µονάδες παραγωγής ενέργειας και βιοµηχανικές µονάδες

Transcript

1 ΑΕΡΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ Γενικά µε τον όρο ατµόσφαιρα περιγράφουµε το µίγµα των αερίων µαζών που περιβάλλει την γη. Η χηµική σύσταση και η θερµοκρασία της ατµόσφαιρας ποικίλουν ανάλογα µε το ύψος από τη γη. Η ατµόσφαιρα ανά τους αιώνες έχει εξισορροπηθεί σε χηµική σύσταση, θερµικές, ενεργειακές (αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας) και µηχανικές ιδιότητες, έτσι ώστε να έχουν δηµιουργηθεί συνθήκες κατάλληλες για την ανάπτυξη, συντήρηση και εξέλιξη της ζωής. Ο όρος ατµοσφαιρική ρύπανση περιγράφει την προσθήκη κάθε υλικού (µοριακής ή σωµατιδιακής φύσης) το οποίο εισέρχεται στην ατµόσφαιρα, προκαλεί αλλαγή στη σύσταση και τη θερµοκρασία του αέρα µε αποτέλεσµα την υποβάθµιση της ποιότητας ζωής ή και τη δηλητηρίαση της ζωής του πλανήτη. Ατµοσφαιρική ρύπανση δηµιουργείται από πολλές ανθρώπινες δραστηριότητες, κυρίως από εκείνες που χρησιµοποιούν ανθρακούχα καύσιµα. Κύριες πηγές ατµοσφαιρικής ρύπανσης είναι: τα µέσα µεταφοράς µονάδες παραγωγής ενέργειας και βιοµηχανικές µονάδες οικιακή θέρµανση καύσεις οποιαδήποτε µορφής Η ατµοσφαιρική ρύπανση οφείλεται κατά 90% στα καύσιµα και περίπου 10% στις διάφορες βιοµηχανικές δραστηριότητες. Γίνεται φανερό ότι η ατµοσφαιρική ρύπανση είναι µία συνέπεια από τη χρήση των µορφών ενέργειας που χρησιµοποιούνται σήµερα στις αναπτυγµένες χώρες. Το πρόβληµα είναι οξύτατο καθώς η ατµόσφαιρα πάνω από µεγάλες πόλεις και βιοµηχανικές µονάδες, που βρίσκονται συνήθως συγκεντρωµένες σε βιοµηχανικές περιοχές, παρουσιάζει σοβαρές αλλοιώσεις ως προς τη σύσταση και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της, λόγω µεγάλης εισροής σωµατιδίων και αερίων, συνηθέστερα τοξικών. Οι επιπτώσεις της ατµοσφαιρικής ρύπανσης είναι πολλές και ποικίλες. Υπάρχουν δυσµενείς επιπτώσεις από την αέρια ρύπανση στην ανθρώπινη υγεία, οι οποίες ξεκινούν

2 από αναπνευστικές δυσλειτουργίες και ερεθισµούς των µατιών και φθάνουν σε σοβαρά αναπνευστικά, οφθαλµολογικά ακόµη και θανατηφόρα επεισόδια. Επίσης οι ατµοσφαιρικοί ρύποι ενοχοποιούνται για πιο µακροπρόθεσµες επιπτώσεις στην υγεία των ζώντων οργανισµών, όπως βλάβες στο Κεντρικό Νευρικό Σύστηµα, αλλοιώσεις στην σύσταση των οργάνων, του αίµατος, του γενετικού υλικού κτλ. Αντίστοιχες είναι οι επιδράσεις της ατµοσφαιρικής ρύπανσης στην πανίδα. Οι επιπτώσεις στα ζώα είναι αντίστοιχες µε αυτές στους ανθρώπους. Έχουν καταγραφεί πολλά επεισόδια µαζικών δηλητηριάσεων κυρίως πτηνών από αλόγιστη χρήση εντοµοκτόνων. Η ατµοσφαιρική ρύπανση έχει δυσµενή επιρροή και στην χλωρίδα. Η επίδραση είναι είτε άµεση (επαφή µε πρωτογενείς ή δευτερογενείς ρύπους) είτε έµµεση λόγω αλλαγής που προκαλείται στις κλιµατολογικές συνθήκες και του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Η ατµοσφαιρική ρύπανση µολύνει και τους υδάτινους πόρους της γης σε πολύ µεγάλη έκταση και σε πολύ µεγάλη απόσταση από τις πηγές της. Επιπλέον οι ατµοσφαιρικοί ρύποι έχουν τη δυνατότητα να εισέλθουν στο βιολογικό κύκλο µέσω της τροφικής αλυσίδας µε το σχήµα φυτά-ζώα-άνθρωπος. Όλα τα παραπάνω συνηγορούν ότι βρισκόµαστε µπροστά σε ένα σύνθετο πρόβληµα του οποίου η λύση ή οι λύσεις είναι δύσκολες και απαιτείται συντονισµένη δράση όλων των εµπλεκόµενων στο πρόβληµα µε ευαισθησία και ευθύνη. ΕΙ Η ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Η γνώση της σύστασης και των φυσικοχηµικών ιδιοτήτων των αερίων ρύπων είναι απαραίτητη για την αποτελεσµατική αντιµετώπιση τους. Χονδρικά µπορούµε να τους κατατάξουµε σε πρωτογενείς, που είναι ρύποι που εκπέµπονται κατευθείαν από την πηγή και δευτερογενείς, που είναι ρύποι που προκύπτουν µετά από χηµικές διαδικασίες µεταξύ πρωτογενών ρύπων και θεωρούνται και οι πιο επιβλαβείς. Συνήθως κατηγοριοποιούµε τους αέριους ρύπους ανάλογα µε τη χηµική τους σύσταση όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

3 Οξείδια του άνθρακα Οργανικές ενώσεις του άνθρακα Ενώσεις αζώτου N Ενώσεις θείου S Ρύπος Πηγή Επιπτώσεις Καύση άνθρακα, πετρελαίου, CO 2 φυσικού αερίου, βιολογικές διεργασίες αποσύνθεσης CO CH 4 (µεθάνιο) V.O.C. (πτητική οργανική ένωση) πολυκυκλικοί αρωµατικοί υδρογονάνθρακες NO, NO 2, N 2 O, N 2 O 3, NaO 5 NH 3, N 2 H 4 (υδραζίνη) SO 2 H 2 S Σωµατιδιακοί ρύποι Χλώριο και παράγωγα (P.V.C.) Freon Ατελής καύση υδρογονανθράκων καυσίµων αυτοκινήτων, µονάδες θέρµανσης, βιοµηχανικές, καύση αερίων απόβλητων Ατελείς καύσεις πτητικών καυσίµων, χρήση οργανικών στην χηµική βιοµηχανία, πετρελαιοβιοµηχανία Μηχανές εσωτερικής καύσης, µηχανές καύσης µαζούτ, πετρελαιοβιοµηχανία Καύσεις απορριµµάτων, µηχανές εσωτερικής καύσης, καύσεις υλικών σε υψηλές θερµοκρασίες Αποικοδόµηση λιπασµάτων, βιοµηχανία Καύσεις άνθρακα, καύσεις πετρελαίου, πετροχηµική βιοµηχανία, µεταλλουργική βιοµηχανία Μηχανές εσωτερικής καύσης, καύση απορριµµάτων, βιοµηχανία (υψικάµινοι), καυστήρες καλοριφέρ, φυσικές πηγές όπως εκρήξεις ηφαιστείων, υπολείµµατα αποσύνθεσης οργανικής ύλης, φωτιές σε δάση, κτλ Μηχανές εσωτερικής καύσης, βιοµηχανία, γεωργικές καλλιέργειες (διάσπαση εντοµοκτόνων παρασιτοκτόνων), µονάδες απολύµανσης Όχι άµεσα τοξικό Ενίσχυση του φαινοµένου του θερµοκηπίου Κλιµατολογικές αλλαγές ευρείας κλίµακας Ανταγωνιστικό της δέσµευσης O 2 στο αίµα Μείωση φυσικών και πνευµατικών ιδιοτήτων του ανθρώπου δηλητηριάσεις Φωτοχηµικό νέφος Καρκινογένεση Φωτοχηµικό νέφος Καρκινογένεση µεταλλάξεις Φωτοχηµικό νέφος Καταστροφή του στρώµατος του όζοντος Φαινόµενο του θερµοκηπίου Αναπνευστικά προβλήµατα ιάβρωση υλικών και κατασκευών Όξινη εναπόθεση σε δάση και καλλιέργειες, Καταστροφή δοµικών και κατασκευαστικών υλικών, ιάβρωση µαρµάρων (καταστροφή αρχαίων µνηµείων), καταστροφή υφασµάτων, τοξικότητα, αναπνευστικά προβλήµατα Εναπόθεση, προσρόφηση και µεταφορά βαρέων µετάλλων, τοξικών και ραδιενεργών µορίων, θολότητα, φαινόµενο θερµοκηπίου, συµµετοχή στη δηµιουργία ακραίων µετεωρολογικών φαινοµένων όπως χαλάζι κτλ, τοξικολογικές επιδράσεις κυρίως λόγω συσσώρευσης στο αναπνευστικό σύστηµα ανθρώπων και ζώων Τοξικότητα, αναπνευστικά προβλήµατα, φωτοχηµικό νέφος Για την ανάλυση και µέτρηση των ατµοσφαιρικών ρύπων χρησιµοποιούνται διάφορες τεχνικές. Η µεγάλη τεχνολογική ανάπτυξη επιτρέπει την συνεχή κατασκευή και τελειοποίηση µιας µεγάλης ποικιλίας οργάνων καθώς και την ανάπτυξη και συνεχή βελτίωση τεχνικών που µπορούν να γίνουν αποτελεσµατικά εργαλεία στην ανάλυση, ταυτοποίηση, µέτρηση και συνεχή καταγραφή των αέριων ρύπων.

4 Σε γενικές γραµµές, τεχνικές που χρησιµοποιούνται είναι η Χρωµατογραφία, η Φασµατοσκοπία ακτίνων Χ ( XRF, XRD κτλ), η Φασµατοµετρία µάζας M.S., η φωτοµετρία, ηλεκτροχηµικές τεχνικές καθώς και η µέθοδος LIDAR που βασίζεται στην χρήση των ακτίνων LASER. Η γνώση όλων των διαθέσιµων τεχνικών και οργανολογικών είναι απαραίτητη για την ορθή εκτίµηση της φύσης και της ποσότητας των αερίων ρυπών. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι µέθοδοι και η αντίστοιχη οργανολογία για την ταυτοποίηση και µέτρηση των πιο βασικών αέριων ρύπων. Ρύπος Μέθοδος Μέτρησης Οργανολογία CO Μη σκεδαζόµενη υπέρυθρη Συσκευές NDIR µε παγίδες υγρασίας και καταγραφέα CO 2 φωτοµετρία (NDIR) Συσκευές NDIR µε παγίδες υγρασίας, δέσµευσης N 2 O και καταγραφέα Οξείδια του αζώτου(no X ) SO 2 Πτητικές οργανικές ενώσεις (V.O.C 5 ) Σωµατιδιακοί ρύποι Χηµιφωταύγεια ειγµατοληπτική µέθοδος West- Gaeke Φασµατοσκοπία φθορισµού Υπέρυθρη φασµατοσκοπία (NDIR) Αέρια χρωµατογραφία (G.C.), φασµατοσκοπία µάζας Μέθοδος στοιχειακής ανάλυσης µε φασµατοσκοπία φθορισµού µε ακτίνες-χ (XRF), ενεργοποίηση δείγµατος µε βοµβαρδισµό ηλεκτρονίων (N.A.A.) Βαθµονοµηµένη συσκευή Χηµιφωταύγειας µε ένα κανάλι για τη µέτρηση του NO και ένα για τη µέτρηση των συνολικών οξειδίων του αζώτου και καταγραφέα Συσκευές φωτοµετρίας στις οποίες εισέρχονται δείγµατα µετά από συγκεκριµένη χηµική κατεργασία και καταγραφέας Φθοριοµόµετρο µε καταγραφέα Συσκευές NDIR- SO 2 µε καταγραφέα Συσκευές M.S., G.C.-F.I.D. σε συνδυασµό µε ανιχνευτές E.D.C., T.C.D. κτλ Συσκευές XRF µε εκχυλιστήρα και καταγραφέα, συσκευές N.A.A. µε πηγή νετρονίων και καταγραφέα Μέτρηση ορατότητας Φωτοµετρία, τηλεφωτοµετρία Κατάλληλα βαθµονοµηµένα φωτόµετρα Η µέθοδος LIDAR είναι µία µη καταστροφική µέθοδος χωρικής και χρονικής εξέλιξης της αέριας ρύπανσης µε ταυτοποίηση της συγκέντρωσης των αερίων ρυπαντών. Η οργανολογία ενός τέτοιου συστήµατος είναι σχετικά απλή, αποτελούµενη από µία πηγή

5 LASER που συνδέεται µε ένα ανιχνευτή-αναλυτή ακτινοβολίας και ένα σύστηµα για την καταγραφή των δεδοµένων. Οι κυριότεροι τύποι των συστηµάτων LIDAR είναι: φθορισµού, απορρόφησης διπλής δέσµης, τύπου Doppler, τύπου Ramman. Τεχνολογίες ελέγχου αερίων ρύπων Οι τεχνολογίες αντιρρύπανσης του αέρα είναι οι τεχνολογίες εκείνες που χρησιµοποιούνται για να αντιµετωπίσουν το πρόβληµα της ρύπανσης του αέρα. Για το σχεδιασµό µιας τεχνολογίας αντιρρύπανσης αυτού του είδους ή για την επιλογή µιας ήδη υπάρχουσας τεχνολογίας απαιτείται σφαιρική γνώση της πηγής της ρύπανσης (αν είναι στατική ή όχι), της φύσης των χηµικών και φυσικοχηµικών ιδιοτήτων των αέριων ρύπων και του όγκου των αερολυµάτων και το ποσοστό συµµετοχής κάθε είδους ρύπου σε αυτόν ιδιαίτερα των τοξικών αερίων και των σωµατιδίων. Οι κυριότερες µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο της αέριας ρύπανσης από στατικές πηγές είναι: Συµπύκνωση. Αποτελεί ένα εύκολο τρόπο κατακράτησης εκροών ατµών πτητικών ουσιών. Το αέριο διαβιβάζεται σε ειδικές συσκευές, τους συµπυκνωτές. Η συµπύκνωση γίνεται µε δυο διαφορετικές τεχνικές: µε έµµεση ή άµεση ψύξη. Στην πρώτη περίπτωση το αερόλυµα διαβιβάζεται απευθείας στο ψυκτικό υγρό ενώ στη δεύτερη περίπτωση έρχεται σε επαφή µε ψυχωµένες µεταλλικές επιφάνειες και συµπυκνώνεται. Αποτελεί προκαταρκτικό στάδιο στον περαιτέρω καθαρισµό αερολυµάτων µε άλλες τεχνικές. Έχει ευρεία χρήση στη βιοµηχανία λόγω του ότι ελαττώνει σηµαντικά τη µάζα των αερολυµάτων, αποµακρύνει ουσίες µε διαβρωτικές ικανότητες και δίνει τη δυνατότητα ανάκτησης προϊόντων µε µεγάλη οικονοµική σηµασία. Ένα τέτοιο παράδειγµα είναι η ανάκτηση πτητικών διαλυτών µε σύστηµα συµπύκνωσης που εφαρµόζουν κατά κόρον οι φαρµακοβιοµηχανίες. Απορρόφηση. Οι διεργασίες απορρόφησης που έχουν µεγάλη εφαρµογή στη βιοµηχανία στο διαχωρισµό πρώτων υλών και προϊόντων, µπορεί να χρησιµοποιηθούν µε πολύ καλά αποτελέσµατα στον έλεγχο των αέριων ρύπων.

6 Οι συσκευές απορρόφησης αποτελούνται από ένα πύργο, ο οποίος γεµίζεται µε κατάλληλο πληρωτικό υλικό και χρησιµοποιείται ένα κατάλληλα επιλεγµένο υγρό έκπλυνσης. Η επιλογή του υγρού έκπλυνσης καθορίζεται από την φύση του αερίου του οποίου επιθυµούµε την αποµάκρυνση, καθώς και το κόστος του και τη σταθερότητά του. Συνήθως είναι νερό ή οργανικοί διαλύτες. Το νερό σαν απορροφητικό υγρό χρησιµοποιείται για την αποµάκρυνση υδατοδιαλυτών αερίων όπως υδραλογόνων, αµµωνίας, φθοριούχων ενώσεων κτλ. Η διεργασία της απορρόφησης γίνεται αποτελεσµατικότερη µε τη ρύθµιση του ph και την προσθήκη δραστικών χηµικών ενώσεων. Οι οργανικοί διαλύτες χρησιµοποιούνται σαν απορροφητικά υγρά για την απορρόφηση µη υδατοδιαλυτών τοξικών αερίων. Χρησιµοποιούνται οργανικοί διαλύτες µε µικρή πτητικότητα, φθηνοί και ανακυκλώσιµοι. Οι συσκευές απορρόφησης που χρησιµοποιούνται είναι: Πύργοι ψεκασµού διαφόρων τύπων ροής Πύργοι πληρώσεως µε οµορροή, αντιρροή ή διασταυρούµενη ροή Πύργοι µε δίσκους που είναι κατάλληλοι και για την αποµάκρυνση σωµατιδίων. Προσρόφηση. Είναι τεχνική που χρησιµοποιείται για την αποµάκρυνση τοξικών ενώσεων µικρής συγκέντρωσης. Με την προσρόφηση επικάθεινται πάνω στην επιφάνεια του προσροφητικού υλικού τα τοξικά µόρια, γεγονός που µπορεί να συνδυαστεί και µε τη χηµική αποικοδόµησή τους όταν το προσροφητικό υλικό εµπλουτιστεί µε κατάλληλα αντιδραστήρια. Οι κυριότεροι τύποι των προσροφητικών υλικών που χρησιµοποιούνται σε συσκευές προσρόφησης είναι: Ενεργοί άνθρακες διαποτισµένοι µε αλογόνα, πυριτικό νάτριο, φωσφορικό οξύ, οξείδια µετάλλων και ευγενή µέταλλα που κατακρατούν και τροποποιούν χηµικά υδράργυρο, αλκένια, υδρόθειο, αµίνες κτλ.

7 Οξείδια του αργιλίου διαποτισµένα µε ανθρακικό νάτριο ή υπερµαγγανικό κάλιο που εξουδετερώνουν και αντιµετωπίζουν όξινους ατµούς και αναγωγικά αέρια. Οι συσκευές προσρόφησης είναι δύο τύπων κυρίως: κάνιστρα και προσροφητικές στήλες σε σειρά. Καύση. Η καύση είναι µέθοδος καταστροφής αέριων ρύπων, η οποία επιτυγχάνεται µε την οξείδωσή τους σε φλόγα. Εφαρµόζεται στην περίπτωση τοξικών ρύπων επιδεχόµενων οξείδωση και µετατρεπόµενων µε τον τρόπο αυτό σε διοξείδιο του άνθρακα CO 2, νερό και άζωτο, δηλαδή µη τοξικά συστατικά. Είναι µέθοδος αποτελεσµατική στην εξάλειψη οσµών και στον έλεγχο σωµατιδιακών ρύπων. Οι συσκευές καύσης που χρησιµοποιούνται διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Καυστήρες φλόγας ή θερµικοί λύχνοι που αποτελούνται από ένα θάλαµο καύσης µε ένα λύχνο στο ένα άκρο του καθώς και ένα τροφοδότη υγρού ή αερίου καυσίµου. Καταλυτικοί λύχνοι ή καταλυτικά φίλτρα όπου τα αέρια διοχετεύονται προθερµασµένα σε ειδικούς καταλυτικούς θαλάµους και µετά στο θάλαµο καύσης µαζί µε περίσσεια αέρα. Οι συσκευές αυτές έχουν χαµηλό ενεργειακό κόστος, έχουν όµως αρκετά προβλήµατα λειτουργίας λόγω δηλητηριάσεων και ανενεργοποίησης των καταλυτών που χρησιµοποιούνται.

8 Χηµική κατεργασία. Με την κατάλληλη χηµική κατεργασία επιτυγχάνεται η χηµική µετατροπή αερίων ρύπων σε µη ρυπογόνα υλικά. Οι διεργασίες που εφαρµόζονται εξαρτώνται από την χηµική σύσταση του προς αντιµετώπιση ρύπου επικεντρώνονται δε κυρίως στην αντιµετώπιση των οξειδίων του θείου SO 2 και SO 3, και του αζώτου. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο του διοξειδίου του θείου είναι: κατεργασία µε ασβεστόλιθο ή ξηρά άσβεστο που αντιδρά µε τα SO 2 και SO 3 και κατόπιν τα προϊόντα αποµακρύνονται µε σύστηµα ελέγχου σωµατιδίων απουσία υγρασίας. Είναι µέθοδος µε µικρό κόστος λειτουργίας και µη σχηµατισµό υγρών αποβλήτων. Κατεργασία µε υγρά άσβεστο ή υγρό ασβεστόλιθο κατά την οποία τα προϊόντα της αντίδρασης αποµακρύνονται µε ρεύµα νερού (υγρά έκπλυνση). Κατεργασία µε ανθρακικό νάτριο απουσία υγρασίας προς σχηµατισµό θειώδους νατρίου το οποίο κατακρατείται σε σακκόφιλτρα. Κατεργασία µε κιτρικό οξύ το οποίο προστίθεται σε εκπλυντές νερού.

9 Προσρόφηση σε οξείδιο του CuO µε το οποίο τα οξείδια του θείου αντιδρούν, µετατρέπονται σε θειούχο χαλκό ο οποίος είναι στερεό σε σκόνη και έχει δυνατότητα να κατακρατηθεί µε τεχνικές κατακράτησης σωµατιδίων. Μέθοδος Wellman. Πραγµατοποιείται κατεργασία του SO 2 µε διάλυµα θειωδών αλάτων. Προϊόντα της αντίδρασης αυτής είναι όξινα θειώδη άλατα τα οποία αποµακρύνονται από το αέριο σαν στερεά. Έκπλυνση µε καυστικά. Πραγµατοποιείται αντίδραση εξουδετέρωσης του SO 2. η µέθοδος είναι αποτελεσµατική σε µικρής κλίµακας διεργασίες. Κατεργασία µε διάλυµα βρωµίου. Η µέθοδος της δέσµευσης SO 2 µε βρώµιο από αερολύµατα δίνει σαν προϊόντα H 2 SO 4 και HBe. Οι µέθοδοι ελέγχου εκποµπών NO X από στατικές πηγές είναι: Μη καταλυτική αναγωγή NO X. Ο ρυπασµένος αέρας αναµειγνύεται µε NΗ 3 και εισέρχεται σε θάλαµο καύσης όπου πραγµατοποιείται αναγωγή των οξειδίων προς άζωτο Ν 2. Καταλυτικοί αναγωγή NO X. Ο ρυπασµένος αέρας µε την αµµωνία διέρχεται από θάλαµο που περιέχει καταλύτη συνήθως πεντοξείδιο του βαδανίου στους 200 C µε τελικό προϊόν της αναγωγής άζωτο Ν 2. Τροποποίηση στις συνθήκες καύσης. Τέτοιες τροποποιήσεις είναι η µείωση, η αύξηση του χρόνου παραµονής στο θάλαµο καύσης, αύξηση της µέγιστης θερµοκρασίας καύσης και η µείωση της ποσότητας του αέρα (δηλαδή του Ο 2 ). Τεχνολογίες αντιµετώπισης σωµατιδιακών αέριων ρύπων Οι σωµατιδιακοί αέριοι ρύποι, οι οποίοι προέρχονται κυρίως από τη Βιοµηχανία, αποτελούν πρόβληµα ρύπανσης µε ιδιαίτερες επιπτώσεις στην υγεία του πληθυσµού και στην υποβάθµιση της ποιότητας και της αισθητικής του περιβάλλοντος. Παρουσιάζουν µεγάλη συνεργατική δράση µε τα τοξικά αέρια τα οποία προσροφώνται στην επιφάνεια των σωµατιδίων µε αποτέλεσµα τον πολλαπλασιασµό των αρνητικών συνεπειών στην υγεία και την υποβάθµιση του περιβαλοντος.

10 Οι σωµατιδιακοί αέριοι ρύποι παρουσιάζουν µεγάλη ανοµοιογένεια ως προς το σχήµα, την χηµική σύσταση, το ειδικό βάρος, τις φυσικοχηµικές ιδιότητες, τις µηχανικές ιδιότητες(π.χ. ευθραυστότητα) κ.τ.λ. Λόγω της µεγάλης αυτής ανοµοιογένειας δεν είναι εύκολη η επιλογή της καταλληλότερης αντιρρυπαντικής διεργασίας για την αντιµετώπιση του προβλήµατος, όταν και όπου παρουσιάζεται. Η επιλογή πρέπει να γίνεται αφού ληφθούν υπ όψιν κάποιες παράµετροι και πραγµατοποιηθούν ειδικοί έλεγχοι(tests). Ωστόσο, επειδή στο συγκεκριµένο τοµέα έχει αναπτυχθεί µεγάλη τεχνογνωσία υπάρχει η δυνατότητα επιλογής του κατάλληλου εξοπλισµού για την αφαίρεση των σωµατιδιακών ρύπων από τον αέρα. Στο εµπόριο διατίθενται τέσσερις κυρίως τύποι αφαίρεσης των σωµατιδίων από τον αέρα. Οι εξοπλισµοί που είναι εµπορικά διαθέσιµοι είναι: Μηχανικοί συλλέκτες Εκπλυτές, ή υγροί συλλέκτες, ή πληµµυρίδες, ή απλώς υγρά φίλτρα Υφασµάτινα φίλτρα ή σακόφιλτρα Ηλεκτροστατικοί συλλέκτες ή ηλεκτροστατικά φίλτρα (ESPs, Electrostatic Precipitators). Μηχανικοί συλλέκτες Αρχή της λειτουργίας των µηχανικών συλλεκτών είναι η διαφορά στο ειδικό βάρος της σκόνης µε το ειδικό βάρος του αερίου (περίπου 2000/1). Είδη µηχανικών συλλεκτών είναι: οι βαρυτικοί συλλέκτες (καθίζηση δια βαρύτητας, Gravity Baffle Collector). οι συλλέκτες εκτροπής µε ανακυκλοφορία(recirculating Baffle Collector). οι κυκλώνες υψηλής απόδοσης(high-efficiency Cyclones) Βαρυτικοί συλλέκτες Η λειτουργία τους στηρίζεται στην ελάττωση της ταχύτητας του ρυπασµένου αέρα ( m/min) σε σηµείο που να επιτρέπει την καθίζηση της σωµατιδιακής ύλης.

11 Οι βαρυτικοί συλλέκτες παρουσιάζουν µεγάλη απόδοση σε χονδρόκοκκη σωµατιδιακη ύλη ενώ υστερούν σε δυνατότητα αποµάκρυνσης µέτριας και λεπτόκοκκης ύλης. Έχουν όµως χαµηλό ενεργειακό κόστος καθώς και χαµηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, έτσι προτιµώνται στις περιπτώσεις που το αερόλυµα είναι φτωχό σε µέτριους και λεπτούς κόκκους. Βελτίωση του κλασσικού βαρυτικού συλλέκτη αποτελούν οι συλλέκτες εκτροπής µε ανακυκλοφορία. Συλλέκτης εκτροπής µε ανακυκλοφορία Το αέριο για να καθαριστει εισάγεται µε µεγάλη ταχύτητα σε οριζόντιο εκτροπέα αποτελούµενο από οπές, οι οποίες απέχουν περίπου 1,5 cm µεταξύ τους. Για να φθάσει το αέριο στην έξοδο πρέπει να κάνει µια υψηλής ταχύτητας στροφή. Η σωµατιδιακή ύλη λόγω µεγαλύτερου ειδικού βάρους καθιζάνει και παγιδεύεται στον υποδοχέα σωµατιδιακής ύλης. Έτσι µεταφέρεται µέσα στη χοάνη του συλλέκτη που βρίσκεται στο κάτω µέρος της συσκευής. Οι συλλέκτες εκτροπής µε ανακυκλοφορία έχουν χαµηλό κόστος συντήρησης και εγκατάστασης καθώς και χαµηλό κόστος λειτουργίας. Παρά το γεγονός ότι έχουν µεγαλύτερη απόδοση από το βαρυτικό συλλέκτη υστερούν και αυτοί στην αντιµετώπιση του προβλήµατος της λεπτόκοκκης σκόνης. Κυκλώνες υψηλής απόδοσης Οι κυκλώνες υψηλής απόδοσης αποτελούν την βασική σύγχρονη τεχνολογία για τη δέσµευση των σωµατιδιακών ρύπων του αέρα. Αποτελούνται από ένα κύλινδρο, ο ποίος στο κάτω µέρος φέρει χοάνη η οποία καταλήγει σε ένα δοχείο συλλογής. Η λειτουργία τους στηρίζεται στην αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του αερίου έτσι ώστε να µετασχηµατίζεται κατά τη ροή του σε µια περιστρεφόµενη δίνη, η οποία λόγω ανάπτυξης φυγοκεντρικών δυνάµεων αποµακρύνει τα σωµατίδια και τα εναποθέτει στα τοιχώµατα του κυκλώνα. Οι πλέον συνηθισµένοι τύποι που κυκλοφορούν είναι τρεις: κυκλώνες µικρής διαµέτρου µε πτερύγια. Κυκλώνες µεγάλης διαµέτρου µε περιελισσόµενη είσοδο.

12 Κυκλώνες µεγάλης διαµέτρου µε περιελισσόµενη είσοδο και εκχυτήρα λεπτόκοκκων σωµατιδίων. Οι κυκλώνες χρησιµοποιούνται ευρέως γιατί έχουν πολύ υψηλή απόδοση και µικρό κόστος εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης. Στην πράξη, χρησιµοποιούνται συστοιχίες κυκλώνων εν σειρά στις περιπτώσεις που απαιτείται υψηλή απόδοση και υπάρχει µεγάλο φορτίο. Η λύση της συστοιχίας είναι πολύ πιο αποτελεσµατική γιατί η αύξηση της διαµέτρου του κυκλώνα είναι αντιστρόφως ανάλογη µε την απόδοση του. Φίλτρα από ύφασµα (σακόφιλτρα) Τα σακόφιλτρα είναι συστήµατα συλλογής σωµατιδίων αποτελούµενα από σάκους υφάσµατος. Στα σακόφιλτρα η σκόνη κατακρατείται (παγιδεύεται) από τη µία πλευρά του υφάσµατος (από αυτή που εισάγεται το πλούσιο σε σωµατίδια αέριο) ενώ από τα διάκενα του υφάσµατος (διαστάσεων 100 µm) διέρχεται το καθαρό αέριο. Στην πλευρά συλλογής στα σακόφιλτρα η συνεχής εναπόθεση σωµατιδιακής ύλης σχηµατίζει ένα πορώδες στρώµα που λέγεται κρούστα ή πλάκα του φίλτρου. Συνδέεται άµεσα µε την ικανότητα συλλογής των σωµατιδίων από τα σακόφιλτρα µιας και αποτελεί το µέσο διήθησης του αέρα. Τα σακόφιλτρα είναι συστήµατα µε κύκλο λειτουργίας γιατί περιοδικά χρειάζεται άδειασµα και αναγέννηση των φίλτρων.

13 Είναι δυνατόν να χρησιµοποιείται και διάταξη σακόφιλτρων σε σειρά. Χρησιµοποιούνται µε επιτυχία κυρίως σε µικρές βιοµηχανικές µονάδες και για δέσµευση φθοριούχων αιωρηµάτων ακόµη και σε µεγάλες µονάδες. Ανάλογα µε τον τύπο καθαρισµού τους τα σακόφιλτρα διακρίνονται σε : Μηχανικής ανατάραξης Αντίστροφης ροής συµπιεσµένου αέρα Αντίστροφα κινούµενου δακτυλίου Εκπλυτές (υγρά φίλτρα) Οι εκπλυτές (υγρά φίλτρα) χρησιµοποιούν νερό για να παγιδεύσουν και να αποµακρύνουν σωµατιδιακή ύλη και διαλυτά αέρια από ένα ρεύµα αέρα. Το νερό εισέρχεται σε ένα ειδικό θάλαµο σε οριζόντια ροή ενώ το νερό εισέρχεται από την οροφή του θαλάµου υπό µορφήν ψεκασµού. Τα σταγονίδια του νερού συµπαρασύρουν τα αιωρούµενα σωµατίδια και ο αέρας εξέρχεται από το θάλαµο καθαρός. Ηλεκτροστατικά φίλτρα ( ESPs:Electrostatic Precipitators) Τα ηλεκτροστατικά φίλτρα, τα οποία είναι σε λειτουργία από το 1910, είναι η λύση στην αντιµετώπιση σωµατιδιακής αέριας ρύπανσης αποτελούµενης κυρίως από αιωρήµατα κολλοειδούς φύσης και κόκκους µικρής διαµέτρου. Στα ESPs η κατανάλωση ενέργειας είναι µικρή και η απόδοση πάρα πολύ µεγάλη. Τα ηλεκτροστατικά φίλτρα αποτελούνται από σύστηµα ηλεκτροδίων ανάµεσα από τα οποία διέρχεται το ρεύµα του σωµατιδιακά φορτισµένου αέρα. Στα ηλεκτροστατικά

14 φίλτρα εφαρµόζεται ηλεκτρικό αρνητικό δυναµικό 50,000-90,000 Volt το οποίο φορτίζει τα κολλοειδή σωµατίδια και τα οδηγεί στα ηλεκτρόδια συλλογής δεσµεύοντάς τα. Τα σωµατίδια ύλης σχηµατίζουν πάνω στα ηλεκτρόδια συλλογής ένα στρώµα µεγάλης ηλεκτρικής αντίστασης το πάχος του οποίου συνεχώς αυξάνεται µε συνέπεια να µειώνεται η ηλεκτρική έλξη προς τα σωµατίδια και εποµένως η ικανότητα προσκόλληση τους. Για το λόγο αυτό απαιτείται αποµάκρυνση της κρούστας που επιτυγχάνεται κυρίως µε ελεγχόµενο «τίναγµα». Έλεγχος αερίων ρύπων από κινητές σηµειακές πηγές. Είναι γνωστό ότι το αυτοκίνητο αποτελεί µια από τις κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης της ατµόσφαιρας. Οι κυριότεροι ρύποι που παράγονται από τις µηχανές εσωτερικής καύσης του αυτοκινήτου είναι µονοξείδιο CO, οξείδια του αζώτου και ακόρεστοι πτητικοί υδρογονάνθρακες V.O.C.s Πιο αποτελεσµατική µέθοδος για τον έλεγχο των εκποµπών των αυτοκινήτων θεωρείται ο καταλυτικός µετατροπέας. Ο καταλυτικός µετατροπέας είναι µια συσκευή που τοποθετείται στο σύστηµα εξαγωγής καυσαερίων του αυτοκινήτου και µετατρέπει τους επιβλαβείς ρύπους σε µη τοξικό CO 2 και H 2 O.

15 Αν και η εξέλιξη των καταλυτικών µετατροπέων υπήρξε ραγδαία και πέρασε από πολλά στάδια, και αν και οι καταλυτικοί µετατροπείς που χρησιµοποιούνται σήµερα, δηλαδή οι τριοδικοί καταλυτικοί µετατροπείς, είναι αρκετά αποδοτικοί η έρευνα συνεχίζεται µε σκοπό την βελτίωση της απόδοσης, την παράτασης της ζωής των καταλυτών και την µείωση του οικονοµικού κόστους κατασκευής τους. Ο τριοδικός καταλυτικός µετατροπέας αποτελείται α) από ένα µεταλλικό εξωτερικό περίβληµα β) από ένα κεραµικό µονόλιθο. Ο κεραµικός µονόλιθος αποτελείται από κορδιερίτη και η µάζα του διαρρέεται από παράλληλα κανάλια µέσα από τα οποία διέρχονται τα καυσαέρια. Τα κανάλια αυτά φέρουν επίστρωση στην επιφάνειά τους πάνω στην οποία ευρίσκεται η καταλυτικά ενεργή φάση. Το υλικό της επίστρωσης είναι γ- αλουµίνα γ-al 2 O 3 ενώ προστίθενται ως ενισχυτές της δοµής της οξείδια µετάλλων όπως βαρίου BaO, νικελίου NiO κλπ. Ως υλικά των καταλυτικά ενεργών φάσεων χρησιµοποιούνται λευκόχρυσος, παλλάδιο, ρόδιο ή και συνδυασµός τους. γ) Από τον λήπτη λ. Είναι ένα ηλεκτροχηµικό σύστηµα ελέγχου της συγκέντρωσης του οξυγόνου των καυσαερίων, το οποίο συνδέεται µε ένα αυτόµατο ηλεκτρονικό ρυθµιστή της αναλογίας καυσίµου-αέρα που τροφοδοτεί τον κινητήρα. Το µεγαλύτερο πρόβληµα της λειτουργίας των τριοδικών καταλυτών είναι η σταδιακή, µε το χρόνο, µείωση της απόδοσής τους, η οποία οφείλεται στην δηλητηρίαση και τη θερµική γήρανση. Εναλλακτικές λύσεις για την αντιµετώπιση της αέριας ρύπανσης από κινητές πηγές, δηλαδή αυτοκίνητα, είναι οι κινητήρες φτωχού µίγµατος (LEAN-burn) και τα ηλεκτρικά

16 αυτοκίνητα. Ωστόσο οι τεχνολογίες στις οποίες στηρίζονται παρουσιάζουν ακόµη αρκετά προβλήµατα κυρίως όσον αφορά τη µαζική παραγωγή τους. Αντιρρυπαντικές τεχνολογίες ελέγχου και µείωσης των αερίων ρύπων. Ο πιο ενδεικνυόµενος και ριζικός τρόπος αντιµετώπισης της αέριας ρύπανσης είναι η ανάπτυξη και εφαρµογή αντιρρυπαντικών τεχνολογιών, δηλαδή τεχνολογιών των οποίων η σχεδίαση εµποδίζει ή ελαχιστοποιεί την εκποµπή ρυπογόνων ουσιών στην ατµόσφαιρα. Παρακάτω αναφέρουµε σε συντοµία τις κυριότερες από τις τεχνολογίες αυτές. Αντικατάσταση καυσίµων µε υψηλή ρυπογόνο δράση µε καύσιµα µικρότερης δυνατότητας παραγωγής ρύπων όπως είναι το Φυσικό Αέριο. Η χρήση του Φυσικού αερίου επεκτείνεται µε γρήγορους ρυθµούς λόγω των πλεονεκτηµάτων του στην εξοικονόµηση ενέργειας, της χαµηλής τιµής του σε σχέση µε το πετρέλαιο και της µεγάλης τεχνολογικής ανάπτυξης των διεργασιών εµπλουτισµού του οι οποίες συνεχώς βελτιώνουν την ποιότητα και την απόδοσή του και είναι φιλικές στο περιβάλλον. Από περιβαλλοντικής πλευράς η χρήση του εµφανίζει µειωµένες τιµές εκποµπών SO 2, CO 2 και οξειδίων του αζώτου σε σχέση µε το πετρέλαιο και τους γαιάνθρακες. Κελιά Καυσίµου (Fuel Cells) Τα κελιά καυσίµου είναι ηλεκτροχηµικές διατάξεις που µετατρέπουν την χηµική ενέργεια σε ηλεκτρική µε παράπλευρες απώλειες σε θερµότητα. Οι διεργασίες αυτές δεν συνοδεύονται από εκποµπές ρυπογόνων ουσιών ενώ το καύσιµο που χρησιµοποιείται είναι στις πιο πολλές περιπτώσεις H 2 ή φυσικό αέριο, υλικά που δεν ενοχοποιούνται για εκποµπή ρύπων στην ατµόσφαιρα. Ένα κελί καυσίµου απαρτίζεται από την άνοδο, την κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη. Η κάθοδος τροφοδοτείται µε οξειδωτικό ενώ η άνοδος µε το καύσιµο. Πραγµατοποιούνται δύο ηµιαντιδράσεις, µια ηµιαντίδραση αναγωγής στην κάθοδο και µια ηµιαντίδραση οξείδωσης στην άνοδο. Ο ηλεκτρολύτης είναι υγρό ή στερεό που χρησιµεύει για την µεταφορά φορτίων (ιόντων)µεταξύ ανόδου και καθόδου (ιοντική γέφυρα). Η κίνηση των φορτίων µεταξύ ανόδου και καθόδου οφείλεται στο διαφορετικό ηλεκτροχηµικό δυναµικό

17 τους που δηµιουργεί διαφορά δυναµικού η οποία όταν το κελί καυσίµου συνδεθείµε ένα εξωτερικό κλειστό κύκλωµα δηµιουργεί ροή ηλεκτρονίων και παραγωγή ηλεκτρικής ρεύµατος. Η απόδοση των κελιών καυσίµου µετράται µε έναν θερµοδυναµικό συντελεστή που αναφέρεται στο ποσοστό µετατροπής της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η απόδοση του κελιού καυσίµου είναι ανεξάρτητη του µεγέθους του και από τον τύπο και τις συνθήκες λειτουργίας του. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κελιών καυσίµου τα οποία θα αναφέρουµε παρακάτω. Χονδρικά ταξινοµούνται µε κριτήριο τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιείται και τη θερµοκρασία λειτουργίας τους. Οι δύο αυτοί παράγοντες αποτελούν και το κριτήριο επιλογής ενός κελιού καυσίµου για συγκεκριµένη χρήση. Συγκεκριµένα κελιά καυσίµου χαµηλής θερµοκρασίας χρησιµοποιούνται στα αυτοκίνητα ενώ υψηλών θερµοκρασιών σε µόνιµες εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας. Κελί καυσίµου υδρογόνου (H 2 ) Στα τυπικά κελιά καυσίµου Η κάθοδος τροφοδοτείται µε αέρα ενώ η άνοδος τροφοδοτείται µε καύσιµο αέριο υδρογόνο ενώ ως ηλεκτρολύτης χρησιµοποιείται σταθεροποιηµένη ζιρκονία. Το υδρογόνο συνήθως προέρχεται από διεργασίες αναµόρφωσης υδρογονανθράκων, φιλικές προς το περιβάλλον κελιά καυσίµου µεµβράνης πολυµερούς (SPFS ή PEMFE) Σ αυτούς τους τύπους κελιών ως ηλεκτρολύτης χρησιµοποιείται µια πολυµερής µεµβράνη (στερεό). Ως ηλεκτρόδια χρησιµοποιούνται αέριες διασπορές ευγενών µετάλλων. Για το λόγο αυτό έχουν µεγάλο κόστος κατασκευής ενώ εµφανίζουν πυκνότητες ισχύος mw/m 2 σε δυναµικά volt. Λειτουργούν σε χαµηλή θερµοκρασία και έχουν µεγάλους χρόνους ζωής. Έχουν χρησιµοποιηθεί σε διαστηµικά προγράµµατα. Κελιά καυσίµου Φωσφορικού οξέως (PAFC) Στα κελιά αυτά τα ηλεκτρόδια είναι καταλύτες. Η ενεργός καταλυτικά φάση είναι λευκόχρυσος προσροφηµένος σε πορώδη άνθρακα που υποστηρίζεται από τεφλόν. Ο ηλεκτρολύτης είναι πυκνό φωσφορικό οξύ. Η θερµοκρασία λειτουργίας του είναι o C (δηλαδή σχετικά υψηλή), έχουν µικρή απόδοση, (µικρό θερµοδυναµικό συντελεστή)

18 µέτριο κόστος κατασκευής και χρησιµοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισµού και συµπαραγωγή. Κελιά καυσίµου απ ευθείας µετατροπής της µεθανόλης (DMFC) Ως καύσιµο χρησιµοποιείται H 2 και CO τα οποία προέρχονται από αναµόρφωση µεθανόλης που γίνεται απευθείας στην άνοδο. Ως ηλεκτρόδιο ανόδου χρησιµοποιείται υλικό φέρον ως καταλύτη λευκόχρυσο. Λειτουργούν σε θερµοκρασίες o C έχουν µικρή απόδοση 40-50% περίπου. Η χρήση τους είναι ασφαλής, µε πολύ µικρό κόστος µεταφοράς καυσίµου, και το µέγεθος της µονάδας είναι µικρό. Η πυκνότητα ισχύος που επιτυγχάνουν είναι mw/m 2 µε δυναµικό V. Έχουν µικρή απόδοση σε σχέση µε τα τυπικά κελιά υδρογόνο και έχουν µεγάλο κόστος κατασκευής λόγω των καταλυτών που χρησιµοποιούνται στην άνοδο. Γίνεται προσπάθεια τεχνολογικής βελτίωσης τους από άποψη απόδοσης και µείωσης του κόστους µια και θεωρείται ότι µπορούν να ανταγωνισθούν επιτυχώς και να αντικαταστήσουν σταδιακά τα κελιά καυσίµου υδρογόνου. Αλκαλικά κελιά καυσίµου (AFC) Ως καύσιµο χρησιµοποιείται H 2 ενώ η κάθοδος τροφοδοτείται µε O 2 υπό υψηλή πίεση. Σαν ηλεκτρόδια χρησιµοποιούνται καταλυτικά συστήµατα µη ευγενών µετάλλων. Ο ηλεκτρολύτης είναι πυκνό καυστικό κάλιο. Λειτουργούν σε χαµηλές θερµοκρασίες περίπου 80 o C, και έχουν απόδοση της τάξης του 35-40%. Έχουν χαµηλό κόστος κατασκευής και έχουν χρησιµοποιηθεί επιτυχώς σε επανδρωµένες διαστηµικές πτήσεις. Μειονέκτηµά τους αποτελεί το υψηλό κόστος λειτουργίας µια και απαιτείται προσυµπίεση του καυσίµου και των οξειδωτικών, δηλαδή του υδρογόνου και του οξυγόνου, και καθαρισµός του από τυχόν προσµίξεις CO 2. Κελιά καυσίµου τηγµένων ανθρακικών αλάτων (MCFC) Ο ηλεκτρολύτης στα κελιά αυτά είναι µίγµα τετηγµένων ανθρακικών αλάτων σε µια µήτρα LiAlO 2, ενώ ως ηλεκτρόδια χρησιµοποιούνται υλικά µε βάση το νικέλιο. Λειτουργούν σε υψηλές θερµοκρασίες, περίπου 650 o C, έχουν χαµηλό κόστος κατασκευής, υψηλή απόδοση της τάξης του 60-65% ενώ υπάρχει η δυνατότητα της χρήσης αναµορφωµένου φυσικού αερίου ως καυσίµου.

19 Κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) Εδώ ο ηλεκτρολύτης είναι στερεό µίγµα ζιρκονίας µε οξείδιο του υττρίου. Λειτουργεί σε υψηλές θερµοκρασίες o C, έχει µεγάλη απόδοση 60-65% ενώ ως καύσιµο χρησιµοποιείται κυρίως φυσικό αέριο. Ως υλικό στο ηλεκτρόδιο της ανόδου χρησιµοποιούνται υλικά µε βάση το νικέλιο. Στα κελιά αυτά η αναµόρφωση του φυσικού αερίου προς CO και H 2 γίνεται στην άνοδο. Η κάθοδος κατασκευάζεται από πυριάντοχο υλικό, συνήθως περοβσκίτη όπως La x Sr y MnO 3. Χρησιµοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισµού και συµπαραγωγή. Κελιά καυσίµου τηγµένης ανόδου ηλεκτρολύτη (FNA/SOFC) Ως καύσιµο σ αυτούς τους τύπους κελιών χρησιµοποιείται C ο οποίος διαλύεται στην άνοδο που αποτελείται από τηγµένο µέταλλο, ενώ ως οξειδωτικό χρησιµοποιείται οξυγόνο. Η κάθοδος κατασκευάζεται από περοβσκίτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι στερεό υλικό. Βρίσκονται υπό µελέτη και αποτελούν πολλά υποσχόµενη τεχνολογία στον τοµέα παραγωγής ενέργειας.