A környezetszennyezés folyamatai - migráció

Átírás

1 A környezetszennyezés folyamatai - migráció 3) Reakciók (kötésállapot-változások) Hajtóerő: a reakcióval megvalósuló energiaváltozás, a kémiai potenciál gradiense fizikai: fázisváltozás, adszorpció kémiai: felületi (kemiszorpció, ioncsere) és térfogati reakciók dc dt A = k. n i= 1 c ν i i A reakciósebességi egyenlet általános alakja: az A komponens változása minden reakciópartner koncentrációjának függvénye. ν: sztöchiometriai együtthatók = hány darab szükséges a reakcióhoz az adott atomfajtából 1

2 A környezetszennyezés folyamatai - migráció Reakciók Elsőfokú reakciósebességi egyenlet: dc dt A = k c A Az A komponens reakciósebessége csak ennek a komponensnek a pillanatnyi koncentrációjától függ, mivel az összes többi komponens mennyisége a reakció alatt állandó. (= Nagy feleslegben vannak) Példák: szennyező ionok adszorpciója vízben lebegő kolloidok felületén, szennyező gázok reakciója a levegő oxigénjével.

3 A környezetszennyezés folyamatai - migráció 4) Ülepedés (levegőből: kihullás, fall-out) Hajtóerő: a gravitációs potenciál gradiense valószínűségi modell: a közeg (mátrix) molekuláinál nehezebb komponensek az egyéb irányú mozgások mellett lefelé (a Föld felszíne felé) ülepednek, időegység alatt az adott komponens részecskéinek állandó hányada lép ki a közegből az elsőfokú kémiai sebességi egyenlet formai analógja dc dt A = k d w. c A d: száraz ülepedés w: nedves ülepedés 3

4 Migráció a részfolyamatokat összesítő általános differenciálegyenlet c t = A + D + R + P + S(t) Részfolyamatok: A advekció, D diffúzió, R reakció, P ülepedés S(t): forrástag, lehet állandó vagy időben változó Migráció homogén és heterogén környezeti rendszerekben Homogén rendszer: felszíni- és karsztvíz, atmoszféra = egyetlen fázisból álló összefüggő rendszer egy összefüggő egyenletrendszerrel leírható Heterogén rendszer: talajvíz, kőzetvíz, biológiai anyagok (élő szervezetek) = több fázisból álló, határfelületekkel tagolt rendszer nem írható le egységes rendszerként 4

5 A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció dinamikus (időben és térben is változó) vagy sztatikus (csak térben változó, időben stacionárius) átviteli függvényekkel is leírható. (Áttörés: dinamikusból sztatikus profil) b: megfigyelés pont; c/c 0 : a pillanatnyi és a telítési koncentráció aránya 5

6 A környezetszennyezés folyamatai - migráció A környezeti elembe folyamatosan bejutó szennyezés terjedése áttörési profil Példa: szennyezés folyamatos beoldódása egy tóba a beledobott festékesdobozból. Az áttörési görbe a Gauss-féle hibaintegrál -lal írható le. 6

7 A környezetszennyezés folyamatai - Az eddig áttekintett differenciálegyenletek megoldásával előálló integrál-egyenletek általános képe Kis mennyiségű szennyezés rövid ideig tartó bevitelére (= pöff, dugó) migráció 7

8 A környezetszennyezés folyamatai - migráció Homogén migrációs rendszerek: felszíni- és karsztvíz, légkör = egyetlen fázisból álló összefüggő rendszerek egy összefüggő egyenletrendszerrel leírhatók Heterogén migrációs rendszerek: talajvíz, kőzetvíz, biológiai anyagok (élő szervezetek) = több fázisból álló, határfelületekkel tagolt rendszerek nem írhatók le egységes rendszerként 8

9 Migráció levegőben Levegő - A Föld légkörét alkotó gázelegy. A száraz levegő sűrűsége 1,93 kg/m 3 1, Pa nyomáson és 0 C hőmérsékleten; fajhője állandó térfogaton: 0,70 J/(kg K), állandó nyomáson pedig 1,007 J/(kg K); A száraz levegő fő komponensei (térfogat %): Nitrogén N 78,084 Oxigén O 0,946 Argon Ar 0,934 Széndioxid CO 0,033 Neon Ne 0,0018 Hélium He 0,00054 Metán CH 4 0,000 Kripton Kr 0, Hidrogén H 0,00005 A vízgőz térfogataránya 0-4% között változhat. Az összetétel a földfelszíntől 0-5 km magasságig nem változik. 9

10 Rétegek (szférák) Migráció levegőben Kémiai rétegek: homoszféra <90 km-ig (állandó összetétel) heteroszféra ~3000 km (változó összetétel, a nehezebb gázok egyre fogynak, legfelül: H, He) Hőmérsékleti rétegek: troposzféra (1 15 km-ig; -60 o C) sztratoszféra (50 km-ig, +10 o C) mezoszféra (-90 o C, 90 km-ig) termoszféra (ionoszféra) (000 o C, 500 km-ig) exoszféra (átmegy az űrbe) 10

11 Migráció levegőben a hőmérsékleti rétegződés következtében Az átlagos adiabatikus hőmérsékletcsökkenés -0,5...-1,0 C/100 m Hajnalban a talaj hideg, a levegő a talajtól távolodva melegebb. A levegőt a napsütötte talaj melegíti, a talajhoz közeli levegő felmelegszik. Ha a talajhoz közeli hőmérsékleti rétegeződés az adiabatikusnál kisebb hőmérsékletcsökkenésű, akkor a talaj közelében keveredési réteg alakul ki. A fel- és leszálló légáramlatok intenzív turbulenciát okoznak. A keveredési réteg egyre nagyobb, majd este a keveredési réteg befagy. A talaj hőkisugárzásának megváltozása révén kialakul az inverzió. Erősen stabil légrétegeződéshez derült éjszaka kell, gyenge széllel. Erősen instabil légrétegeződés erős napsugárzás és szélcsend vagy gyenge szél esetén áll elő. A szél hatására semleges (neutrális) hőmérsékleti rétegeződés alakul ki. 11

12 Migráció levegőben - légköri stabilitás a függőleges hőmérséklet-gradiens függvényében stabil semleges - stabil instabil semleges stabil - semleges 1

13 A környezetszennyezés folyamatai migráció levegőben Homogén rendszer, x irányú állandó szélsebesség. A diffúzióhoz rendelhető Darcy-sebesség azonos nagyságrendű is lehet a közös (gravitációs és termodinamikai) potenciál által definiált szélsebességgel. Ülepedés akkor feltételezhető, ha a szennyezés nehéz gáz vagy aeroszol c t. = q u x Időegységre jutó forrástag c + D x x x c + D x y y c + D y z z c αˆc z advekció diffúzió ülepedés A szélirány x 13

14 Migráció levegőben A migráció differenciálegyenletének integrálásához egyszerűsítő feltételek választhatók: A kibocsátás lehet folyamatos (állandó) vagy pillanatszerű; A szélirány lehet változatlan a kibocsátás tartama alatt; A szélsebesség lehet sokkal nagyobb, mint az ugyanolyan (x) irányú Darcy-sebesség: ekkor az x irányú diffúzió elhanyagolható. Az ülepedés lehet száraz vagy nedves. A kibocsátott anyag kezdeti mozgásmennyiségét a kéménymagasságba számíthatjuk be. 14

15 Migráció levegőben Integrálegyenlet - csóva modell Gauss-modell - Rövid ideig tartó, homogén (állandó áramú) kibocsátás terjedése x irányba fújó, u sebességű széllel y exp σ (z h) exp σz (z + h) + exp σz Q c = πσy σzu y αˆ x exp u Q átlagos kibocsátott anyagáram [mól/s] σ y, σ z :a diffúziót (diszperziót) jellemző csóvaszélesedés [m] tartalmazza a diffúziós együtthatót diszperzió: a szélirány ingadozását a diffúzió erősítéseként értelmezzük h : effektív kéménymagasság [m] ahol a szennyezés csóvája befordul x irányba kémény + csóvaemelkedés ülepedés: véletlenszerű fogyás 15

16 Migráció levegőben Integrálegyenlet - csóva modell Energetikai (kinetikai/termikus) jellemzők csóvaemelkedés/effektív kéménymagasság Kinetikus és termikus energiával nem rendelkező kibocsátás (hideg szivárgás) Kinetikus energiával rendelkező (szellőzőrendszer kéménye) Termikus energiával rendelkező ( rezsó") Termikus és kinetikus energiával rendelkező (hőerőmű kémény) 16

17 Migráció levegőben Integrálegyenlet - pöff modell Gauss-modell - Pillanatszerűen kibocsátott szennyezés- adag (puff = pöff) szétterülése szélirány- és szélsebesség-változásokkal Q: a pöffbe került szennyezés [mól] x- és y-irányban azonos diszperziós paraméter Q x y (z h) (z + h) = exp exp exp exp exp α 3/ (π) σ y σ z y y + σ σ σz σz c A pöff pillanatnyi helyzetét független útfüggvény (= advekció) határozza meg. 17 ( ˆt)

18 Migráció levegőben diszperziós együtthatók Pasquill-kategóriák A hőmérséklet-gradiens és a szélsebesség függvényei F: a legstabilabb légkör A leggyakoribb kontinentális állapot: D 18

19 A környezetszennyezés folyamatai migráció homogén környezeti közegben - vízi rendszerek Felszíni- és karsztvizek csoportosítása terjedési sajátosságaik szerint 4 alapmodell Folyók Rivers (jellemzők: hőmérséklet, folyóágy geometriája, esés, térfogatáram, kapcsolat a talajvízzel [intrusion], lebegő szennyezés összetétele és koncentrációja) Torkolatok Estuaries (jellemzők: fentiek + szalinitás, üledékképződés) Nyílt víz/nyílt part Open shores (tó, tenger, óceán jellemzők: ár-apály mozgások, stagnálás, hőmérsékleti rétegződés) Tározók Small ponds (jellemzők: fentiek + ki- és befolyás, vízhasználat) 19

20 A környezetszennyezés folyamatai migráció homogén vízi rendszerben Szennyezés terjedése folyókban terjedési szakaszok: 1. fázis: kezdeti keveredési tartomány= a beömlési sebességvektor iránya különbözik a folyási sebesség vektorának irányától, az effluens és a befogadó közeg hőmérséklete eltér: a beömléstől 100 ágymélységnyi távolságra [near-field]. fázis: teljes keveredés tartománya= a szennyezés már együtt halad a folyóval, de még nem telt el elég idő reakciók végbemenetelére: beömléstől 10-0 km-ig [full mixing] 3. fázis: hosszú távú keveredés tartománya = reakció és ülepedés jelentősen megváltoztathatja a szennyezés eloszlását [far-field] 0

21 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Szennyezés terjedése folyókban a. fázisban még csak advekció és diffúzió számít, a koncentráció a függőleges rekeszekben már homogén. x: folyási irány, y: keresztirány, z: függőleges irány u (y): x irányú folyási sebesség, függ y-tól 1

22 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Az advekciós és diffúziós tagból álló összetett differenciálegyenlet pl. végeselem-módszerrel oldható meg. Az f -fel jelölt profilfüggvény Gauss-függvényt, valamint a parti visszaverődés miatt periodikus c( x, w) tagokat tartalmaz. f ( x = x K ) dw 1 W 0 = Q W f ( x, y, w) Q = W c 0 Q : a szennyezés időben állandó beviteli sebessége [mól/s] W: a folyó állandó térfogatárama [m 3 /s] c 0 : tökéletes keveredés (végtelen turbulencia) esetén kialakuló egységes koncentráció

23 Terjedés folyókban A. fázis modelljének grafikus képe c 0 : tökéletesen kevert átfolyó tartályban kialakuló koncentráció ( kádmodell ) 3

24 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Néhány jellemző adat: Folyók folyási sebessége : 0.1 m/s Térfogatáram: Duna (Mo.-n): átlag: 500 m 3 /s, szélsőségek: m 3 /s, Sió: maximum 30 m 3 /s Diffúziós együttható (vízben, fémionokra, lamináris áramlásnál): 0, m /s Turbulencia esetén 4 6 nagyságrenddel nagyobb értékek! Koncentráció-különbségek a Duna két partja között: a. terjedési fázisban a szennyezés befolyási oldalán kb. 4-szer akkora a koncentráció, mint a szemközti oldalon. 4

25 A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció modellezésének célja a szennyező anyagok koncentrációját jellemző hely- és időfüggés meghatározása. Időben változó = dinamikus rendszereknél a terjedési differenciálegyenlet megoldása szükséges. Időben [bizonyos időtartamig] nem változó = sztatikus rendszernél elegendő a rendszer egyes (térben elkülönülő) elemei között fennálló koncentrációarányok meghatározása. A heterogén közegben végbemenő migráció leírását gyakran közelítik sztatikus rendszermodellel. Az azonos paraméterekkel (állapotjelzőkkel) jellemezhető rendszerelemek a rekeszek (kompartmentek) ez mind dinamikus, mind sztatikus rendszereknél alkalmazható egyszerűsítés. 5

26 A migráció folyamatai dinamikus vagy sztatikus rendszer Stacionárius esetben: K SL = c S /c L állandó Vastag tavi üledék: Megoszlás két, önmagában homogénnek tekintett kompartment között 6

27 Migráció heterogén közegben - talajvíz Porozitás: n = pórustérfogat és összes térfogat aránya Telítettség: két- vagy háromfázisú rendszer Modell: Vízáramlás és szennyezés koncentrációjának változása kompartmentek között A vízáramlás hajtóereje a hidraulikus (gravitációs és termodinamikus) potenciál advekciót és diszperziót eredményez h = z + p ρ g n V L VL + V S 7

28 Migráció heterogén közegben - talajvíz 8

29 Migráció heterogén közegben - talajvíz A terjedési differenciálegyenletrendszer megoldása az egyes kompartmentekre - dugószerű szennyezés jut a talajba. Két megoldási változat eredménye egy adott (x,y,z) pozíciójú kompartmentre csak az adszorpciós modellben volt eltérés 9

30 Szorpciós integrálegyenletek c S = K D c L Lineáris (Henry-) izoterma S: szilárd fázis L: folyadékfázis K: megoszlási tényező c S = c S,max. K c c L 1+ K L L c L Langmuir-izoterma Egyenrangú kötőhelyek, telítés = teljes borítottság c S = K F c a L Freundlich-izoterma a 1 előbb az erős, utóbb a gyenge kötőhelyeken történik szorpció 30

31 Migráció heterogén közegben a talajvíz szennyezettsége A felszín alatti vizek minőségét érintő tevékenységekkel összefüggő egyes feladatokról szóló 33/000. (III. 17.) kormányrendelet az (A) háttérérték, (B) szennyezettségi határérték és (C1), (C), (C3) intézkedési szennyezettségi határértékek mellett (D) kármentesítési szennyezettségi határérték alkalmazását vezette be. A (D) kármentesítési szennyezettségi határértéket (= mentesítési célérték) kockázatfelmérésre támaszkodóan, a területhasználat figyelembevételével kell meghatározni a földtani közegre, illetve a felszín alatti vízre. 31