Μηχανική Περιβάλλοντος

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μηχανική Περιβάλλοντος"

Transcript

1 Μηχανική Περιβάλλοντος Τµήµα Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης Δηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Ρυπασµένη ατµόσφαιρα, οι ρυπογόνοι παράγοντες

2 Ο καθαρός αέρας Πίνακας. Η σύσταση του καθαρού αέρα σε ξηρή και υγρή βάση. (Boube et a. Fundamentas of air poution, 1994) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 2

3 Πρωτογενείς-Δευτερογενείς ρύποι ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 3

4 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 4

5 Ο κύκλος του C στη φύση (1500) Σχήµα. Μετακίνηση του C µεταξύ ατµόσφαιρας-πανίδας-χλωρίδας-ωκεανών-πετρωµάτων. (αριθµοί σε δισεκατοµµύρια τόνους C / έτος). ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 5

6 Εκποµπές CO 2 Πίνακας. Εκποµπές CO 2 από ανθρώπινες δραστηριότητες στην ατµόσφαιρα. Προέλευση Εκποµπές CO 2 (10 9 τόνοι / έτος) Καύση άνθρακα 7 Καύση πετρελαίου 5 Καύση φυσικού αερίου 2 Άλλα 1 Σύνολο 15 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 6

7 Εκποµπές CO 2 Σχήµα. Ατµοσφαιρική συγκέντρωση CO 2 (µετρήσεις στο Mauna Loa, Hawai, USA). Παρατηρήστε την περίπου γραµµική αύξηση στις µετρηµένες συγκεντρώσεις και τη λιγότερο έντονη αύξηση των εκποµπών µετά την πετρελαϊκή κρίση στη δεκαετία του 1970.(Πηγή. Goba warming, the Greenpeace report, 1990). ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 7

8 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 8

9 Κατανάλωση ορυκτών καυσίµων Σχήµα. Διαχρονική εξέλιξη της κατανάλωσης ορυκτών καυσίµων από την Βιοµηχανική επανάσταση και εντεύθεν. (Πηγή. British Petroeum, Wordwatch, 1992). ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 9

10 CO Γενικά Αέριο άχρωµο, άοσµο, ελάχιστα διαλυτό στο νερό, αναφλέξιµο Από ατελή καύση HCs (αυτοκίνητα, - 70%, στιγµιαία καύση µίγµατος µε αέρα) Η παραγωγή CO (-26,4 Kca/g-moe) αντί CO 2 (-94 Kca/g-moe) έχει ως αποτέλεσµα την απώλεια του 2/3 της διαθέσιµης ενέργειας ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 10

11 CO Πηγές ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 11

12 CO Φυσικές πηγές παραγωγής Ατµοσφαιρική οξείδωση του CH 4 (80% του CO των µη κατοικηµένων περιοχών) Μεταφορά από επιφάνειες ωκεανών, αποσύνθεση χλωροφύλλης (12% της συνολικής έκλυσης CO) Ηφαίστεια, δασικές πυρκαγιές ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 12

13 Ατµοσφαιρική οξείδωση του CΗ 4 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 13

14 CO Φυσικοί µηχανισµοί αποµάκρυνσης Χρόνος παραµονής στην ατµόσφαιρα: 4 µήνες Επικρατέστερος µηχανισµός στην κατώτερη στρατόσφαιρα CO + OH - CO 2 + H - (H 2 O + hν ΟΗ - + Η - ) Μηχανισµός στην τροπόσφαιρα CO + ½ O 2 (βακτήρια εδάφους) CO 2 CO + 3Η 2 (βακτήρια εδάφους) CΗ 4 + Η 2 Ο CO + O - CO 2 Ρυθµός απορρόφησης από µύκητες, φυτά: 2 µg/s/m 2 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 14

15 CO Τοξικότητα Το CO ανταγωνίζεται τη δέσµευση του O 2 από την αιµοσφαιρίνη του αίµατος, παράγοντας καρβοξυ-αιµοσφαιρίνη, που δεν έχει πλέον την ικανότητα δέσµευσης και µεταφοράς Ο 2 Hb + O 2 HbO 2 Η χηµική συγγένεια του CO µε την αιµοσφαιρίνη είναι 210 φορές µεγαλύτερη από αυτή του Ο 2 µε αποτέλεσµα να αρκούν µικρές µερικές πιέσεις (συγκεντρώσεις) CO για να δεσµεύσουν µεγάλες ποσότητες αιµοσφαιρίνης σχηµατίζοντας καρβοξυ-αιµοσφαιρίνη Hb + CO HbCO ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 15

16 CO Τοξικότητα Στον καθαρό αέρα (δηλ. 0,1 ppm CO) το αίµα του ανθρώπου έχει 0,5% καρβοξυ-αιµοσφαιρίνη Οι καπνιστές (περίπου 400 ppm CO στον καπνό) έχουν επίπεδα καρβοξυ-αιµοσφαιρίνης της τάξης του 5-10% Μηχανικοί συνεργείων, τροχονόµοι (δηλ ppm CO) µέχρι 18% καρβοξυ-αιµοσφαιρίνη ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 16

17 HCs - Υδρογονάνθρακες Διαχωρισµός σε: CH 4 (δεν συµµετέχει σε φωτοχηµικές αντιδράσεις, σε αστικές περιοχές 1,0-1,5 ppm,) VOCs (τάση ατµών p>0,1 mm Hg σε 20 o C, 760 mm Hg) Πηγές: φυσικές ( τόνοι/έτος CH 4 ) ανθρωπογενείς ( τόνοι/έτος HCs µε 90% CH 4 ) PAHs ιδιαίτερα τοξικοί και καρκινογόνοι (βενζόλιο) Ιδιαίτερη συνεισφορά των HCs στη δηµιουργία του φωτοχηµικού νέφους ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 17

18 PO Φωτοχηµικά Οξειδωτικά Προϊόντα πολύπλοκων ατµοσφαιρικών αντιδράσεων οργανικών ουσιών, HCs και NOx υπό την παρουσία ηλιακού φωτός Αναφέρεται κυρίως σε αζωτο-οξείδια, όζον, νιτρικά υπεροξυ-ακύλια που αναπτύσσονται στο φωτοχηµικό νέφος Πρωτογενή συστατικά Φ.Ν. : HCs, NO, Δευτερογενή συστατικά Φ.Ν. : αλδεύδες, ΝΟ 2, Ο 3, PAN ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 18

19 Φωτοχηµικό Νέφος / Αιθαλοµίχλη Παραγωγή ΝΟ στις υψηλές θερµοκρασίες των µηχανών εσωτερικής καύσης Παραγωγή ΝΟ 2 από την οξείδωση του ΝΟ 2ΝΟ + Ο 2 2ΝΟ 2 Φωτόλυση ΝΟ 2 σε λ<3800 Å και παραγωγή ατοµικού οξυγόνου Παραγωγή όζοντος ΝΟ 2 + hν ΝΟ + Ο Ο + Ο 2 + Μ Ο 3 + Μ ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 19

20 Φωτοχηµικό Νέφος Σχήµα. Ηµερήσια µεταβολή των ρύπων ΝΟ, ΝΟ 2 και Ο 3 στο Los Angees ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 20

21 Φωτοχηµικό Νέφος / Αιθαλοµίχλη Φωτοχηµική αιθαλοµίχλη: έντονη απορρόφηση του κυανού και κίτρινου µέρους του φάσµατος της ηλιακής ακτινοβολίας από το ΝΟ 2 Στρώµα αέρα πάχους 2 Κm µε συγκέντρωση ΝΟ 2 0,1 ppm ελαττώνει την ένταση του κυανού και υπεριώδους φωτός > 90% µέσα από οριζόντια διαδροµή περίπου 15 Κm. ΝΟx (τόνοι / ηµέρα) HCs (τόνοι / ηµέρα) Δραστηριότητα Αθήνα Θεσσαλονίκη Αθήνα Θεσσαλονίκη Βιοµηχανία 61,0 7,7 41,0 0,3 Τροχοφόρα 64,1 5,3 42,0 5,2 Θέρµανση 4,5 2,1 0,9 0,5 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 21

22 Κύκλος του αζώτου A ife requires nitrogen-compounds, e.g., proteins and nuceic acids. Air, which is 79% nitrogen gas (N 2 ), is the major reservoir of nitrogen. But most organisms cannot use nitrogen in this form. Pants must secure their nitrogen in "fixed" form, i.e., incorporated in compounds such as: o nitrate ions (NO 3 ) o ammonia (NH 3 ) o urea (NH 2 ) 2 CO Animas secure their nitrogen (and a other) compounds from pants (or animas that have fed on pants). Four processes participate in the cycing of nitrogen through the biosphere: nitrogen fixation decay nitrification denitrification Microorganisms pay major roes in a four of these. ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 22

23 Κύκλος του αζώτου Nitrogen Fixation The nitrogen moecue (N 2 ) is quite inert. To break it apart so that its atoms can combine with other atoms requires the input of substantia amounts of energy. Three processes are responsibe for most of the nitrogen fixation in the biosphere: atmospheric fixation by ightning bioogica fixation by certain microbes aone or in a symbiotic reationship with pants industria fixation Atmospheric Fixation The enormous energy of ightning breaks nitrogen moecues and enabes their atoms to combine with oxygen in the air forming nitrogen oxides. These dissove in rain, forming nitrates, that are carried to the earth. Atmospheric nitrogen fixation probaby contributes some 5 8% of the tota nitrogen fixed. Industria Fixation Under great pressure, at a temperature of 600 C, and with the use of a catayst, atmospheric nitrogen and hydrogen (usuay derived from natura gas or petroeum) can be combined to form ammonia (NH 3 ). Ammonia can be used directy as fertiizer, but most of it is further processed to urea and ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ). ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 23

24 Κύκλος του αζώτου Κίτρινα βέλη: ανθρωπογενείς πηγές του Ν 2 στο περιβάλλον. Κόκκινα βέλη: µικροβιακές µετατροπές του Ν 2. Μπλε βέλη: φυσικές δυνάµεις που επενεργούν στο Ν 2. Πράσινα βέλη: φυσικές, µη-µικροβιακές διαδικασίες που επηρρεάζουν το σχηµατισµό και την τύχη του Ν 2. ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 24

25 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 25 Κύκλος του αζώτου

26 Ο κύκλος του N 2 στην ατµόσφαιρα +Ο ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 26

27 ΝΟx NH 3 Τα ΝΟx µε ανθρωπογενή προέλευση περίπου το 6% της συνολικής ποσότητας ΝΟx Άνθρακας > πετρέλαιο > φυσικό αέριο Συνεισφορά βιολογικών δραστηριοτήτων: ΝΟ: 0,5 Gt/yr N 2 O: 0,6 Gt/yr NH 3 : 3,7 Gt/yr (1 Gt = 1 δισ. τόννοι) «Κριτήρια Ποιότητας της Ατµόσφαιρας» Επίδραση του ΝΟ 2 σε ανθρώπους και χλωρίδα ΝΟ 2 Άνθρωποι Χλωρίδα Συγκέντρωση (ppb) Έκθεση (µήνες) Αποτέλεσµα > 6 >8 Οξεία βρογχίτιδα σε παιδικό πληθυσµό Πτώση φύλλων, µείωση παραγωγής ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 27

28 Εκποµπές ΝΟ Χ (ΗΠΑ, 2003) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 28

29 NH 3 Φυσική προέλευση µέσω βακτηριδίων ( τόνοι/έτος), κατά 99% φυσικός «ρύπος» Ανθρωπογενής προέλευση ( τόνοι/έτος) Σχηµατισµός aeroso (NH 4 NO 3, NH 4 C, (NH 4 ) 2 SO 4 ) και άρα διατήρηση στην ατµόσφαιρα και µεταφορά Ατµοσφαιρική συγκέντρωση: 5 µg/m 3 Χρόνος ηµιζωής: 7 ηµέρες ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 29

30 Ο κύκλος του S ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 30

31 ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 31

32 Οι ενώσεις S (κακόφηµες-δύσοσµες) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 32

33 Ο κύκλος του S στην ατµόσφαιρα ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 33

34 SO 2 - Πηγές ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 34

35 Διοξείδιο του Θείου (SO 2 ) Πηγές (ανθρωπογενείς / φυσικές = 0,5 / 1) Ηφαίστεια, θερµές πηγές Καύση C (0-6% κ.β. σε S) (>100 εκ. τόνοι S/έτος ) Καύση & διύλιση πετρελαίου ((<0,05% κβ S) (>30 εκ. τόνοι S/έτος) Μεταλλουργικές βιοµηχανίες (φρύξη σουλφιδίων) (>20 εκ. τόνοι S/έτος) Μεγάλη ευαισθησία του ανθρώπινου οργανισµού (όριο αντίληψης 0,3 ppm, δυσαρέσκεια 1 ppm, αναπνευστικές διαταραχές 5 ppm) Η πλειονότητα των προαναφερθέντων επεισοδίων ρύπανσης οφείλεται στο SO 2 και στις επικρατούσες ευνοϊκές συνθήκες για παραγωγή H 2 SO 4 Υψηλή ευαισθησία και της χλωρίδας στο SO 2 Υψηλή ευαισθησία και διαφόρων υλικών στο SO 2 (µεταλλικές κατασκευές, οικοδοµικά υλικά, µπογιά, υφάσµατα, µάρµαρα φαινόµενο γυψοποίησης) Η οξείδωση του SO 2 που είναι ο κύριος «καταστροφικός» µηχανισµός, επηρεάζεται από θερµοκρασία, σχετική υγρασία, ύπαρξη σωµατιδίων-καταλύτες (Mn, Fe, Cu, Cr 2 O 3, A 2 O 3 κτλ.) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 35

36 Υδρόθειο (Η 2 S) Πηγές Ανθρωπογενείς (βιοµηχανίες πετρελαίου χάρτου, πλαστικών ~10 8 τόνοι/έτος) Φυσικές (ηφαίστεια, αναερόβια αποσύνθεση οργανικών ενώσεων ~ τόνοι/έτος) Μέση ατµοσφαιρική συγκέντρωση ~0,2 ppb Συνήθης αστική ατµοσφαιρική συγκέντρωση ~15 ppb Αστική ατµοσφαιρική συγκέντρωση σε περίοδο αιχµής ~90 ppb «Βιοµηχανικός» ρύπος Κατώφλι οσµής : περίπου 1 ppm Αναισθησία : περίπου 15 ppm ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 36

37 Σωµατιδιακοί ρύποι ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 37

38 Σωµατιδιακοί ρύποι ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 38

39 Σωµατιδιακοί ρύποι Goba estimates of partices of natura origin < 20µm in diameter Source Emissions (Tg yr -1 ) Soi and rock debris Estimated annua anthopogenic particuate matter emiissions in the US Source category Emissions (Tg yr -1 ) Forest fires 1-50 Fue combustion and industria processes 10 Sea sat 300 Vocanic debris Partices formed from gaseous emissions of H 2 S, NH 3, NOx, HCs Tota natura partices Industria processes fugitive emissions Nonindustria fugitive emissions Transportation 1.3 TOTAL ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 39

40 Σωµατιδιακοί ρύποι Σχηµατική αναπαράσταση της κατανοµής επιφανείας ατµοσφαιρικού aeroso. (Πηγή:, Atmospheric chemistry and physics of air poution, Seinfed 1997) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 40

41 Άλλοι ρύποι Αλογόνα Χλώριο (C) και παράγωγα Φθόριο (F) και παράγωγα Freons Μόλυβδος (Pb) Κάδµιο (Cd) Υδράργυρος (Hg) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 41

42 Μετρήσεις ρύπων Συνεχής καταγραφή Μη συνεχής καταγραφή (0,5 hrs) 1 hr 6 hrs ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 42

43 Κύκλοι διακύµανσης της ατµοσφαιρικής ρύπανσης Ηµερήσιος κύκλος (CO σε πόλη των ΗΠΑ) Εποχιακός κύκλος σε αστικό περιβάλλον) (ΟΑΣ Ετήσιος κύκλος (SO 2 στο Μιλάνο) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 43

44 Χρονικοί κύκλοι Πίνακας. Παραδείγµατα συγκεντρώσεων διαφόρων ρύπων και διαφορετικών χρονικών κύκλων. ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 44

45 Διάταξη βέλους (arrowhead chart) ΔΠΘ-ΜΠΔ Τεχνολογία Περιβάλλοντος, 3ο μάθημα 45