási lehetőségek a következők: adszorpció különböző anyagokon (pl. aktív szénen); mosóeljárás különböző lúgos vagy savas oldatokkal, esetleg vízzel; ózonizálás; fedés, közömbösítés; szagemisszió szétszórása a légkilépőnyílás magasságának emelésével; biológiai véggáztisztítási lehetőségek (biomosók, bioszűrők) Környezettechnika 14

15 Levegőminőség mérése Mintavétel A mintavétel egyszerű esetben a levegőnek műanyag ballonba, üvegedénybe juttatása. Analitikai eljárások Az analízis, tekintettel az igen kis mennyiségekre, érzékeny módszereket követel. A kézi, vagy automatikus eszközökkel végzett, hagyományosnak tekinthető mintavételt követően leggyakrabban a fotometriás, konduktometriás, súly szerinti, gázkromatográfiás (GC), ionkromatográfiás, nagynyomású folyadékkromatográfiás (HPLC), vagy atomabszorbciós spektrométeres (AAS) analíziseket alkalmazzák. A leggyakoribb szennyező anyagok részletes kémiai analitikai eljárásait nemzetközi és magyar szabványok tartalmazzák. Passzív monitorok Egyszerű, viszonylag olcsó eszközök, melyek rendszerint egy tartóból (kapszulából, patronból, csőből) és egy abszorbensből (reagenssel átitatott szűrőből, aktív szénből stb.) állnak. Több napos expozíciójuk egyszerű kihelyezéssel történik, felületükön a szennyező anyag, koncentrációjának megfelelő arányban, megkötődik. Laboratóriumi analízisük anyagonként eltérő. Nagy területek vizsgálhatók segítségükkel, alkalmazásuk elsősorban tájékozódó felméréseknél, előzetes vizsgálatoknál indokolt. Biológiai vizsgálatok A szabad légkörben ártalmas (humán pathogén) mikroorganizmusok csak kis számban fordulnak elő. Zárt helyeken azonban (iskola, kórház, munkahely, metróállomás stb.) esetenként szükséges bakteriológiai mintát venni. Ennek eszköze az ún. réses mintavevő, mely táptalaj felületére ütközteti a mikroorganizmusokat. A táptalajról azokat kitenyésztik és faj szerint azonosítják. Folyamatos üzemű analizátorok (air monitorok) A folyamatos méréseik adatait egyidejűleg továbbítják egy adatgyűjtő központba. A rendszerint többféle szennyező anyag mérésére szolgáló, komplex monitor állomásokat konténerbe, vagy mérő gépkocsiba építik be. Egy komplett mérőállomás beszerzési és üzemeltetési költsége természetesen nagy. Terjedési modellek alkalmazása a levegőminőség meghatározására A mérések kiegészítésére esetenként, pl. hatásvizsgálatokhoz, pótolhatatlan a terjedési modellek alkalmazása. Az első terjedési modelleket emisszió-pontforrásokra dolgozták ki. Ma már használatban vannak az immisszió adatokat felhasználó, városi közlekedési és települési terjedési modellek is. Ezek az immisszió-mérő állomások adataira támaszkodva, az emissziók, a terepalakulatok és a meteorológiai tényezők figyelembe vételével, jelentős kiterjedésű területek expozícióját jó közelítéssel adják meg. Előnyük továbbá, hogy változó állapotokra, prognózisok készítésére is alkalmasak Környezettechnika 15

16 Emisszió mérése A kibocsátás más néven emisszió meghatározása történhet méréssel, illetve műszaki számítással. A számítással történő meghatározás alapul veszi az anyagmérleget, a fajlagos és tapasztalati adatokat. A gázemisszió-mérések lefolytatásának menete a technológia, vagy művelet megismerése, adatgyűjtés, helyszíni szemle, mérőhely kijelölése, mérőállás kialakítása, mérési terv elkészítése, mérőhely ellenőrzése, méréshez szükséges eszközök és egyéb feltételek előkészítése, illetve biztosítása, a mérőeszközök kihelyezése a mérőhelyre, mérőkörök összeállítása, mérés A gázanalízisnél egy, két vagy több komponensből álló gáz (mérendő gáz) összetételét kell meghatározni. A gyakorlatban általában elégséges a keverék egyik komponense (mérendő komponens) koncentrációját meghatározni. Folyamatos gázanalizáláshoz vagy tisztán fizikai, illetve fizikai-kémiai, vagy pedig elektrokémiai eljárásokat használnak, amelyeknél a mérendő komponens koncentrációja elektromos mennyiséggé általában egyenfeszültséggé vagy egyenárammá van átalakítva. Gáz-mintavételi hely kiválasztása Porszűrés Nedvességleválasztás Zavarókomponensek kiszűrése A mintagáz szállítása Kiegészítő mérések: Hőmérsékletmérés Gázmennyiség mérés Térfogatáram mérése Gázelőkészítő egység Regisztráló és adatgyűjtő egység Környezettechnika 16

17 Emisszió mérőrendszerek kalibrálása Statikus módszer A kalibráláshoz alkalmas térfogatarányban összeállított gázmintát elkészíthetjük úgy, hogy ismert összetételű hordozógázt (pl. nitrogén) tartalmazó tartályba juttatjuk a vizsgálandó gázalkotót. A hordozógáz üvegballonba, acél vagy műanyagpalackban lehet. Dinamikus módszer A statikus módszereknél általában egyszerűbbek és kedveltebbek. A legegyszerűbb kalibráló eszköz a gázmintával megtöltött palackok választéka és alkalmazása egyre növekszik, és gázelemző műszereket gyártó vállalatok is forgalmazzák ezeket. Számos nagyvállalat specializálta magát gyártásukra ( Messer-Griessheim, Matheson Gas Products, Air Products, Linde stb.) Legegyszerűbb és viszonylag olcsó a gázáram útjába iktatott áramlási ellenállások változásával működő gázkeverő. Hibája legalább 1% a kalibráló koncentrációjára vonatkoztatva Környezettechnika 17