Visoka šola za zdravstvo Sanitarno inženirstvo

Transcript

1 Univerza v Ljubljani Visoka šola za zdravstvo Sanitarno inženirstvo ONESNAŽENOST OZRAČJA (tema v sklopu predmeta Zrak in onesnaženost, nosilec doc.dr. Tomaž Vrhovec/prof.dr. Lučka Kajfež Bogataj) Pripravil doc.dr. Mirko Bizjak v sodelovanju z Dušanom Hrčkom, univ.dipl.meteor. Ljubljana, 2004/2005

2 Vsebina: Uvod Ozračje Onesnaževanje/onesnaženost zraka Vrste zračnih polutantov/onesnaževal(cev), izvori in ponori Škodljive snovi Učinki na klimatske spremembe Učinki Škodljivi učinki: svetlobno onesnaženje Škodljivi učinki: ljudje/živali, rastline, materiali, vidnost Onesnaženost v zaprtih/bivalnih prostorih Onesnaženost zraka in meteorologija Širjenje polutantov: horizontalno, vertikalno Sposobnost samočiščenja atmosfere Geokemijski ciklusi Energetski ciklusi Meritve kakovosti zraka Trdni delci Plini Meritve onesnaževanja/emisije Meritve onesnaženosti/imisije Kontrola/zmanjševanje onesnaževanja Korekcija izvorov Zbiranje polutantov Ohlajevanje Obdelava Plini Trdni delci Gibljivi izvori Globalne klimatske spremembe Zakonodaja Zakon o varstvu zraka Podzakonski akti/uredbe Mednarodne konvencije Praktični del Ogled laboratorijev (Kemijski inštitut, Ljubljana, Agencija Republike Slovenije za okolje, AMES) 2

3 Uvod - ozračje Plinasti ovoj okoli Zemlje imenujemo zemeljska atmosfera oz. ozračje. S stališča onesnaženosti je najpomembnejša spodnja plast troposfera. Naslednje plasti se imenujejo tropopavza, stratosfera (pomembna zaradi zaščitnega sloja O 3 ), stratopavza, mezosfera, mezopavza, termosfera, ionosfera (atomi!), eksosfera. Osnovne sestavine, prevladujoči plini so: dušik (N 2, 78%), kisik (O 2, 21%), argon (Ar, 0,9%). Koncentracija nekaterih plinov je stalna (dušik, kisik, argon, neon, helij, kripton, vodik, ksenon), drugih je spremenljiva (vodna para, ogljikov dioksid, metan, dušikov oksidul, ogljikov monoksid, ozon, amonijak, dušikov dioksid, žveplov dioksid, dušikov oksid, žveplovodik, organske spojine. Številne spojine so naravnega izvora, veliko je antropogenih spojin. Pomen posameznih sestavin ozračja Dušik: Prek bioloških in atmosferskih procesov reagira s kisikom, nastajajo NO x (NO, NO 2, N 2 O), njihove koncentracije so spremenljive Koncentracija N 2 O se povečuje zaradi uporabe dušikovih gnojil, ki jih razkrajajo mokroorganizmi Kisik: Relativno visoka koncentracija je pogojevala razvoj oksidativnih metabolizmov pri večini živih organizmov Je predhodnik ozona v stratosferi, ki ščiti organske molekuje in živi svet pred visokoenergijskim UV sevanjem V troposferi ji 10-15% vsega ozona CO 2 : Po eni strani je izredno pomemben za zelene rastline Po drugi strani stalno povečevanje njegove koncentracije povzroča nezaželene učinke tople grede Vodna para: Izredno spremenljive koncentracije: od 0,1 do ppmv Najpomembnejši naravni toplogredni plin Pomembno je njeno spreminjanje faze Ozračje je izredno pomembno tudi zaradi kroženje snovi v naravi. Pojmi povezani z onesnaževanjem zraka: trdni delci, plini, aerosoli (dim, megla, suspenzije, smog...), saje, prah (usedline), bioaerosoli (organski prah, mikroorganizmi), aeroalergeni, leteči pepel, vonjave, radioaktivne snovi, električno nabiti delci, ozonska luknja, učinek tople grede, klimatske spremembe... Onesnaževanje = emisija 3

4 Onesnaženost = imisija O onesnaženosti ozračja: V osnovi je atmosfera zmes plinov. Ta zmes postane onesnažena z dodajanjem (teoretično tudi odvzemanjem) trdnih delcev, plinov, raznih oblik energije (toplota, sevanje, hrup), tako da spremenjena sestava povzroča nezaželene posledice pri vremenu, klimi, zdravju ljudi in živali, pri rastlinah, materialih. V začetku je bil pojem onesnaženosti zraka omejen na zunanji zrak, zdaj pa se nanaša tudi na zaprte prostore (delovne, bivalne). Onesnaženost zraka - definicija: Onesnaženost zraka definiramo kot situacijo, v kateri so snovi antropogenega izvora v koncentracijah, ki so dovolj nad normalnimi okoljskimi nivoji, da povzročajo nezaželene merljive učinke na ljudi, živali, vegetacijo ali materiale. Vrste zračnih polutantov/onesnaževal(cev): Pojem čistega zraka je le še teoretskega pomena, saj naravni čisti zrak vsebuje več komponent kot znanstveno definiran čisti zrak Polutanti/onesnaževala zraka: substance, ki so prisotne v koncentracijah, ki povzročajo nezaželene učinke Naravni in antropogeni polutanti (oboji lahko povzročajo negativne učinke) Plinasti polutanti: SO x, NO x, CO, HC, ozon, fotokemični oksidanti, H 2 S, CO 2, CFC... Suspendirani delci (trdni in tekoči-aerosoli): prah (0,1-10 µm), kondenzirani delci iz industrijskih par (0,03-0,3 µm), kondenzirani tekoči delci (angl. mist, primer: SO 3 + voda), dim in saje oz črni ogljik (angl. soot, aerosol black carbon) 0,05-1 µm, pršila (angl. spray, atomizirane kapljice Praktično vsi industrijski procesi so potencialni viri onesnaževanja Požari... (naravni in umetni )... trdni delci, CH-ji, CO, dioksini... Kurišča... premog, drva: saje, pepel, aromatski CH-ji, katran, aldehidi, dioksini... Promet... podedovani Pb ob cestah... Naravno onesnaževanje zraka Čeprav je antropogeno onesnaževanje v centru pozornosti in skrbi, pa tudi naravno onesnaževanje pogosto povzroča škodljive učinke. Najpomembnejši so pri tem vulkanski izbruhi velikega obsega (Tambora, Krakatao, Sv.Helena, El Chinchon, Pinatubo) in veliki požari. Učinki so lahko regionalni in globalni. Drugi izvori: erozija zemlje, razkroj rastlin in živali, emisije iz zemlje in vode, emisije iz rastlin, cvetni prah, pršenje morja, ozon in NO x zaradi strel, ozon iz stratosfere in fotokemične reakcije. Problemi nastajajo, ko prihaja do takšnih pojavov v bližini naselij. Antropogeno onesnaževanje zraka Začetki: uporaba ognja (dim je posledica nepopolnega izgorevanja) Eden glavnih problemov je predstavljala uporaba premogov Industrijska revolucija (zač. 19. stoletja) Smog London (izjemno zmanjšana vidnost, visoke koncentracije dima in SO 2 ) Fotokemični smog Los Angeles (promet, sončna svetloba, slaba prevetrenost, množica kemijskih spojin ). Podobni pojavi tudi v mnogih drugih velikih mestih 4

5 Meglica sorodna smogu, vendar nižje koncentracije onesnaževal (bistveno je zmanjšanje vidnosti) Odstranjevanje polutantov/ponori Le kratek pregled glede na vrsto onesnaževal. Trdni delci: suho in mokro usedanje (depozicija). Plini: mokro odstranjevanje, absorpcija+kemijske reakcije na površju, pretvorbe v atmosferi, transport v stratosfero. Škodljive ( hazardne ) snovi v zraku Nekatere značilne anorganske skupine: azbest, Sb-spojine, As-spojine, Be-spojine, Pbspojine, Hg-spojine, Mn-spojine, Ni-spojine, druge anorg. spojinem, radioaktivne snovi Organske skupine: benzen z derivati, halogenirane organske spojine (org. halidi), organski nitrati, etri, CCl 4, pesticidi, insekticidi, mnoge druge organske spojine Učinki na klimatske spremembe emisije velikanskih količin trdnih delcev (vulkani, scenarij jedrske zime ) onesnaževanje zraka na splošno povzroča veliko verjetnost globalnih sprememb klime ter destrukcijo stratosferskega ozona naraščanje koncentracije CO 2 povzroča učinek tople grede, drugi plini tople grede (CH 4, N 2 O, HFC, PFC, SF 6 ) El Niňo je pojav sprememb klime zaradi sprememb zalivskega toka ozonska luknja nastaja predvsem na območju Antarktike Tanjšanje ozonske plasti: prosti radikali NO, Cl, Br in OH odstranjujejo atomski O iz ozonskega ravnotežja izvor NO: reaktivna letala izvor Cl/Br: fotokemična razgradnja CFC... izvor OH: fotoliza O 3, reakcija O s H 2 O Troposferski ozon: Nastaja s fotokemičnimi reakcijami - pojav pogost tudi pri nas (lokalno nihanje koncentracij ozona) Svetlobno onesnaževanje Učinki: Zastiranje pogleda v vesolje Zdravstveni vplivi (srce, hipotetično rak na dojkah ) Nesreče na cestah Energetske izgube Vpliv na živali (več o tej temi: Škodljivi učinki - zdravje Študije akutnih epizod onesnaženosti: visoke emisije, neugodne vremenske razmere, sinergizem delovanja delcev in plinov primeri: Donora, London (več epizod, najhujša l. 1952), New York, Bhopal (isocianat) CO (vezava na Hb) 5

6 trdni delci (akomulacija v alveolah: razna obolenja) cigaretni dim: primer družnega delovanja (imobilizacija bronhialnih dlačic, omogočen transport drugih škodljivih delcev...) SO 2 (direktne poškodbe bronhijev, tudi učinek na bronh. dlačice) NO 2 (pulmonalni iritant, sinergizem) O 3 in fotokemični oksidanti (dražljivci) drugi škodljivi polutanti... Škodljivi učinki - rastline nekroza (sesedanje tkiv) kloroza (spremembe barve) motnje rasti SO 2, O 3, HF, smog (peroksiacetil nitrat - PAN). Škodljivi učinki - materiali depozit na površinah (dim...) reakcije površin s kislimi plini (korozija, marmor!) deformacije gume (O 3 ) poškodbe tkanin (SO 2 - najlonske nogavice!) sprememba barve, kot posledica reakcij (H 2 S deluje na Pb barvila z nastankom PbS, ki je črn) Škodljivi učinki - vidnost predvsem sipanje in absorpcija svetlobe na drobnih delcih 0,3-0,6 µm meglice (angl. haze) dim sulfatni aerosoli Onesnaženost v zaprtih/bivalnih prostorih razne emisije slabo prezračevanje neustrezne klimatske naprave so ležišče bakterij, spor ( posledica so lahko infekcije) kajenje uporaba ognja (plinski štedilnike, kamini...) Onesnaženost zraka in meteorologija Troposfera: praktično vsa pomembnejša dogajanja (meteorologija in nesnaženost) potekajo v troposferi. Različni vremenski vzorci določajo širjenje polutantov, njihovo koncentracijo (pomembno pri vdihavanju) ali količino, ki se useda Gibanje zraka je pogojeno s sončnim sevanjem in konfiguracijo površja, na katerem poteka neenakomerna absorpcija energije (dinamični termični sistem ozračja - vpliv na tlak), vrtenje frontnih sistemov - cikloni, anticikloni. Horizontalno širjenje polutantov: Gibanje zraka je predvsem posledica sončnega sevanja: površje sprejema (λ1) in oddaja svetlobo (λ2). Radiacija (neposr. sevanje), kondukcija (prevajanje z gibanjem molekul), konvekcija (prenos toplote z gibanjem toplih zračnih mas). Vpliv vrtenja Zemlje na vzorce gibanja. Vetrovna roža Vertikalno širjenje polutantov: Dvigovanje zraka - p (adiabatska ekspanzija, dq=0), ohlajanje. Temperatura okolja je odvisna od nadmorske višine (1 C/100 m). Razmerje med 6

7 adiabatskim in temperaturnim gibanjem zraka določa njegovo stabilnost in s tem hitrost širjenja polutantov (nevtralno, super- in subadiabatsko; inverzija). radiosondaža (ARSO). Primeri na slikah: Vertikalna stabilnost - radiosondaža Dimne zavese-primeri atmosferske stabilnosti Dimne zavese-primeri atmosferske stabilnosti Dimne zavese-primeri atmosferske stabilnosti Dimne zavese - primer motnje Primeri atmosferske stabilnosti - dim iz trboveljske termoelektrarne, različne plasti Atmosferska disperzija Disperzija je proces širjenja polutantov. Plini upoštevajo zakone plinaste difuzije (primer Gaussov model s 4 predpostavkami: transport v smeri vetra, najvišja koncentracija v osi, difuzija molekul, konstantna emisija). Samočiščenje atmosfere-usedanje Gravitacijsko usedanje je odvisno od velikosti delcev; manjši delci (<100 µm) podvrženi vplivom turbulence, viskoznosti, trenja, gravitacijske pospešitve; zelo majhni delci (<20 µm) se redko usedajo. Odstranjevanje plinov z gravitacijskim usedanjem poteka le posredno - prek adsorpcije na trdnih delcih. Samočiščenje atmosfere-površinska absorpcija: mnogi plini se absorbirajo na različne materiale na površju Zemlje: kamnine,zemlja, rastline, vode, drugo. Samočiščenje atmosfere-padavine Procesi v oblakih (CCN, rast kapljic, padanje) - rain out Procesi pod oblaki (spiranje polutantov prek vstopanja v kapljice) - wash out Primer odstranjevanja SO 2 iz antropogenih emisij v Veliki Britaniji: 60% površinski ponori, 15% padavine, 25% vetrovi proti Norveški in Švedski. Slike: Padavine v Sloveniji Napovedi epizod Meteorološki modeli omogočajo napovedi Merilne mreže, satelitski podatki... Vremenska napoved v sliki Meritve kakovosti zraka Uvod: emisije - onesnaževanje (mirujoči, mobilni izvori); meteorološke meritve (nujne za oceno transporta polutantov; imisije - onesnaženost (korelacije s škodljivimi učinki) Onesnaževanje - emisije Izvori: naravni in antropogeni. Slike: Trend in projekcija za SO 2 v Sloveniji Emisije CO 2 v Sloveniji Veliki termoenergetski objekti v Sloveniji TOL Termoelektrarna Trbovlje Trendi emisij SO 2 v Sloveniji Emisija SO 2 po panogah (1999) Emisije v Sloveniji v l Meritve kakovosti zraka - tipi merilnih naprav 7

8 Enostavne, poceni, manj zanesljive, brez pogonskih elementov: 1. generacija Bolj zahtevne, pogonski deli (črpalke), filtriranje delcev, mokro izpiranje plinov: 2. generacija Avtomatizirane, neprekinjene meritve, možnost trenutnih odčitkov in prenosa podatkov: 3. generacija Meritve kakovosti zraka -trdni delci Usedline (suhi, mokri, lepljivi zbiralniki: različni časi zbiranja; enote v g/m 2 v 30 dneh) običajno gre za enostavne pasivne naprave, ki pa so podvržene precej1snjim motnjam in so zaradi tega manj zanesljive Suspendirani (lebdeči) delci (nizko volumski,angl. lo-vol, visokovolumski, angl. hi-vol, filtriranje, čas vzorčevanja, običajno gravimetrično določevanje koncentracije...) Poimenovanja z ozirom na definicijo velikosti delcev: celotni, totalni suspendirani delci (angl. TSP - total suspended particles), delci PM 10 (particulate matter, enostavno povedano velikosti pod 10 mikrometrov; v resnici gre po definiciji za 50% verjetnost, da z metodo zberemo delce z določenimi dimenzijami, bodisi 10 ali 2,5 µm), delci PM 2,5 (pod 2,5 µm, glej prejšnjo razlago). Sodobnejši principi/metode: kaskadni impaktorji (delci se ločujejo po velikostnih razredih oz. frakcijah) metode osnovane na fizikalnih pojavih, ki se dogajajo na delcih: sipanje, odboj, absorpcija svetlobe Meritve kakovosti zraka - plini Enostavne naprave (primera: merjenje prisotnosti O 3 - gumijasti trakovi, SO 2 - papirnati trakovi impregnirani z PbO 2 2. generacija: plinske izpiralke (primera absorpcija SO 2 v raztopini H 2 O 2, pararosanilinska metode s tetraklormerkuratom) 3. generacija: IR, fluorescenca, kemiluminiscenca, trdni elektroliti Nekatere izbrane metode so sprejete kot referenčne metode (zahteve zakonodaje). Pristopi k vzorčevanju so lahko različni: pri ročnem zbiranje vzorcev (plinske kivete: vakuum ali prečrpavanje, absorpcijske cevke) operater opravi vse faze meritev na terenu, kasneje pa sledijo laboratorijske analize (plinska kromatografija,»gc«...). Pri merjenje emisij plinov v dimovodih je še posebej pomembno striktno upoštevanje tehničnih (turbulenca, odvzemne točke po preseku dimovoda, mesto odvzema...) in varnostnih postopkov (pogosto visoka koncentracija škodljivih plinov), beleženje parametrov (T, pretok...). Slike: klasične meritve v dimovodih Dim, motnost Emisije dima - Ringelmanova skala Urbana in čista območja Meritve v Sloveniji: mreža 24-urnih meritev (dim, kisli plini; od leta 1967??? do leta 2002) avtomatske ekološke postaje (ANAS - ARSO, EIMV, ZOMOL-OPSIS) mednarodne razsežnosti GAW, EMEP (Iskrba, Krvavec) posebne, študijske merilne kampanje (KI, FKKT, IJS, Politehnika) 8

9 Komore, simulacije Kakovost zraka v zaprtih prostorih Številne študije pokazale, da je notranjost zgradb onesnažena z raznimi plini in delci Mestni ljudje preživijo povprečno 8 ur v delovnih prostorih in ur v stanovanjih, na odprtem pa le okooli 2 uri Torej se pričakujejo daljše izpostavljenosti v zgradbah Znani so bolezenski pojavi, katerim je vzrok izpostavljenost notranjemu zraku Razmerje notranja/zunanja onesnaženost (n/z): Zgodovinski pomen opozoril o zaščiti pred zunanjim zrakom z ostajanjem v zgradbah velja predvsem za rizične skupine V mnogih primerih je to razmerje blizu 1 Slika: Primer razmerja n/z za SO 2 NO 2 : če ni notranjih izvorov je n/z precej pod 1 (npr. v stavbah so električne grelne naprave, pečice) Kadar prebivalci uporabljajo plinske naprave (kuhanje, gretje), je n/z > 1 CO: razmerje je blizu 1, tudi med epizodami Nemetanski ogljikovodiki (NMHC): zaradi notranjih izvorov je n/z pogosto > 1 Delci: vpliv kajenja, n/z niha med 0,3 3,5 Radon: zunaj običajno nizke koncentracije; zaradi fizikalnih značilnosti je v zgradbah včasih n/z >> 1 Formaldehid: zunanji vzrok so izpušni plini (max. 0,1 ppmv), znotraj zaradi različnih izvorov precej višje koncentracije (do 0,4 ppmv) Osebna izpostavljenost onesnaženosti Standardi, ki veljajo za zunanji zrak (CO, NO x, SO 2, O 3, PM, Pb), pogosto ne zagotavljajo zadovoljive rešitve glede osebne izpostavljenosti Temu je vzrok razmeroma dolgotrajna izpostavljenost neprimernemu notranjemu zraku Problemi, povezani z oneznaženim zrakom v zgradbah Javne zgradbe s številnimi aktivnostmi (emisijami) Specifična obolenja kadar se škodljivost identificira (infekcije, alergije, astma, prehladi/vročica, dermatitis, toksični efekti ) Sindrom nezdravih stavb nespecifični znaki (draženje dihal, glavobol, draženje kože ) Npr. v ZDA so bile izpeljane številne študije kakovosti notranjega zraka Identificiranje faktorjev rizika (spol, alergičnost, psihosocialni faktorji, kajenje) Vpliv fizičnega stanja notranjega zraka (gibanje, T, vlažnost) Materiali v pisarnah (papir, fotokopirni stroji, video prikazovalniki ) Substance (CO 2, formaldehid, VOC, prah) Izvori notranje onesnaženosti Kuhalniki (CO, CO 2, NO, NO 2, aldehidi, PM, VOC) Neventilirani grelniki na plin ali kerozin (ZDA) podobne substance kot zgoraj + SO 2 Kurišča na drva: tehnično slabo instalirana (predvsem veliko VOC) Cigaretni dim (CO, delci, NO x, nikotin, benzo(a)piren Azbest predvsem problem preteklosti (izolacije, ognjevarne zaščite) 9

10 Formaldehid (v produktih iz lesa, kot izolacijski material pena iz ureaformaldehida) Organske spojine Pesticidi (kadar z njimi preganjajo razne insekte) Radon (predvsem pljučni rak) Biološki kontaminanti (legionarska bolezen bakterija se običajno razvije v vodi, dokazano pa je tudi širjenje po zraku) bio-kontaminanti Tuberkoloza v preteklosti večji problem kot dandanes Pneumonitis in mrzlica (angl. humidifier fever): povzročajo mikroorganizmi in mikrobni produkti, ki se razvijejo v klimatskih napravah Astma povezava z aero alergeni Kronične alergije (rinitis) v zgornjem dihalnem sistemu. Emisije promet Slike: Scenarij obremenjenosti glavnih evropskih cestnih povezav za leto 2010 Odvisnost emisij od λ vrednosti Primerjava emisij iz Ottovega in dieselskega motorja Emisije iz motornih vozil in škodljivost Tvorba NO x pri izgorevanju premoga Emisije NO x v Sloveniji Ocena porabe tekočih goriv v Sloveniji v letu 2000: motorni bencin t diesel t cestni tovorni in avtobusni promet: 20-25% vsega goriva Poraba tekočih goriv v Sloveniji Poraba goriva na prebivalstvo v evropskih državah Odvisnost emisijskega faktorja NO x od hitrosti - motorni bencin Odvisnost emisijskega faktorja NO x od hitrosti - diesel Odvisnost emisijskega faktorja VOC od hitrosti - bencin Odvisnost emisijskega faktorja CO od hitrosti - bencin Odvisnost emisijskega faktorja NO x od hitrosti - bencin Odvisnost emisijskega faktorja VOC od hitrosti - bencin Primerjava velikosti delcev Emisije svinca v Sloveniji Tovorno vozilo - prihranek moči pri počasnejši vožnji Aerodinamičnost vozila Emisije CO v Sloveniji Emisije CO 2 v Sloveniji Trajnostni razvoj prometa Kontrola in zmanjševanje onesnaževanja Omejevanje emisije: Korekcije pri izvorih (npr. Pb in S v gorivih, boljše tehnologije izgorevanja, npr. >T) Odstranjevanje polutantov (recikl. izpušnih plinov, katalizatorji) Ohlajevanje (rezultat: plini --> tekočina) Obdelava: specifika glede na procese disperzija (narava). Kontrola in zmanjševanje onesnaževanja - delci Čistilni sistemi: Cikloni 10

11 Tkaninski filtri Mokri kolektorji - scrubber (tudi za pline!) - prednosti: učinkovitost, slabosti: odpadna voda, poraba energije, omejena uporabnost (agresivni plini) Elektrostatski filtri (1. el. nabijanje, 2. el. depozic., 3. mehansko odstranjevanje). Problemi: cena (tudi energija!), vzdrževanje. Kontrola in zmanjševanje onesnaževanja - plini Čistilni sistemi: Pasti (razne mokre izvedbe - spiralniki -scrubberji, adsorpcija, kemisorpcija - predvsem za org. onesnaževala) Sežigi (incineracija) - ugodno, kadar sta produkt CO 2 in voda Kemijske spremembe Katalitski sežig (površinska kataliza pri < T) Spremenjena tehnologija (pred emisijo!) Odstranjevanje S - oksidov (zamenjava energenta, odžveplevanje goriv, visoki dimniki ( porazdelitev bremena), odžveplevanje dimnih plinov Odstranjevanje N - oksidov Odstranjevanje VOC in smradu (sežig, katalitski sežig) Kontrola in zmanjševanje onesnaževanja - mobilni izvori Kontrolne točke: Izhlapevanje (HC) iz rezervoarjev Izhlapevanje (HC) iz vplinjačev Emisija nezgorelih snovi iz ohišja motorja Emisija (CO, HC, NOx) iz izpušnih cevi Kontrola in zmanjševanje onesnaževanja - mobilni izvori (nadalj.) Možnost kontrole/zmanjševanja emisije: Filtri (aktivno oglje) Recikliranje Katalizatorji Kontrola globalnih klimatskih sprememb Dve skupini substanc, katerih emisije je potrebno omejiti: Spojine (CFC-ji), ki producirajo proste halogene atome s fotokemičnimi reakcijami, s čimer uničujejo stratosferski ozon Spojine (CO 2 ), ki absorbirajo energijo v bližnjem IR spektru, kar lahko povzroča temperaturne spremembe Ukrepi... upanje na postopno zmanjševanje negativnih trendov... Kontrola emisij iz motornih vozil Slike: Motor z notranjim izgorevanjem Emisije iz osebnega vozila Zveza med razmerjem zrak/gorivo in emisija CO, NMHC in NOx Kontrola emisij in avtomobila Emisije zaradi izparevanja iz različnih sklopov (rezervoar, vplinjač, motor) se razmeroma lahko obrzdajo Največji problem predstavljajo izpušni plini Obdobje pred uporabo katalizatorjev 11

12 Obdobje uporabe katalizatorjev Vprašanje učinkovitosti čistilnih sistemov Kontrola/čiščenje izpušnih plinov Ukrepi za bolj čisti izpuh lahko povzročajo spremembe voznih lastnosti (moč, vodljivost, ekonomičnost), na kar so vozniki zelo občutljivi Dodatna težave so v tem, da ukrepi za zmanjšanje emisije COHC povečajo emisijo NO x in obratno Izredno pomembno razmerje zrak:gorivo Uvajanje elektronskega vžig izboljšalo delovne karakteristike in optimiziralo emisije Uvedba katalizatorjev pomeni zmanjšanje škodljivih emisij sedaj tudi obvezne meritve emisije CO pri tehničnih pregledih Katalizatorji Delujejo že pri temperaturi C Termičen sežig brez katalizatorja zahteva C Gorivo ne sme vsebovati Pb in P PT/Pd polnilo: drago, vendar odporno proti žveplovim snovem v bencinu Monolitni: struktura satovja v cilindrični cevi Peletni Katalizatorji - razvoj Monolitni: struktura satovja v cilindrični cevi, površinska prevleka katalitskega materiala Peletni: polnilo iz kroglic, prevlečenih s katalitskim materialom Dvojni (prvi odstra. HC-CO, drugi pa NO x ) Trostezni katalizatorji Velika aktivna površina Slike: Monolitni katalizator Peletni/kroglični katalizator Položaj katalizatorja v avtu Učinkovitost katalizatorjev: Najmanjša ob hladnem zagonu motorja: z gorivom obogatena zmes zrak:gorivo, zaradi nepopolnega izgorevanja visoke koncentracije NMHC in CO v izpušnih plinih Lambda sonda kontrolira razmerje kisika in goriva Kontrola/zmanjšanje emisije NO x NO x nastaja zaradi visokih temperatur iz N 2 in O 2 Pri večjem razmerju gorivo: zrak je emisija NO x manjša, poveča pa se emisija NMHC in CO Emisija NO x se zmanjša z zadrževanje iskre, z zmanjšanjem kompresijskega razmerja in z recirkuliranjem izpušnih plinov Slika: Prikaz dvojnega katalizatorskega sistema v motorju (1973) Lastnosti plinov in par Uvod 12

13 Pogosto ljudje enačijo pare in pline V stroki se pojma razlikujeta: plini se obnašajo podobno kot idealni plin, pare se obnašajo zelo različno zaradi strukture molekul Nekatere lastnosti so jim skupne: proste molekule se širijo in napolnjujejo prostor, ustvarjajo pritisk Pravi plini so glede T daleč od tekočega stanja, pare so blizu Pojmi Parni tlak: tlak čiste parne komponente v ravnotežju z njeno tekočo obliko pri določeni T Parcialni tlak: parni tlak komponente v mešanici plinov Nasičena parna faza: kadar je sistem v ravnotežju ob prisotnosti tekoče in parne faze 2. termodinamski zakon pravi, da se snov širi s področja visoke koncentracije proti področju nizke koncentracije Difuzivnost in 1. Fickov zakon: M/A=-DdC/dx, kjer: M=hitrost prenosa mase, mol/s A=površina pravokotno na smer difuzije, cm 2 D=difuzivnost, cm 2 /s dc/dx=koncentracijski gradient, mol/cm 4 Rravnotežje g-l in g-s-l: Topnost: v absorpcijskih procesih se morajo plinske molekule po difuziji skozi nek stagnanten plin absorbirati v tekočini. Obseg absorpcije (topnosti) je ključen za ves masni prenos Henrijev zakon: P i =H i x i, kjer: P i = parcialni tlak komponente i H i = Henrijeva konstanta X i = molska frakcija komponente i v tekočini Adsorpcija (fizična): ravnotežje v g-s sistemu (reverzibilen proces) Kemisorpcija: tvorba in lomljenje vezi, močnejše sile kot pri fizikalni adsorpciji Kemijske reakcije: pri procesu ad- ali absorpcije lahko povzročijo prehod polutanta v manj nevarno obliko (primer SO 2, ki se v pralniku pretvori v CaSO 4, ali VOC, ki se v katalitskem incineratorju pretvorijo v CO 2 in H 2 O) Kinetika in termodinamika Sežigalnice (za VOC): VOC-i predstavljajo pomembno skupino onesnaževal (poleg HC-jev sem spadajo še organske kisline, aldehidi, ketoni, klorove, žveplove, dušikove spojine in spojine z drugimi elementi ) Eden od uspešnih postopkov odstranjevanja VOC je sežiganje Nevarnost je v toksičnih produktih sežiga Slike: Primer sežigalnice Shema sežigalne naprave za pare Pomembni parametri pri sežigalnicah: Dimenzioniranje Materialna in energetska bilanca Uporaba katalitskih oksidantov (omogoča delovanje pri nižjih T sežiga, prihrani prostor ) Običajno je slabost sežigalnic velika poraba energije 13

14 vračanje oz. izraba toplote pri sežigu Adsorpcija plinov kot princip čiščenja onesnaženega zraka: Aktivno oglje Glinica Boksit Silika gel Regerneracija adsorbentov (vroč zrak, nizkotlačna para Absorpcija plinov kot princip čiščenja onesnaženega zraka: Selektiven prenos materiala iz plinaste faze v tekočino Večinoma se uporablja voda, procesi se imenujejo pranje (scrubbing, washing) Pogosto absorpcijo spremljajo kemijske reakcije Polnila povečajo učinkovitost Slika: Shematski prikaz plinsko absorpcijskega stolpa s polnilom Odstranjevanje žveplovih oksidov (SO x ): Pri sežigu S-spojin nastajata SO 2 in SO 3 Glavni izvori so termoelektrarne, industrijski sežigi, proizvodnja žveplove kisline, rafinerije nafte Emisije SO x povzročajo različne negativne učinke na živo in neživo naravo in objekte Trend upadanja emisij zaradi madnarodnih in nacionalnih ukrepov (SO 2 protokol ) Osnovni pristopi k zmanjševanju emisij Dva osnovna pristopa: odstranjevanje S iz goriv pred sežigom in čiščenje dimnih plinov Odstranjevanje S iz goriv s katalitsko reakcijo z vodikom: R-S + H 2 H 2 S + R Nato sežig dela H 2 S in vodenje nastalega SO 2 in H 2 S prek katalizatorja, kjer poteka kombinacija oksidacije in redukcije z elemtarnim S kot produktom, tega pa uporabljajo kot stranski proizvod: H 2 S + 3/2O 2 H 2 O + SO 2 2H 2 S + SO 2 2H 2 O + 3S Odstranjevanje SO 2 iz dimnih plinov: Spiranje z vodo, priprava žveplove kisline (stranski produkt) Mokro spiranje z dodatki (apno, apnenec, alkalije ) Suho spiranje (sušenje pršenega apna ) Regeneracijski in neregeneracijski procesi (stranske produkte zavržejo, deponirajo) Slike: Primer regeneracijskega procesa Shema za izračunavanje masne bilance Odstranjevanje NO x Izvori NO x : Transportna sredstva ( fotokemični smog) Nepremični viri (sežigi: industrija, termoelektrarne ) 14

15 Industrijski procesi Pojavne oblike NOx: NO, NO 2, NO 3, N 2 O, N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O 5 Osnovni pristopi k zmanjšanju emisij NO x iz nepremičnih izvorov: Modifikacija izgorevanja (majhen prebitek zraka, recirkuliranje in ponovno izgorevanje plinov, kontrola temperature z dodajanjem pare ) Odstranjevanje iz dimnih plinov (katalitska redukcija-nastanek N 2, adsorpcija, spiranje ) Katalitska redukcija: 4NO + 4NH 3 + O 2 4N 2 +6H 2 O 2NO 2 + 4NH 3 + O 2 3N 2 +6H 2 O Slika: Shema procesa izgorevanja s katalitsko redukcijo NO x Mobilni izvori onesnaževal Glavnino emisij predstavljajo (avto)cestni izvori Drugi so: ladje, letala, poljedelski stroji in vozila Velikanski problem predstavljajo avtomobili v velikih mestih Kontrola emisije je v mestih poseben problem Izvori in receptorji (živa bitja, razni materiali, objekti itd) onesnaževal so zelo blizu eden drugega Pomen problema Motorna vozila emitirajo primarna onesnaževala Povzročajo nastajanje fotokemičnega smoga z prizemnim ozonom in drugimi fotokemičnimi oksidanti Pomen CO, NO x, VOC in delcev Manjši problem predstvlja SO 2 (v preteklosti Pb) Ukrepi Optimalno delovanje motorjev Kakovost goriva Redno vzdrževanje in kontrole Katalizatorji Sprememba navad (javna prevozna sredstva ) Sprememba tehnologij (solarne celice, gorivne celice z vodikom ) Slika: Primer prometne konice Kontrola onesnaževanja (emisije) ozračja Trdni delci/aerosoli Splošne lastnosti delcev: Predstavljajo enega glavnih onesnaževalcev Imajo različne velikosti, oblike: od kapljic do suhega prahu Različne kemijske in fizikalne lastnosti Prihajajo iz različnih izvorov: sežigalni in drugi procesi v industriji, rudarstvo, promet, incineratorji 15

16 Imajo različne vplive na okolje Pred oblikovanjem naprave za zbiranje delcev moramo pridobiti informacije o njih samih, o toku plina in lastnostih procesa Informacije o delcih obsegajo: velikost, porazdelitev po velikosti, oblika, gostota, lepljivost, reaktivnost, korozivnost, toksičnost Lastnosti toka plinov: Pritisk Temperatura Viskoznost Vlažnost Kemijska sestava Vnetljivost Lastnosti procesa: Pretok dimnih plinov Vsebnost (obremenjenost) z delci Zahteve po učinkovitosti odstranjevanja Dovoljeni padec tlaka Z ozirom na lastnosti sistema in delcev so lahko primerni za odstranjevanje delcev različni tipi naprav Učinkovitost zbiranja oz. odstranjevanja delcev: η = (M i -M e )/M i = (L i -L e )/L i, kjer: η = učinkovitost zbiranja (delež, frakcija), M i = skupni masni vnos (npr. g/s), M e = skupna izstopna/emitirana masa (npr. g/s), L i = obremenitev vstopnih plinov z delci (g/m 3 ), L e = obremenitev izstopnih plinov Učinkovitost zbiranja pri različnih velikostnih razredih delcev η j = učinkovitost zbiranja j-te frakcije, M j = masni delež/odstotek delcev v j-ti frakciji η = Σ η j m j, kjer: Masna učinkovitost se lahko zelo razlikuje od številčne, ker so veliki delci mnogo težji od drobnih (masa se veča s kubom premera) Opombe: Zaradi poenostavitve je privzeto, da so delci sferični Dejansko so delci večinoma zelo nepravilnih oblik Učinkovitost zbiranja je odvisna od njihovega obnašanja v toku plina in ne toliko od ugotovljenih dimenzij, oblik Aerodinamski premer določenega delca (D ae : premer sferičnega delca gostote 1, ki se useda z enako hitrostjo kot izbrani delec Kaskadni impaktor: Naprava za ugotavljanje velikostne porazdelitve delcev v nekem plinskem mediju oz. toku emisijskih dimnih plinov 16

17 Ločuje delce z ozirom na njihove aerodinamske lastnosti in ne po dejanski velikosti delcev Informacija, ki jo daje k.i.: velikostni razredi delcev po njihovem D ae. Slika: Shema delovanja kaskadnega impaktorja Grafični prikaz porazdelitve delcev A: štev. delež vs. premer B: masni delež vs. log premera Glavni principi odstranjevanja delcev iz emisijskih virov Gravitacijski usedalniki (npr. cikloni) Tkaninski filtri Elektrostatski precipitatorji/usedalniki Mokri pralniki (scrubbers) Cikloni: V uporabi že čez 100 let Razmeroma poceni Nimajo gibljivih delov Odporni na težke obratovalne razmere Predvsem uporabni kot predstopnja čiščenja V začetku dokaj neučinkoviti, sedaj dosegajo npr. 98% učinkovitost za delce nad 5 µm Slika: Shematski prikaz standardnega ciklona Cikloni - prednosti: Nizka cena investicije Sposobnost delovanja pri visokih T Nizki stroški vzdrževanja Pomanjkljivosti: Nizka učinkovitost pri drobnih delcih Visoki obratovalni stroški (zaradi razlike v tlakih) Tkaninski filtri: Uveljavljen način ločevanja suhih delcev iz zraka ali toka dimnih plinov Dobra učinkovitost tudi pri drobnih delcih Veliko različnih tipov tkanin, njihovega vpenjanja v nosilce in vodenja zraka skozi sistem Po nasičenju sledi odstranjevanje depozita na različne načine (reverzni tok zraka, stresanje, pulzno odstranjevanje) Slika: Tkaninski filtri Prednosti: Visoka učinkovitost Prenesejo različne tipe prahu So modularni, kar omogoča vnaprejšnjo pripravo Ne zahtevajo visokih tlačnih razlik 17

18 Pomanjkljivosti: Zahtevajo veliko uporabno površino Tkanina je lahko občutljiva na visoko T in korozivnost kemikalij Ne morejo delovati v vlažnih razmerah Potencialna nevarnost vžiga in eksplozije Slike: Prerez stresalne instalacije z vrečami Temperaturne in kemične odpornosti Elektrostatski precipitatorji (elektrofiltri): Proces sestoji iz naslednjih korakov: Ionizacije kontaminiranega zraka, ki teče med elektrodami Nabijanja delcev, migracije, zbiranja delcev na ploščah z nasprotnim nabojem Odstranjevanja delcev s plošč (stresanje, spiranje) Visoka učinkovitost, nizek padec pritiska Slika: Elektrostatski precipitatorji Prednosti: Visoka učinkovitost tudi za drobne delce Veliki volumni zraka, nizek padec pritiska Suho zbiranje delcev, mokro zbiranje par in meglic Široko območje temperatur Razmeroma nizki obratovalni stroški, razen kadar se zahteva zelo visoka učinkovitost Pomanjkljivosti: Visoki investicijski stroški Nima učinka na pline Majhna fleksibilnost Potrebuje veliko prostora Slabše delovanje pri delcih z visoko električno upornostjo Slika: Primer ESP Shematski prikaz toka zraka med dvema ploščama ESR Pralniki za odstranjevanje delcev: Pralniki s komorami s pršenjem: definirana velikost vodnih kapljic zaradi optimiziranja stika z delci Učinkovitost do 90% za delce nad 8 µm Energetsko niso zahtevni, razlike v pritiskih so nizke Slika: Shematski prikaz navpičnega pralnika Ciklonske komore s pršenjem: Povečana učinkovitost zaradi dodane centrifugalne sile: 95% za delce nad 5 µm Slika: Delovanje ciklonske komore s pršenjem 18

19 Pralniki s šobami in mokri impingement pralniki: Učinkovitost 90 oz. 97% za delce nad 2 oz. 5 µm Razmeroma nizek padec pritiska pri obeh izvedbah Slika: Pralnik s šobami (a) in impingement pralnik (b) Venturijevi pralniki: Z Venturijevo šobo dosežejo velike hitrosti vstopnega zraka, kar poveča učinkovitost naprave (98% za delce nad 0,5 µ m) Prednost je v enostavnosti Pomanjkljivost je zahteva po visoki razliki tlakov (zaradi potrebe po veliki hitrosti toka) Slika: Kombinacija Venturijevega pralnika s ciklonskim separatorjem Mehanski pralniki: Povečujejo stik tekočina-plin Dosegajo visoko učinkovitost Zelo veliki stroški vzdrževanja Slika: Primer mehanskega pralnika Prednosti in pomanjkljivosti mokrih pralnikov Prednosti: Uporabni za nevarne prahove Zagotavljajo absorpcijo plinov in zbiranje delcev Uporabni so za pare Ohlajajo vroče pline Učinkovitost se lahko spreminja Korozivne pline in delce lahko nevtraliziramo Pomanjkljivosti: Težave zaradi morebitne korozije Izhodna raztopina lahko predstavlja ekološki problem Zahtevana je zaščita pred zmrzovanjem Zbrani delci so lahko kontaminirani in se jih ne da reciklirati Odlaganje odpadnega blata je lahko drago Kemijska analiza onesnaževal(cev) zraka (poglavje delno osvežuje že osvojene pojme) Pregled vsebine b Pojmi b Metode b Postopki b Praktična uporaba b Vprašanja, komentarji Osnovni pojmi b Naravne sestavine zraka b Onesnaževala/polutanti b Plini 19

20 b Trdni delci - aerosoli b Vzorčevanje b Metode in postopki b Ocenjevanje mogočih vplivov na okolje b Interdisciplinarnost Kemijska analiza onesnaževalcev zraka - razdelitev po kemijskih sestavinah: b Ogljikovodiki b Organske spojine b CO b Halogeni, njihove spojine b Kovine b Anorg. N-spojine in oksidanti b Trdni delci b S-spojine b Radioaktivnost Kemijska analiza onesnaževalcev zraka - podrobnejša klasifikacija: b Plini: S, N, X - spojine, ozon, CO, organske spojine, kisline... b Pare: HNO 3, H 2 SO 4... b Trdni delci: kovine, anorg., org. spojine (npr. PAH), C-delci... b Enote: µg/nm 3, ng/nm 3, ppmv, ppbv, pptv Slike: Vzorčevanje plinov - pl. izpiralke Vzorčevanje plinov - pl. kivete Vzorčevanje plinov - abs. cevke Metode analize SO 2 : b peroksidna (titracija; prevodnost) b pararosanilinska (kolorimetrija: rkc. s K-tetrakloromerkuratom...) b plamenska fotometrija b samodejni, kontinuirni fluorescenčni analizatorji Metode analize No x v zraku: b spektrofotometrija (Griesw-Saltzman) b samodejni, neprekinjeno delujoči kemiluminiscenčni analizatorji (interno umerjanje/kalibracije) Metode analize NH 3 v zraku Kolorimetrija: Indofenolna metoda Princip: (NH 4 ) 2 SO 4 tvori s fenolom in alkalnim Na-hipokloritom barvilo indofenol, reakcijo kataliziramo z dodatkom Na-nitropruzida. Vzorčenje: absorpcija v H 2 SO 4, nastanek (NH 4 ) 2 SO 4 Pripomočki: vakuumska črpalka, merilnik pretoka, plinska izpiralka, predfilter, spektrofotometer, običajen laboratorijski pribor Območje/občutljivost: če 1-2 l/min: µg/m 3 Motnje/interference: amonijeve spojine v delcih (odstranimo jih s predfiltrom), predfilter odstrani del plinastega amonija, Fe-, Cr-, Mn-spojine v mg množini: pozitivno (usedanje), Cu-ioni negativno (tvorba močnejče barve), dodatek EDTA te motnje odstrani, nitrit in sulfit motita, če 100 x prebitek, formaldehid negativno interferira. Natančnost: pri nizki koncentraciji okoli 30%, pri visoki okoli 5 % 20

21 Pravilnost:? Metode analize O 3 in drugih oksidantov Ozon: b klasična mokra metoda (oksidacija jodida) b spektrofotometrija b UV fotometrija (absorpcijski vrh 254 nm) b ionsko specifična elektroda (oksidacija jodida) b samodejni, kontinuirni analizatorji: kemiluminiscenca (interno umerjanje) Ozon in drugi oksidanti: b metoda: absorpcija v 1% K-jodidu (ph 6,8; nastali jod se določa spektrofotometrično (trijodid pri 352 nm) b območje: µg m -3 b motnje: SO 2, NO 2, H 2 S b podobno reagirajo: PAN, halogeni, peroksi spojine, peroksidi, organski nitrati b natančnost: 5%; pravilnost:? Metode analize ogljikovodikov (CH-jev): b Priprava: separacijske in ekstrakcijske tehnike b NDIR (nedisperzivna IR: totalni CH-ji) b FID (plamenski ionizacijski detektorji) b GC (plinska kromatografija s FID, MS det.) b LC (tekočinska kromatografija) s fluorescenčnim detektorjem b TLC (tenkoplastna kromatografija) in spektrofluorometrija Metode analize trdnih delcev: b raznovrstna sestava, delna topnost, naravne in antropogene sestavine uporaba različnih analitskih tehnik b TSP, dim, C cel., BC, C el., PM nano delci b analiza velikostnih razredov b masna in številčna koncentracija Metode analize trdnih delcev-nadalj. b morfologija (opt., elektr. mikroskop...) b gravimetrija b instrumentalne metode (nedestruktivne, destruktivne) b analiza anorganskih komponent (ES, XRF, AAS, ETAAS, ICP-AES/MS...) b analiza organskih komponet (GC-FID/MS...) b vlakna... Slike (Analitski laboratorij Kemijskega inštituta, Ljubljana): Emisijska spektrografija in Bojan Budič (KI, Lj.) Emisijska spektrografija (KI, Lj.) ICP-MS (KI, Lj.-FKKT Lj.-ERICo, Velenje) ICP-MS (KI, Lj.-FKKT Lj.-ERICo, Velenje) ICP-MS (KI, Lj.-FKKT Lj.-ERICo, Velenje) Mikrovalovna peč (KI, Lj.) Mikrovalovna peč (KI, Lj.) Tehtnice (KI, Lj.) ICP-AES (KI,LJ.) ICP-AES z Nušo IC in FIA (KI, Lj.) IC in FIA (KI, Lj.) 21

22 IC in FIA (KI, Lj.) Elektrokemija in Emily Hutton (KI, Lj.) Elektrokemija (KI, Lj.) Elektrokemijska celica (KI, Lj.) Radioaktivnost sevanje delcev b Jod-131 (plinski J 2 ali HOJ, CsJ, CH 3 J) b Radon-222 (jame, notranjost zgradb) b Tricij (vodna para) Viri atmosferskega onesnaženja: naravni: razni delci, ki jih raznaša veter (miner., cvetni prah...), morska sol, dim, pepel, plini požarov in močvirij, vulkanski prah in plini, naravna radioaktivnost, mikroorganizmi, meteorski prah, naravna izparevanja, ozon... antropogeni: razni energ. obj., industrija, poljedelstvo, transport, izgor. odp. itd... Druge delitve virov: točkasti viri linijski viri površinsko razporejeni trajni občasni Ponori: delci: suha in mokra depozicija plini: mokra dep., adsorpcija, absorpcija, reakcije na površju Zemlje, kemijske pretvorbe v druge pline ali delce, transport v stratosfero Tvorba delcev v atmosferi (fazni prehod plin-trdno/tekoče): absorpcija pl. v tek. fazo nukleacija (rast klastrov molekul - v razmerah velikega prenasičenja) kondenzacija (trki molekul plinov in obstoječih aerosolov v razmerah majhnega prenasičenja) tvorba in rast delcev prek kemijske oksidacije v plinski fazi (npr. SO 2 ) rast delcev poteka med procesom koagulacije (površinske sile) primer homogene pretvorbe plina v delce: nastajanje aerosola žveplove (VI) kisline Slike: Atmosferska kemija - izrazito interdisciplinarna veda: kemija, fotokemija, fizika, mikrofizika, meteorologija, biologija Na poti vir - receptor se vrši množica fizikalnih in kemijskih procesov (rezultat: škodljive/neškodljive snovi) EUPHORE Primeri homogenih reakcij: tvorba ozona in NOx v višjih plasateh (fotok. rkc.) Fotokem. rkc. v urbanem onesnaženem zraku (disociacija NO2 in RCOH, tvorba prostih radikalov - R, OH, HO2, RO, ROO, H) + H2O --> 2OH (pri fotooks. SO2) verižne in razvejane reakcije! 22

23 fotokemični smog (od 1948 v LA: promet z emisijami NOx in CH-jev ter močno sončno sevanje) Heterogene reakcije: izredno aktualno področje atm. kem. procesi v vodni fazi: nevtralizacija, oksidacije vloga kisika in drugih primarnih oksid., katalizatorjev relativen pomen heterog. procesov izredna zapletenost sistemov, procesov Primer večstopenjskega heterogenega procesa na netopnem jedru: transp. snovi proti fazni meji plin - tekoč. plast transport proti jedru adsorpcija na površini delca realcija na površini delca desorpcija produktov s površine delca transport proti fazni meji in transport v plinsko fazo - atmosfero UČINKI ONESNAŽENEGA ZRAKA NA ZDRAVJE Tragične epizode onesnaženosti Dolina Meuse, Belgija, 1931: 60 mrtvih Donora, ZDA, 1948: 20 mrtvih London, Anglija, 1952: ca 4000 mrtvih (epizodna povečana umrljivost znana že od 1873) Praktično v vseh primerih je nastopila smrt pri ljudeh, ki so že imeli bolezni respiratornega trakta oz. kardiovaskularne bolezni. Seveda ob epizodah poleg mrtvih tudi veliko število obolelih. Skrb za zdravje že ob normalnih izpostavljenostih??? Vrsta in obseg industrijskih aktivnosti Značilnosti disperzije v konkretnem okolju Emisije motornih vozil Atmosferske reakcije Individualni viri (ogrevanje ) Posledice normalne onesnaženosti Akutni, toda prehodni simptomi: draženje oči, nosu, grla, astmatični napadi Prizadevanja so usmerjena v preprečevanje kroničnih učinkov: respiratorne bolezni, kardiovaskularne bolezni, nevrotoksični učinki, rak Zveza med vzroki in posledicami Podlaga za vse regulativne ukrepe je dobro razumevanje učinkov na zdravje v tipični urbani onesnaženi atmosferi V idealnem primeru bi imeli programi zmanjšanja onesnaženosti zraka dovolj strokovnih podlag za postavljanje povezav med vzroki in posledicami (izpostavljenost in bolezenski znaki pri izpostavljenih) za postavljanje varnih mejnih koncentracij onesnaževal Zaradi različnih dejavnikov (stresi, različne izpostavljenosti ) je postavljanje takšnih povezav težavno. Epidemiološke študije 23

24 Potrebne so za ugotavljanje omenjenih povezav Uporaba statističnih tehnik na bazah podatkov o zdravstvenem stanju populacije glede na različne izpostavljenosti Kombinirani faktorji: prisotnost določene bolezni, starost, občutljivost, meteorološke razmere, spol, rasa, socioekonomski status, kajenje, stil življenja, zaposlitev Ocenjevanje efektov se ocenjuje s kombinacijo več onesnaževal, kombinacijo onesnaževalskih in meteoroloških spremenljivk, izpostavljenost drugim faktorjem, infekcij Toksikološke študije Izvajajo se na ljudeh ali živalih, da bi ugotovili funkcionalne, strukturalne in biokemične efekte toksičnih substanc Uporaba doziranja: doza je funkcija koncentracije in dolžine ekspozicije Akutne posledice izhajajo iz visokih koncentracij toksičnih snovi v kratkem času Pri kroničnih ekspozicijah, ko so koncentracije nižje, lahko traja leta ali desetletja, preden se razvijejo hujši simptomi Toksikološke študije zajemajo fiziološke in patološke spremembe, pa tudi karcinogenezo, teratogenezo (defekt rojevanja), mutagenezo, gametotoksičnost (škoda na spolnih celicah). Vpliv onesnaževal na človeško telo Draženje oči (npr. fotokem. oksidanti, aldehidi) Učinki na kardiovaskularni sistem (CO, Pb) Učinki na dihalni sistem, ki je glavni mehanizem izmenjave plinov in pride v neposreden stik z onesnaževali zraka (koristno je poznati strukturo, funkcioniranje in obrambne mehanizme) Slike: Potencialni ciljni organi pri izpostavljenosti onesnaževalom Zgradba dihalnega sistema: Nasofaringealni sistem Traheobronhialni sistem Pulmonalni sistem Obrambni mehanizmi dihalnega sistema: V nosnem delu dlake odstranjujejo večje delce, ali pa se delci ujamejo v sluz; dlačice (cilia) odrivajo plast sluzi proti požiralniku (požiranje ali izkašljevanje). Odstranjevanje tudi s kihanjem. V zgornjem bronhialnem delu mišice zožujejo premer in s tem se zmanjša množina delcev, ki vstopajo v sistem. Kašljanje deluje podobno kot kihanje. Kljub temu drobni delci (in plini) zaidejo v pljuča. V alveolah in bronhiolah fagociti zajamejo del onesnaževal in se odtranjujejo s sluzjo s pomočjo dlačic Obrambni mehanizmi dihalnega sistema, nadaljevanje: Kljub temu veliko delcev prodre skozi alveolne membrane in vstopajo v limfni ali krvni sistem Odstranjevanje onesnaževal iz dihalnega sistema lahko povzroči izpostavljenost drugih telesnih sistemov škodljivim snovem. Onesnaženost in bolezni dihal Kronični bronhitis (vnetje bronhialne membrane, ki lahko nastane zaradi patogene infekcije ali draženja s strani raznih onesnaževal). Če traja več kot 3 mesece, je 24

25 kroničen. Spremlja ga stalno kašljanje in povečana produkcija sluzi, pogosto tudi poškodbe dlačic in slabenje bronhialnega epitela. Povečan upor, oteženo dihanje. Pogosto je posledica teh sprememb pljučna emfizema Pljučna emfizema je bolezen pljuč in pogosto povezana z večjo starostjo. Spremlja jo destrukcija ali degeneracija alveolarnih sten, posledica je zmanjšanje površine in slabši prenos kisika v kri. Nastaja tudi pljučna hipertenzija, ker prihaja tudi do destrukcije žilnih sten. Spremlja jo plitvo dihanje in težave z dihanjem nasploh: težave z izdihom, ker ostaja zrak ujet v pljučih in prenapihne končne alveole Slika: Spremembe pljučnih mehurčkov pri emfizemi Pljučni rak Zanj je značilna dolga latentna doba (desetletja) med začetno izpostavljenostjo karcinogenim snovem in razvojem bolezni Najpogostejši je bronhiogenetski (začne se v membranah bronhijev in se širi v tkiva bronhialnega drevesa, od tam v pljučno tkivo in v druge dele telesa Ocenjujejo, da je kajenje poglavitni vzrok za pljučni rak, sledi izpostavljenost azbestnim vlaknom, arzenu, radioaktivnim plinom (Rn) in prahu. Znaten je vpliv onesnaženega urbanega zraka (primerjalne študije z ruralnim). Kercinogene snovi v zunanjem zraku: benzo(a)piren in drugi policiklični aromatski ogljikovodiki (včasih protislovnost med vzroki in posledicami) Bronhialna astma Astmo povzroča izpostavljenost alergenim snovem ali različnim nespecifičnim dražljivim snovem (SO 2, delcem ) Akutna respiratorna reakcija: stiskanje mišic, otekanje sten dihalnih poti, povečana produkcija sluzi, večji upor za zrak. Epizodne reakcije astmatični napadi (lahko trajajo več ur) Učinki reguliranih onesnaževal zraka: CO (nastanek karboksihemoglobina: CO ima 240 krat večjo afiniteto do hemoglobina kot O 2 ). Na srečo je proces reverzibilen, vendar se ga precej akumulira v raznih tkivih (mišice ) S-oksidi in delci (pogosto isti izvori, sinergizem učinkov) SO 2 vplivi na zdravje: Akutne in kronične vplive so ugotavljali z laboratorijskimi živalmi Ker je topen v vodnih raztopinah, se pri dihanju odstranjuje že v nosu, žrelu, ustih; manj kot 1% ga doseže pljučne mehurčke Glavni fiziološki učinek se pozna na spremembah mehaničnega funkcioniranja zgornjih dihalnih poti (zožitev kanalov, zmanjšanje pretoka sluzi, nastanek bronhitisa) Pri ljudeh je nagnjenost k poškodbam vidnejša pri astmatikih Glede na občutljivost rizičnega dela populacije so postavljene mejne 1 urne vrednosti Trdni delci vplivi na zdravje: Neposredno draženje (fini delci, pod 10 µm) Nevarne so adsorbirane snovi na delcih(so 2, PAH, težke kovine) Depozicija in zadrževnaje v dihalnem sistemu (inhalabilni delci < 10 µm vstopajo v dihalni sistem, respirabilni < 1,5 µm se zadržujejo v pljučnih tkivih) 25

26 Usedanje je odvisno od koncentracije, sestave, ph, topnosti (razlike so tudi pri posameznikih, npr. kadilci nekadilci, bolniki, običajno več depozita pri pljučnih bolnikih) Odstranjevanje delcev je pri zdravih hitrejše (ure, dnevi) kot pri obolelih (tedni, meseci) Z daljšim zadrževanjem se tudi povečuje vpliv toksičnih sestavin delcev in njihov transport v druge dele telesa Določeni deli populacije so bolj podvrženi morbiditeti oz. mortaliteti Ogljikovodiki vplivi na zdravje: HC so ključnega pomena pri fotokemičnih procesih Karcinogenost (BaP), Draženje (aldehidi, PAN) Od sredine 50-tih let se npr. v ZDA, pa tudi drugod, koncentracije CH v zraku zmanjšujejo zaradi spremenjene porabe goriv (ogrevanje stanovanj od premoga k plinu in olju) NO x vplivi na zdravje: NO ni škodljiv (pri običajnih nivojih) NO se hitro oksidira v NO 2, ki je toksičen NO 2 je slabo topen v vodnih raztopinah in zato vdira globoko v pljuča Močno izpostavljeni dobijo pljučni edem že po nekaj urah Drugi učinki: poškodbe dlačic, tkiva alveol, poškodbe bronhiol, zmanjševanje dihalnih obrambnih mehanizmov Na splošno izpostavljenost NO 2 povzroča povečano nagnjenost k mnogim bolezenskim simptomom dihalnega sistema Ozon vplivi na zdravje: Ozon je slabo topen v vodi, zato prodira globoko v dihalni sistem Zaradi oksidacijskih lastnosti poškoduje membrane in jim poveča prepustnost in s tem izgube esencialnih elektrolitov in encimov. Vse to povzroča različne histopatološke in fizikalne spremembe od tanjšanja alveol do zmanjšanja elastičnosti pljučnega tkiva Ker deluje kot iritant, so nanj bolj občutljivi astmatiki, mladi in starejši ljudje in že oboleli na pljučih Problemi v mestih s fotokemičnim smogom Svinec vplivi na zdravje Človek ga uporablja že več tisoč let, na različne načine se vnaša v organizem (s pijačo, hrano, z dihanjem) Ni esencialen element, deponira se v kosteh, pri akutnem in kroničnem zastrupljenju je v krvi, živčevju, možganih, reproduktivnih organih; povzroča številne simptome in celo smrt Drastične spremembe po uvedbi neosvinčenega bencina: po eni strani bolje za zdravje in okolje nasploh, po drugi strani zaščita avtomobilskih katalizatorjev Druge škodljive substance: Prva skupina hazardnih (emisijskih) snovi v ZDA (1990): Hg, Be, azbest, vinil klorid, benzen, anorganski As in radionuklidi Kasneje so dodali še 182 snovi, ki predstavljajo več skupin (toksičnost, neurotoksičnost, reproduktivno toksičnost, karcinogenost, mutagenost in teratogenost) Bolj znani so vplivi delovnih mest kot vplivi izpostavljenosti zunanjemu zraku; seveda pa so učinke študirali predvsem na živalih 26