Poluanți Anorganici Ai Aerului
POLUANȚI ANORGANICI AI AERULUI
Cuprins
I. Introducere 4
II. Atmosfera 6
II.1. Generalități 6
II.2. Compoziția atmosferei …………………………………………………………… …………….8
II.2.1. Oxizi gazoși din atmosferă …………………………………………………… 9
II.2.2. Metanul, hidrocarburile…………………………………………………………………………..10
II.2.3. Particule poluante …………………………………………………………………………………11
II.2.4. Poluanți primari și secundari ………………………………………………………………….12
II.3. Proprietățile atmosferei ……………………………………………………………………………………. 12
II.3.1. Densitatea aerului ……………………………………………………………………………….. 12
II.3.2. Presiunea atmosferică ………………………………………………………………………… . 13
II.3.3. Temperatura atmosferică ……………………………………………………………………… 14
II.3.4. Apa din atmosferă ………………………………………………………………………………. 15
II.3.5. Fenomene electrice și luminoase în atmosferă ………………………………………… 16
II.4. Procese chimice care duc la formarea particulelor în atmosferă……………………………… 17
II.4.1. Particule anorganice generate în atmosferă …………………………………………….. 17
III. Poluanți anorganici: oxizi de azot NOx ………………………………………………………………………. 19
III.1. Oxid de diazot N2O ………………………………………………………………………………………… 19
III.2. Monoxid de azot NO ………………………………………………………………………………………. 20
III.3. Dioxid de azot NO2 ………………………………………………………………………………………… 22
III.4. Surse de poluare cu oxizi de azot și controlul acestora ……………………………………….. 25
III.5. Acțiunea fiziologică a oxizilor de azot ……………………………………………………………… 27
IV. Poluanți anorganici: dioxidul de sulf SO2 ………………………………………………………………….. 28
IV.1. Surse de poluare cu dioxid de sulf și controlul acestora ……………………………………… 31
IV.2. Acțiunea fiziologică a dioxidului de sulf …………………………………………………………… 33
V. Poluanți anorganici: oxizi de carbon COx ……………………………………………………………………. 35
V.1. Dioxidul de carbon CO2 …………………………………………………………………………………… 35
V.2. Monoxidul de carbon CO …………………………………………………………………………………. 37
V.3. Surse de poluare cu oxizi de carbon și controlul acestora …………………………………….. 40
V.4. Acțiunea fiziologică a oxizilor de carbon …………………………………………………………… 42
VI. Poluanți anorganici: ozonul O3 ………………………………………………………………………………….43
VI.1. Surse de poluare cu ozon ………………………………………………………………………………… 48
VI.2. Acțiunea fiziologică a ozonului ………………………………………………………………………. 49
VII. Indici de calitate ai aerului………………………………………………………………………………………. 49
VIII. Încălzirea globală …………………………………………………………………………………………………. 52
IX. Studiu de caz: poluanți ai aerului în zona Iași……………………………………………………………….
X. Bibliografie………………………………………………………………………………………………
INTRODUCERE
Poluarea este considerată a fi o consecință neașteptată, neprevăzută și chiar negândită a întregului fenomen de dezvoltare a civilizației. De aceea, în întreaga lume se pune accent și se depun eforturi susținute pentru prevenirea și controlarea poluării.
Conform definiției data de OMS (Organizația Mondială a Sănătății) poluarea reprezintă “prezența unor substanțe străine de compoziția normală a aerului sau variații importante ale concentrațiilor componenților săi care pot produce, direct sau indirect, afectarea stării de sănătate a oamenilor, detectabilă la nivelul cunoștințelor științifice actuale”.
Protecția mediului ambiant, care reprezintă ansamblul de elemente naturale și artificiale în care evoluează viața, a devenit o problemă principală a contemporaneității. S-a constatat o creștere a gradului de poluare a mediului ambiant odată cu creșterea nivelului de dezvoltare și evoluție a societății umane. Astfel, dezvoltarea, pe lângă efectele benefice pe care le are datorită progresului tehnic obligă omenirea să suporte și efectele adverse ale industriei, cum ar fi noxele și deșeurile.
Orice schimbare din mediu reprezintă un rezultat al proceselor chimice și chimico-biologice, de aceea cunoașterea acestor procese și modul în care omul le poate influența reprezintă una din problemele prioritare ale chimiei. Este necesar sa se cunoască modul de comportare a substanțelor chimice ce ajung în biosferă, la ce fel de transformări sunt supuse și care sunt urmările lor pentru a se putea prognoza, preveni și regla calitatea mediului ambiant.
La baza proceselor vitale, a schimbărilor compoziției chimice a tot ce ne înconjoară stă actul chimic. Acesta reprezintă totalitatea transformărilor substanțelor inițiale în produsele lor metabolice sau finale. Echilibrul natural al gazelor atmosferice care s-a menținut timp de milioane de ani, este acum amenințat de activitatea oamenilor. Aceste pericole ar fi: efectul de seră, încălzirea globală, poluarea aerului, subțierea stratului de ozon și ploile acide.
Poluarea provoacă degradarea calității factorilor de mediu și prin aceasta sunt afectate sănătatea și viața oamenilor.
Termenii “poluarea aerului” presupun o normă atmosferică de la care se observă o variație. Orice circumstanță în care se adaugă anumite elemente sau compuși chimici la componenții obișnuiți ai aerului poate provoca o modificare dăunătoare a proprietăților fizice și chimice ale acestuia cât să poată fi detectată de ocupanții mediului e considerate poluare.
Poluanții sunt acele substanțe care sunt în concentrație suficientă cât să producă un efect măsurabil asupra materialelor, plantelor, animalelor și omului. Aceștia pot fi naturali sau artificiali, particule solide, lichide, gaze sau amestecuri ale acestora.
Poluanții pot fi clasificați în două mari categorii: primari, aceștia sunt emiși direct din surse identificate și poluanți secundari, aceștia fiind produși direct în aer prin reacția a doi sau mai mulți poluanți primari. Poluanții secundari rezultați în urma proceselor atmosferice sub acțiunea luminii și a altor factori, sunt considerați a fi cei mai nocivi.
Aerul curat este foarte important, esențial, pentru sănătatea și menținerea vieții oamenilor. Activitățile industriale și traficul rutier produc o poluare a aerului cu un impact semnificativ asupra sănătății populației. Cele mai afectate sunt persoanele care locuiesc în zonele urbane, adică aproximativ 80% dintre europeni.
Aerul poluat provoacă diverse alergii și probleme respiratorii grave, cum ar fi astmul. Statistic, în fiecare an în Europa, nivelul de poluare a aerului contribuie la moartea prematură a aproape 370 mii de personae. S-a constatat că reduce în medie cu 8 luni speranța de viața a omului, iar în cazul persoanelor care locuiesc în zone grav afectate de poluare, speranța de viață se poate reduce cu până la 2 ani.
Sursele de poluare sunt reprezentate de industrie, transport, sistemele energetice, agricultură dar și de fiecare dintre noi. Uniunea Europeană a făcut eforturi considerabile pentru a reduce poluarea aerului, spre exemplu acum mașinile emit cu 90% mai puțin poluanți comparativ cu 20 de ani în urmă.
Gazele nocive și aerosolii sunt cei mai periculoși poluanți, acestea reprezentând particulele de praf sau funingine emise de mașinile cu motoare diesel, de solvenții folosiți la vopsele dar și de uleiurile arse, afectându-ne plamânii.
Ozonul troposperic provenit din procesele fotochimice (smogul) reprezintă un alt pericol serios. Format în urma reacțiilor unor anumiți poluanți între ei sub efectul razelor de soare, poate provoca dificultăți de respirație și iritația gâtului și a ochilor.
Efectul de seră provocat de creșterea temperaturii poate avea consecințe grave asupra omului
ATMOSFERA
II.1. Generalități
Atmosfera reprezintă acel strat protector, subțire de la suprafața Pământului ce asigură și protejează viața. Ea absoarbe energia și radiațiile ultraviolete periculoase ce provin de la Soare, astfel moderând temperatura Pământului.
Atmosfera este sursă de CO2 pentru fotosinteză și O2 pentru respirație, asigură N2 elementar pentru bacteriile fixatoare de azot respectiv plantele industriale producătoare de amoniu, iar ca parte fundamentală a ciclului hidrologic, atmosfera transportă apa din oceane către pământ.
Procesele care au loc în atmosferă ocupă unul din primele locuri în circulația și transportul substanțelor în mediul ambiant. Atmosfera este cea mai mobilă componentă a biosferei, astfel că acțiunile negative ale diferitelor surse de poluare se însumează, având astfel un caracter global.
Deoarece densitatea ei scade progresiv cu altitudinea, înălțimea atmosferei nu poate fi stabilită cu precizie, așadar nu există o limită bine definită între atmosferă și spatiul intraplanetar. Practic, se consideră că întreaga masă a atmosferei e cuprinsă între scoarța terestră și înalțimea de 100 km. Atmosfera este formată din patru regiuni cu proprietăți fizice, chimice și dinamice diferite: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera. Trecerea de la un strat la altul este lină, iar în funcție de latitudine, anotimp și alți factori, grosimea straturilor variază.
Troposfera este primul strat deasupra scoarței terestre având o grosime de până la 10-16 km, aceasta variază astfel: este mai groasă la Ecuator (16 km) și mai subțire la poli (7-8 km). Un factor ce influențează grosimea troposferei este anotimpul, astfel încăt în regiunea României în martie este mai subțire (9,7 km) iar în iulie mai groasă (11km). Troposfera se încălzește datorită absorbției radiațiilor luminoase ale Soarelui și indirect prin absorbția radiației IR a Pământului. Fenomenele meteorologice care asigură circuitul apei sunt provocate de curenții de aer puternici din troposferă. Aerosolii lichizi sau solizi prezenți în troposferă favorizează procesul. Acestea sunt particule esențiale în formarea norilor de ploaie deoarece constitue nuclee de condensare pentru vaporii de apă.
Suspensia de săruri din aer provenită din picăturile de apă marină, mai ales clorură de sodiu este transportată de curenții de aer asupra uscatului. Ploile curăță atmosfera nu numai de aceste particule suspendate ci și de anumite substanțe gazoase cum ar fi oxizii de azot și sulf. La înălțimea de 12 km temperatura troposferei este minimă deoarece aceasta scade cu creșterea înălțimii.
Stratosfera este acea regiune în care nu există curenți de aer și nici nori de aceea nu este atât de turbulentă ca și troposfera. Deoarece schimburile maselor de aer dintre troposferă și stratosferă se produc lent, gazele poluante din troposferă iși găsesc drum în stratosferă foartetății populației. Cele mai afectate sunt persoanele care locuiesc în zonele urbane, adică aproximativ 80% dintre europeni.
Aerul poluat provoacă diverse alergii și probleme respiratorii grave, cum ar fi astmul. Statistic, în fiecare an în Europa, nivelul de poluare a aerului contribuie la moartea prematură a aproape 370 mii de personae. S-a constatat că reduce în medie cu 8 luni speranța de viața a omului, iar în cazul persoanelor care locuiesc în zone grav afectate de poluare, speranța de viață se poate reduce cu până la 2 ani.
Sursele de poluare sunt reprezentate de industrie, transport, sistemele energetice, agricultură dar și de fiecare dintre noi. Uniunea Europeană a făcut eforturi considerabile pentru a reduce poluarea aerului, spre exemplu acum mașinile emit cu 90% mai puțin poluanți comparativ cu 20 de ani în urmă.
Gazele nocive și aerosolii sunt cei mai periculoși poluanți, acestea reprezentând particulele de praf sau funingine emise de mașinile cu motoare diesel, de solvenții folosiți la vopsele dar și de uleiurile arse, afectându-ne plamânii.
Ozonul troposperic provenit din procesele fotochimice (smogul) reprezintă un alt pericol serios. Format în urma reacțiilor unor anumiți poluanți între ei sub efectul razelor de soare, poate provoca dificultăți de respirație și iritația gâtului și a ochilor.
Efectul de seră provocat de creșterea temperaturii poate avea consecințe grave asupra omului
ATMOSFERA
II.1. Generalități
Atmosfera reprezintă acel strat protector, subțire de la suprafața Pământului ce asigură și protejează viața. Ea absoarbe energia și radiațiile ultraviolete periculoase ce provin de la Soare, astfel moderând temperatura Pământului.
Atmosfera este sursă de CO2 pentru fotosinteză și O2 pentru respirație, asigură N2 elementar pentru bacteriile fixatoare de azot respectiv plantele industriale producătoare de amoniu, iar ca parte fundamentală a ciclului hidrologic, atmosfera transportă apa din oceane către pământ.
Procesele care au loc în atmosferă ocupă unul din primele locuri în circulația și transportul substanțelor în mediul ambiant. Atmosfera este cea mai mobilă componentă a biosferei, astfel că acțiunile negative ale diferitelor surse de poluare se însumează, având astfel un caracter global.
Deoarece densitatea ei scade progresiv cu altitudinea, înălțimea atmosferei nu poate fi stabilită cu precizie, așadar nu există o limită bine definită între atmosferă și spatiul intraplanetar. Practic, se consideră că întreaga masă a atmosferei e cuprinsă între scoarța terestră și înalțimea de 100 km. Atmosfera este formată din patru regiuni cu proprietăți fizice, chimice și dinamice diferite: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera. Trecerea de la un strat la altul este lină, iar în funcție de latitudine, anotimp și alți factori, grosimea straturilor variază.
Troposfera este primul strat deasupra scoarței terestre având o grosime de până la 10-16 km, aceasta variază astfel: este mai groasă la Ecuator (16 km) și mai subțire la poli (7-8 km). Un factor ce influențează grosimea troposferei este anotimpul, astfel încăt în regiunea României în martie este mai subțire (9,7 km) iar în iulie mai groasă (11km). Troposfera se încălzește datorită absorbției radiațiilor luminoase ale Soarelui și indirect prin absorbția radiației IR a Pământului. Fenomenele meteorologice care asigură circuitul apei sunt provocate de curenții de aer puternici din troposferă. Aerosolii lichizi sau solizi prezenți în troposferă favorizează procesul. Acestea sunt particule esențiale în formarea norilor de ploaie deoarece constitue nuclee de condensare pentru vaporii de apă.
Suspensia de săruri din aer provenită din picăturile de apă marină, mai ales clorură de sodiu este transportată de curenții de aer asupra uscatului. Ploile curăță atmosfera nu numai de aceste particule suspendate ci și de anumite substanțe gazoase cum ar fi oxizii de azot și sulf. La înălțimea de 12 km temperatura troposferei este minimă deoarece aceasta scade cu creșterea înălțimii.
Stratosfera este acea regiune în care nu există curenți de aer și nici nori de aceea nu este atât de turbulentă ca și troposfera. Deoarece schimburile maselor de aer dintre troposferă și stratosferă se produc lent, gazele poluante din troposferă iși găsesc drum în stratosferă foarte încet, ceea ce din punct de vedere al chimiei mediului este un lucru demn de atenție. Stratul de ozon începe să se formeze la altutudinea de 25 km prin transformarea unei părți de oxigen formând ozonosfera. Aceasta protejează Pământul deoarece oprește o parte din radiațiile UV (λ< 320 nm) care ar avea un fect distructiv asupra vieții. În stratosferă vaporii de apă si dioxidul de carbon se găsesc într-o proporție foarte mica, dispărând la înalțimea de 20-30 km.
Mezosfera ajunge până la înalțimea de 85-90 km, în ea consumându-se meteoriții. Zona care face trecerea spre termosferă se numește mezopauză, unde temperatura scade până la 365 K (-92o C).
Termosfera, ultimul strat al atmosferei este caracterizată de o creștere accentuată a temperaturii din cauza degajării de căldură rezultată în urma unor procese de ionizare. Aceasta conține electroni și ioni printre care au fost identificați: NO+ , NO2+, O2+, O+, N2+, H, He, NO2-, NO3-.
Fig.1 Structura atmosferei
sursa: www.meteoostia.it
II.2. Compoziția atmosferei
Excluzând apa, aerul atmosferic are urmatoarea compoziție în volume: 78,1% azot, 20% oxigen, 0,9% argon si 0,03% dioxid de carbon. În mod normal, aerul are un conținut de 1-3% vapori de apă în volum. Pe lângă aceasta, el conține un număr de gaze în urme la un nivel sub 0,002% printre care metan, heliu, neon, cripton, oxid de azot, xenon, hidrogen, dioxid de sulf, dioxid de azot, monoxid de carbon, ozon și amoniac.
Tabelul 1
Principalele gaze în urme din atmosferă, în aer uscat, în apropierea nivelului solului
a – suma NO, NO2 și NO3 din care NO3 este specia reactivă majoră din atmosferă noaptea;
Aerul este considerat pur atunci când nu conține decât acele substanțe care intră în compoziția sa naturală și în proporția menționată. Mărirea concentrației unor gaze care intră în compoziția normal a aerului (dioxid de carbon, ozon) este un indiciu al poluării de origine artificială. Atmosfera este alcatuită din mai multe straturi în care diferă proprietățile fizice, chimice și dinamice.
Aerul atmosferic este unul din factorii de mediu greu de controlat deoarece poluanții odată ajunși în atmosferă se dispersează rapid și practic nu mai pot fi captați în scopul epurării și tratării. Acesta este unul din motivele pentru care poluanții trebuie să fie captați și tratați la sol.
II.2.1 Oxizii gazoși din atmosferă
Oxizii constituenți ai atmosferei sunt cei ai carbonului, sulfului și azotului, iar în concentrații mari aceștia devin poluanți. Cel mai abundent este dioxidul de carbon, este necesar pentru creșterea plantelor și este un component natural al atmosferei.
Dioxidul de carbon împreună cu vaporii de apă sunt responsabili în principal de absorbția energiei infraroșii reemisă de către Pământ, fapt care determină încalzirea suplimentară a aerului. Modificările nivelului de dioxid de carbon în atmosferă pot schimba în sens negativ climatul Terrei prin efectul de seră. Cantitatea de dioxid de carbon este in continuă creștere, astfel se apreciază o creștere de 1 ppm/an. Creșterea, raportată pe cap de locuitor este mai mare în țările puternic industrializate și este de așteptat ca în viitor, țări cu populație mare să contribuie cu cantități suplimentare de dioxid de carbon în atmosferă.
Cel mai important factor care deretmina creșterea cantității de CO2 din atmosferă o constitue utilizarea cărbunilor fosili drept combustibili. În cazul arderilor incomplete se formează monoxidul de carbon, în timp ce în cazul arderilor complete se formează dioxid de carbon. Un alt factor care contribuie la creșterea nivelului de CO2 din atmosferă este și degradarea biomasei. Din fericire, nivelul acestuia scade în urma procesului de fotosinteză. Contribuția fotosintezei este foarte importantă, acest lucru este evidențiat de faptul că în luna aprilie nivelul de CO2 este maxim, iar la sfarșitul lui septembrie sau octombrie este minim, indicând astfel o evoluție ciclică.
Din punct de vedere chimic și fotochimic, dioxidul de carbon pare nesemnificativ prin reactivitatea sa scazută, dar la altitudini mari și sub acțiunea radiațiilor solare UV din stratosferă, acesta suferă un proces de fotodisociere:
CO2 + h CO + O
fiind astfel o sursă majoră de oxid de carbon din atmosferă.
În oceane există o cantitate mare de CO2, fie sub formă anorganică, fie asociat cu organismele vii. Schimbul de gaz între atmosferă si straturile superioare ale oceanului este rapid și este urmat de un transfer încet până în regiunile adânci ale oceanului.
II.2.2 Metanul, hidrocarburile
Pe lângă dioxidul de carbon, alte gaze din atmosferă cum ar fi metanul, clorofluorohidrocarburile, protoxidul de azot (N2O) sunt de 20-30 de ori mai eficiente decât CO2 în a reține căldura. Capacitatea metanului de a reduce radiațiile infraroșii care pătrund în atmosferă este de 25 de ori mai mare decât cea a CO2.
Concentrația metanului în atmosferă crește cu o rată de 0,2 ppm/an. Cea mai importantă cauză a acestei creșteri rapide este activitatea umană. În afara acțiunii sale de tip efect de seră, metanul influențează și chimia atmosferei. În cursul oxidării lui se formează ca produs intermediar CO și influențează concentrația radicalilor hidroxil, a ozonului din atmosferă și nivelul vaporilor de apă. Metanul produce H2 și apă în stratosferă dar acționează pentru îndepartarea clorului distrugător de ozon.
Hidrocarburile rezultate din emisiile automobilelor sunt cele mai importante hidrocarburi poluante. Cele mai nocive substanțe din gazele de eșapament ale automobilelor sunt rezultate prin arderea incompletă a hidrocarburilor și anume oxid de carbon, hidrocarburi nearse, aldehide, cetone, acizi organici, peroxizi. Combustibilii lichizi pentru motoarele cu ardere internă, motorina și benzina, nu contin sulf, dar procesul presupunând arderea incompletă în cilindrul motorului principalii poluanți generați de acești combustibili sunt nearsele și oxizii de azot. Oxizii de azot și aldehidele rezultate din combinarea directă a oxigenului cu azotul în descărcarea electrică din bujie și la temperatura înaltă din momentul deflagrației, prin reacții fotochimice duc la formare de ozon. Acesta generează la rândul său o altă substanță deosebit de iritantă, mai ales a ochilor, substanță care face parte din smogul fotochimic, peroxiacetil-nitratul CH3-CO-O-O-NO2.
II.2.3 Particule poluante
Poluanții sub formă de particule sunt emiși de o mulțime se surse naturale sau atropogene, mobile sau staționare. Particulele se pot forma chiar și în atmosferă prin transformarea fizică și chimică din substanțe gazoase naturale sau prezente ca urmare a diverselor activități umane.
Se întalnesc în mod frecvent în atmosferă particule rezultate prin agergarea câtorva molecule de fragmente de praf, acestea fiind vizibile chiar și cu ochiul liber. Aerosolii atmosferici sunt particule lichide sau solide ce au diametrul sub 100 m, iar acele particule ce au diametrul cuprins între 0,001-10 m sunt prezente (suspendate) în mod obișnuit în aer în apropierea surselor de poluare cum sunt atmosfera urbană, drumuri rutiere, zone industriale.
Tabelul 2
Tipuri de particule poluante în atmosferă
Aerosolii condensați sunt mai periculoși deoarece au dimensiuni mai reduse, aceștia având o tendință mai mare să se disperseze ușor, și deci tendință de a fi inhalați de plămâni.
Unele particule din atmosferă, cum sunt picăturile de apă marină împrășiate în atmosferă la spargerea spumelor, se evaporă rapid lăsând în aer o suspensie de săruri, în principal clorură de sodiu, care astfel devin constituenți naturali și chiar benefici ai atmosferei.
Majoritatea particulelor poluante din atmosferă se află sub formă de oxizi, aceștia fiind rezultați din arderea combustibililor fosili sau particule foarte mici de cenușă care a scăpat de sistemele de colectare. Acestea ajunse în atmosferă reprezintă un pericol pentru sănătatea oamenilor, fiind periculoase pentru plante si vizibilitatea mediului.
II.2.4 Poluanți primari și secundari
Poluanții primari sunt considerați acei plouanți care sunt emiși direct în atmosferă. Dioxodul de sulf este un astfel de poluant, acesta deteriorează vegetația și este iritant pulmonar.
Poluanții secundari care se formează prin procese chimice din atmosferă, procese ce se produc asupra poluanților primari și chiar a speciilor nepoluante din atmosferă au o importanță deosebită. Ei apar în general în urma tendinței naturale a atmosferei de a oxida gazele prezente în urme în ea.
Un exemplu de plouant secundar este acidul sulfuric. Acesta apare în atmosferă prin oxidarea dioxidului de sulf, plouantul primar. Un alt plouant secundar este NO2, rezultat în urma oxidării plouantului primar NO. Cel mai important plouant secundar este ozonul, pentru care materia primă este oxigenul atmosferic. Nivelele poluante de ozon se ating în troposferă în urma proceselor fotochimice în prezența hidrocarburilor și a oxizilor de azot NOx (NO și NO2).
Prin reacțiile chimice atmosferice în care sunt implicați poluanți primari gazoși pot fi generați poluanți secundari ce constau din particule materiale solide.
II.3 Proprietățile atmosferei
II.3.1 Densitatea aerului
Densitatea atmosferei scade pe masură ce altitudinea crește. Atmosfera nu are o limită bine definită, densitatea ei scade cu înaltimea deoarece numărul de molecule pe unitatea de volum scade conform legii lui Laplace:
N = N0
unde : M – masa moleculară a gazului;
g – accelerația gravitațională;
h – înălțimea;
R – constanta generală a gazelor;
T – temperatura absolută;
Semnul minus din fața exponentului ne arată că numărul de molecule N scade când înalțimea h crește. În cazul în care înalțimea este aceeași, raportul N/N0 este mai mic cu cât masa moleculară a specie respective de gaz este mai mare. Asta înseamnă că, deși moleculele tuturor componenților aerului se răresc cu înalțimea conform legii de mai sus, cele ale speciilor mai grele se răresc mai repede decât cele ale speciilor ușoare. La înalțimi foarte mari, hidrogenul si heliul vor fi în concentrații procentuale și de volum sau de moli mai mari decât azotul și oxigenul, predominând astfel în atmosfera înaltă.
În troposferă, compoziția aerului este în mare masură aceeași în orice punct, din cauza curenților care răscolesc acest strat de aer, dar fac excepție poluanții și vaporii de apă.
II.3.2 Presiunea atmosferică
Odată cu densitatea scade și presiunea, deci scade cu înaltimea, astfel la o înalțime de 50 km ea este numai de 1 mm Hg. Aceasta se explică prin faptul că atmosfera este comprimată pe supratața pământului astfel că presiunea scade mai repede la înalțimi mici decât la altitudine ridicată.
Presiunea aerului se masoară în mm Hg/cm2 sau în milibari (750 mmHg = 1000 mb). O altă unitate de măsură este kilopascalul (kPa), 1kPa = 10 mb.
Conform legii barometrice a lui Laplace, presiunea scade exponential cu înalțimea:
Ph = P0
unde: Ph – presiunea la o înalțime h;
P0 – presiunea la altitudine zero, nivelul mării;
M – masa moleculară medie a aerului 28,97;
g – accelerația gravitațională, 981 cm sec-2 la nivelul mării;
h – altitudinea în cm;
R – constanta gazelor, 8,314107 erg grad-1 mol-1;
Factorii care influențează caracteristicile atmosferei sunt altitudinea, timpul (sezon), locația (latitudinea), chiar și activitatea solară, astfel încat aceste caracteristici variază în limite largi. Speciile cu reactivitate normală, cum este oxigenul atomic, persistă în atmosferă perioade îndelungate la altitudini mari. Aceasta se datorează faptului că la aceste altitudini presiunea este foarte scăzută astfel că distanța parcursă de către speciile reactive, numită drum liber, este mare. O particulă cu un drum liber de 10-6 cm la nivelul mării, la o altitudine de 150 km, unde presiunea este mai joasă cu mai multe ordine de magnitudine are un drum liber mai mare de 10-6 cm . Înălțimea la care se înjumătățește presiunea aerului, h1/2 se calculează la temperatura de 200 K si se obtine:
h1/2 = = 5885 m, adică 5,9 km
Altfel spus, pe înălțimea troposferei presiunea se înjumătățește de aproape 2 ori, deci presiunea ajunge aproape la un sfert, însă în realitate înălțimea de înjumătățire este puțin mai mică, dacă se ține seama că temperatura scade considerabil până la tropopauză.
II.3.3 Temperatura atmosferică
În funcție de modul în care evoluează temperatura cu creșterea altitudinii se pot pune în evidență câteva straturi despărțite de niște zone de trecere înguste care se numesc “pauze”. Modul în care variază temperatura în acele straturi depinde de particularitățile compoziției chimice ale aerului din stratul respective.
De exeplu, regiunea mai jos de 90 km se caracterizeaza ca fiind una de agitație intensă, iar compoziția ei gazoasă este destul de constantă. Aici, ca și la nivelul mării, masa moleculară a aerului este mai mare decât la înalțimi de 90 km, unde scade brusc. Astfel la înalțimi de 500-1000 km componentul principal este heliul, al cărui conținut în atmosferă la nivelul mării este mic. Așadar, temperatura în atmosferă variează în limite largi și neliniar, în funcție de înălțime, astfel că în troposferă ea scade cu 6C pentru fiecare kilometru.
Factorii care provoacă o creștere a temperaturii în anumite straturi sunt: absorbția radiației solare și a celei infraroșii a Terrei de către particule solide aflate în aer, absorbția vaporilor de apă, a dioxidului de carbon, a metanului și a altor gaze aflate în aer.
La limita inferioară a stratosferei, temperatura scade mai lent și se menține relativ constantă, în jur de -60C între 15-20 km, iar apoi crește păna la aprox. 50 km, unde se apropie de valoarea de 0C. Creșterea se datorează absorbției razelor UV de către oxigen, provocând disocierea acestuia și formarea moleculei de ozon, O3.
II.3.4 Apa din atmosferă
Vaporii de apă din atmosferă constituie una dintre cele mai importante componente variabile ale acesteia. Conținutul vaporilor de apă se micșorează treptat, odată cu creșterea înălțimii, până la tropopauză, aceasta fiind o cauza a scăderii temperaturii în troposferă. Conținutul de vapori din stratosferă este mic, in jur de 2.10-6 %.
Vaporii de apă joacă un rol important în menținerea temperaturii pe timpul nopții, (deoarece ei absorb intens radiațiile IR), când suprafața terestră radiază energie și nu primește energie solară. Astfel se explică de ce în regiunile deșertice, unde concentrația vaporilor de apă este mica, ziua este cald, iar noaptea frig.
Un procent important din energia solară este transformată în căldură latentă, prin evaporarea apei din atmosferă, aceasta fiind importantă pentru transferul de energie de la ocean la pământ.
Umiditatea atmosferei este dată de apa existentă sub formă de vapori, cristale, picături. Cea mai importantă cantitate de apă provine din evaporarea apelor de suprafață, din stratul superficial al solului, din activități industriale și din procesul de transpirație al plantelor.
Umiditatea ese caracterizată de următorii parametrii:
Umiditatea absolută, Ua – cantitatea de apă existentă într-un volum de aer la un moment dat, g/m3;
Umiditatea maximă, Um – cantitatea maxima de vapori de apă pe care o poate primi un volum de aer la o anumită temperatură, g/m3; mai poartă denumirea de presiune de saturație cu vapori de apă a aerului la temperatura considerată.
Umiditatea relativă, Ur – cantitatea de apă procentuală existentă într-un volum de aer atmosferic raportată la cantitatea maximă pe care ar putea-o cuprinde același volum de aer la o anumită temperatură.
La 20C presiunea vaporilor de apă saturați este de 18 mm Hg, iar dacă temperatura scade, umiditatea relativă crește, acesta fiind și mecanismul de formare al norilor.
Punctul la care aerul este saturat cu vapori de apă la o anumită temperatură și la care începe condensarea vaporilor se numește punct de rouă. Pentru ca vaporii să înceapă să condenseze este nevoie și de prezența unor nuclei de condensare, nu numai de creștere a temperaturii. Acești nuclei pot fi substanțe higroscopice, săruri, material organic inclusiv celule bacteriene. Deci, poluanții aerului, aflați sub diferite forme reprezintă cei mai importanți nuclei de condensare.
Cea mai mare cantitate de apă din atmosferă se află sun formă de nori, aceștia fiind absorbanți si reflectori ai radiației. Formarea norilor este infuențată de activitatea umană, în special de particulele poluante, emisia de gaze. În picăturile norilor se produc majoritatea proceselor chimice din atmosferă, adică în soluție, iar în particulele de gheață din nori se depozitează speciile de clor distrugătoare de ozon.
II.3.5 Fenomene electrice și luminoase în atmosferă
În stratosferă și mezosferă componenții atmosferei se află cub formă moleculară sau de atomi, spre deosebire de termosferă unde se găsesc mai multe structuri bogate în ioni ce rezultă în urma bombardamentului solar cu fotoni și particule. Aceste straturi ionizante reflectă undele radio.
Tot în termosferă, se produc și fenomene electrice luminoase cunoscute ca aurora boreală, acestea fiind o conecință a ionizării atomilor din atmosferă de fluxuri de particule electrice ce provin din vântul solar și razele cosmice. Traiectoria acestor particule este curbată și orientată spre poli de câmpul magnetic al Pământului, iar revenirea atomilor la energii mai joase are loc cu emisie de fotoni și căldură.
II.4 Procese chimice care duc la formarea particulelor în atmosferă
Procesele chimice care au loc în atmosferă produc monoparticule impurificatoare. Cele mai importante specii chimice care produc aceste monoparticule sunt poluanții organici și oxizii de azot, aceștia foond cauza formării ozonului și smogului fotochimic în troposferă.
Cele mai multe procese care au loc la suprafața particulelor sunt hidroliza N2O5 și procesele pe suprafața particulelor de negru de fum, generare de HONO prin reacția oxizilor de azot cu vapori de apă, reacțiile radicalilor HO cu specii chimice nevolatile absorbite pe suprafața particulelor.
Un process chimic ce are loc în atmosferă este acumularea de sulfat pe suprafața particulelor de NaCl ce provin din evaporarea apei de mare pulverizată în atmosferă. Acest proces începe prin reacția particulelor de clorură de sodiu cu radicali hidroxili:
2NaCl + 2HO. 2NaOH +Cl2
Cl2 + 2NaOH NaOCl + NaCl + H2O
Odată format, hodroxidul de sodiu reacționează fie cu acidul sulfuric din atmosferă, fie facilitează oxidarea dioxidului de sulf atmosferic:
2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + H2O
SO2 + 2NaOH + ½ O2 Na2SO4 + H2O
II.4.1 Particule anorganice generate în atmosferă
O clasă importantă de particule prezente în atmosferă este constituită de oxizii metalici. Aceștia se formează la arderea combustibililor care conțin metale.
3FeS2 + 8O2 Fe2O3 . FeO + 6SO2
Arderea combustibililor ce conțin vanadiu eliberează în atmosferă oxizi de vanadiu. Prezența carbonatului de calciu în cenușa cărbunilor explică prezența de oxid de calciu în atmosferă.
CaCO3 + căldură CaO + CO2
Acidul sulfuric reacționează cu poluanții bazici din aer formând săruri:
H2SO4 (picături) + 2NH3(g) (NH4)2SO4 (picături)
H2SO4 (picături) + CaO(s) CaSO4 (picături) + H2O
Dacă umiditatea este scăzută, apa din aceste picături se pierde și se formează aerosoli solizi.
Majoritatea elementelor anorganice tipice, prezente la nivel de 1g/m3 sunt Al, Ca, C, Fe, K, Na, Si, provenind din surse terestre. S-a observant, la nivele mai scăzute și prezența altor elemente, cum ar fi Cu, Pb, Ti. Aceste elemente provin din:
Al, Fe, Cu, Si: enzimele solului, cărbunele combustibil, praful provenit din roci;
C: combustia incompletă a combustibililor cocs, mangal;
Na, Cl: aerosoli marini, clor rezultat din arderea deșeurilor polimere;
Sb, Se: elemente foarte volatile, provenite din arderea uleiurilor, cărbunelui sau deșeului menajer;
Zn: apare în particule mici în urma arderii combustibililor;
Pb: din arderea combustibililor cu tetraetilplumb și din deșeuri ce conțin plumb;
Așa cum am precizat mai sus, multe din aceste elemente se alfă în atmosfera poluată sub formă de oxizi sau alți compuși produși în urma arderii combustibililor. Unele substanțe minerale din alcătuirea carbunilor fosili, huilă sau lignit, sunt transformate în timpul arderii în asa-numita “cenușă de fund”, dar aceasta nu prezintă probleme în ceea ce privește poluarea.
Compoziția cenușii variază în funcție de combustibilul din care provine. Conține predominant carbon, oxizi de aluminiu, calciu, fier, dioxid de siliciu.
Un alt poluant al aerului este considerat azbestul deoarece acesta, odată inhalat, poate produce probleme pulmonare. Sub denumirea de azbest este considerat un grup de minerale silicatice fibroase cu formula: Mg3P(Si2O5)(OH)4, folosit mult în industrie.
POLUANȚI ANORGANICI: OXIZI DE AZOT NOx
III.1. Oxidul de diazot N2O
Obținere
Oxidul de diazot se poate obtine astfel:
descompunerea nitratului de amoniu, uscat la 170 C:
NH4NO3 → N2O + 2H2O
reducerea acidului nitric:
2HNO3 + 4SnCl2 + 8HCl → N2O + 4SnCl4 + 5H2O
descompunerea acidului hiponitros:
H2N2O2 → N2O + H2O
Proprietăți fizice
Oxidul de diazot este un gaz incolor cu miros slab dulceag. Are temperatura de topire -91 C, iar temperatura de fierbere -89C. Este puțin solubil în apă sau solvenți organici.
Molecula N2O are caracter slab polar, având momentul magnetic =0,17 D. Structura ei este liniară, nesimetrică și prezintă doua structuri limită:
Lungimea legăturii dN-N = 1,126 A, iar dN-O =1,186 A.
În condiții normale, molecula de oxid de diazot este stabilă. Se descompune cu formare de N2 și O2 la temperatura de 600 C și rezistă la acțiunea agenților chimici.
Proprietăți chimice
În unele condiții are caracter oxidant, cum ar fi în reacție cu H2, P4, C, NH3.
N2O + H2 = N2 + H2O
3N2O +2NH3 = 4N2 + 3H2O
Caracterul reducător este foarte slab; N2O nu întreține arderea.
Dacă este inhalat în organism provoacă râsul și stare de euforie, de aceea a fost numit gaz ilariant. Pe lângă aceasta, are și proprietăți narcotice, iar utilizarea lui e limitată.
III.2. Monoxidul de azot: NO
Obținere
în laborator se poate obține prin reducerea acidului nitric sau a nitraților metalici cu metale (Cu, Pb, Bi, Ag, Hg) sau cu FeCl3.
3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
2NaNO3 + 6FeCl2 + 8HCl = 2NO + 6FeCl3 + 2NaCl + 4H2O
O altă medodă de obținere în laborator este reducerea acidului nitros sau disproporționarea acestuia:
2HNO2 + 2HI = 2NO + I2 + 2H2O
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O
în industrie există două metode mai importante de obținere a NO. Acestea sunt:
prin sinteză de elemente, aceasta realizându-se pe baza echilibrului:
N2 + O2 2NO , ΔH = +21,6 kcal/mol
În practică, această reacție se realizează la temperatura arcului electric (4000C), deși formarea de NO este determinată de temperaturi mari. Următorul pas este răcirea la 700C a amestecului de reacție pentru a se evita descompunerea monoxidului.
prin oxidarea catalitică a amoniacului. Aceasta are loc în prezență de site de Pt-Rh, la presiune atmosferică dar la 700C.
2NH3 + O2 = 2NO + 3H2O , ΔH = -139 Kcal/mol
Aceasta este cea mai utilizată metodă industrială pentru obținerea NO.
Proprietăți fizice
Monoxidul de azot este un compus în stare gazoasă, incolor, este puțin mai greu decât aerul, puțin solubil în apă. Are temperatura de topire -164C, iar temperatura de fierbere de -152C. În stare lichidă și solidă are culoarea albastră.
Este un compus instabil în condiții normale însa stabilitatea lui aparentă se datorează inerției legăturilor din moleculă. De aceea, la presiune înaltă și 30-50C disproporționează, iar la temperaturi de 1500C disociază în elemente:
2NO = N2O + NO2
2NO = N2 + O2
În structura moleculei, unul din cei 11 electroni de valență este necuplat, ceea ce îi conferă acesteia proprietăți paramagnetice (momentul magnetic = 1,8 MBP) și posibilitatea de a dimeriza în faze mai condensate. Astfel, în stare lichidă și solidă se prezintă în formă dimerizată (NO)2, cu proprietăți diamagnetice.
Prin conceptul de rezonanță, structura moleculei de NO prezintă două structuri limită:
Experimental s-a demonstrat că momentul dipolar = 0,16 D, ceea ce a evidențiat polaritatea slabă a moleculei.
Proprietăți chimice
Din punct de vedere acido-bazic, molecula de NO este un oxid indiferent (nu are caracter de anhidridă ), iar din punct de vedere redox poate juca rol și de reducător și de oxidant. De aceea poate fi oxidat la NO2 de oxigen molecular, apa oxigenată, acid sulfuric și poate fi redus la N2 de C, P, S, SnCl2.
NO + O2 = NO2
3NO + 2ClO3 = 3NO- + Cl2
2NO + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 2HNO3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 3H2O
10NO + 6KMnO4 + 9H2SO4 = 10HNO3 + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 4H2O
10NO + P4 = 5N2 + 2P2O5
2NO + 2H2 = 2H2O + N2
Molecula poate funcționa ca ligand monodentat în combinațiile complexe ale ionilor metalelor tranziționale, cum ar fi FeSO4 care în soluție apoasă formează Fe(H2O)5NOSO4, un complex brun-închis, stabil doar la rece. În mod similar, Na2Fe(CN)5NO care e un complex de tipul nitroprusiatului.
Molecula de NO având 11 electroni de valență are posibilitatea să accepte un electron, formându-se specia anionică NO- sau să cedeze un electron formandu-se cationul NO+. Având potențialul de ionizare 9,3V, care este mult mai mic decât al moleculei de N2 sau O2, acesta poate ceda ușor electronul impar formându-se cationul NO+.
Acest cation (nitrozil) fiind izoelectronic cu N2O are structură liniară (sp). Cationul NO+ se găsește în unii compuși cum ar fi sulfatul de nitrozil, clorura de nitrozil.
Anionul NO- se găsește în unii derivați, dar acestia sunt foarte puțin stabili, însă theoretic se pot forma prin reacția metalelor foarte active cu NO în amoniac lichid.
III.3. Dioxidul de azot NO2
Obținere
Dioxidul de azot poate fi obținut fie prin oxidarea monoxidului de azot cu aer, fie prin descompunerea nitraților metalelor grele.
2NO + O2 = 2NO2
Pb(NO3)2 PbO + O2 + 2NO2
2AgNO3 2NO2 + 2Ag + O2
Industrial NO2 se obține prin oxidarea NO la NO2 la 25C, care are loc după un echilibru deplasat complet în sensul reacției directe. La 150C începe disocierea NO2, iar la 620C această disociere devine completă.
Proprietăți fizice
În condiții moderate de presiune și temperatură, NO2 este un lichid volatil și ușor de solidificat, iar în stare gazoasă prezintă o colorație brun intens. La temperaturi de -10C vaporii săi sunt galbeni, aceștia devenind roșii-brun la 150C. La o temperatură mai ridicată culoarea se deschide deoarece se formează dimerul N2O4 care e incolor.
2NO2 N2O4
Acest echilibru depinde de temperatură astfel încât în stare lichidă NO2 se găsește doar în cantitate de 0,1%, iar în stare solidă se găsește doar dimerul N2O4(incolor).
Structura moleculară a NO2 admite cele 2 structuri limită, astfel că în structura reală cele 2 legături N-O sunt echivalente.
Lungimea legăturii N-O dN-O = 1,2 A fiind intermediară între legătura dublă și cea simplă indică faptul că atomul de N este hibridizat sp2, care are unghiul de valență ONO = 132.
În structura dimerului, deoarece se suprapun cei 2 orbitali moleculari hibrizi sp2 ocupați fiecare cu câte un electron, apare o legătură suplimentară N-N.
Lungimea legăturii N-N dN-N = 1,75 A, iar unghiul ONO= 126. În acord cu structurile prezentate anterior, monomerul NO2 are proprietăți paramagnetice, iar dimerul N2O4 are proprietăți diamagnetice.
Proprietăți chimice
Mononerul și dimerul sunt anhidride mixte.
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3
2NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O
Dioxidul de azot are tendința de a disproporționa, altfel spus acesta poate juca rol și de oxidant și de reducător.
NO2 -1e- NO2+ ; potențialul de ionizare = 9,8 eV;
NO2 +1e- NO2- ; potențialul de ionizare = -1,62 eV (afinitate pt electroni);
De aici se observă faptul că are tendință crescută de formare a anionului NO2-. Cationul NO2+ fiind isoelectronic cu CO2 are structură liniară, iar azotul este în starea de hibridizare sp.
Acesta se poate forma astfel:
HNO3 +2H2SO4 = NO2+ + H3O+ + 2HSO4-
Amestecul HNO3 + H2SO4 se numește amestec nitrant.
Dioxidul de azot manifestă caracter oxidant puternic și caracter reducător slab.
2NO2 + 2H2S = 2S + 2NO + H2O
2NO2 + 2KI = 2KNO2 + I2
Având proprietăți reducătoare slabe, acesta poate fi oxidat la N2O5 doar cu oxidanți energici cum e ozonul:
2NO2 + O3 = N2O5
Dioxidul de azot este toxic, el producând edem pulmonar. În cantități mari provoacă scăderea tensiunii arteriale, urmată de deces.
III.4. Surse de poluare cu oxizi de azot și controlul acestora
Monoxidul de azot produs pe cale bilogică se găsește în cantitatea cea mai mare in atmosferă, în comparație cu ceilalți oxizi de azot. Conform unor statistici, NO provenit din sursele naturale este în cantitate mult mai mare decât NOx degajat din cele artificiale (50.107 t NO pe an; 5.107 t NOx pe an).
Oxizii de azot se formează în procesul de combustie atunci când combustibilii sunt arși la temperaturi înalte, dar cel mai adesea ei sunt rezultatul traficului rutier, activităților industriale, producerii energiei electrice. Oxizii de azot sunt responsabili pentru formarea smogului, a ploilor acide, deteriorarea calitătii apei, efectului de seră, reducerea vizibilității în zonele urbane .
În general, în atmosfera orașelor concentrația de oxizi de azot este de 10-100 de ori mai mare decât înafara orașelor. Monoxidul de azot produs de bacterii reprezintă cea mai mare parte dintre oxizii de azot produși din surse naturale.
Ca sursă artificială, cauza principală de emisii de oxizi de azot o reprezintă arderea combustibililor. Estimativ, arderea cărbunelui, gazului natural, combustibilului folosit la funcționarea autovehiculelor, produșilor petrolieri contribuie cu aproximativ 90% la concentrațiile de oxizi de azot ce provin din activitățile umane. Dintre acestea, întreprinderile energetice au ponderea cea mai mare.
Cantități mai mici de oxizi de azot sunt produse în industria fabricării acidului azotic, a îngrășămintelor azotoase, etc. Alte procese, cum ar fi cele de electrodepunere, gravare, sudură, pot fi considerate ca producătoare de acești oxizi.
Datorită toxicității și contribuției lor la formarea cețurilor oxidante, s-au depus eforturi susținute în scopul reducerii emisiei de oxizi de azot de origine termică, dar și chimică. Ca metode de reducere a acestor oxizi emanați de centralele termice cu cărbuni pot fi modificarea procesului de ardere, dar și curățirea gazelor evacuate.
Azotul legat chimic, în comparație cu cel din aer, reacționează mult mai ușor cu oxigenul, însă modificarea condițiilor de ardere a combustibililor nu influențează producerea oxizilor de azot din azotul legat.
Factorii ce influențează formarea de oxizi de azot în procesele de ardere sunt: temperatura flăcării, timpul de reținere a gazelor în flacără, excesul de aer aflat în flacără. Deoarece producerea de NO este influențată de temperaturi înalte, reducerea temperaturii de vârf a flacării are ca efect reducerea emisiilor de oxizi de azot. Această modalitate de controlare a emisiilor de NOx ce presupune modificarea combustiei este considerată promițătoare și mai avantajoasă din punct de vedere economic, comparativ cu alte procedee.
Pe de altă parte, controlul emisiilor de oxizi de azot se poate face și din modificarea tipului și compoziției combustibilului. Unele proprietăti ale combustibililor, cum ar fi vâscozitatea, conținutul în cenușă și metale, raportul C:H, greutatea specifică, pot modifica emisiile de NOx.
O altă modalitate de control a emisiilor de oxizi de azot este modificarea condițiilor de producere a combustiei sau a instalațiilor în care se produce arderea. S-a constatat că structura aerodinamică a flacării poate produce o modificare importantă asupra concentrației de oxid de azot din camera de ardere. Prin urmare, este necesar să se modifice tehnologia de construire a arzătoarelor, astfel încât cărbunele să poată fi pulverizat în jeturi de aer, în scopul obținerii unor scheme aerodinamice mai favorabile.
Controlul emisiilor din industria chimică este importantă deoarece gazele astfel rezultate sunt mai concentrate decât cele provenite din procesele de combustie. Dacă nu există un control asupra acestor emisii, se pot produce probleme serioase de poluare. Decolorarea catalitică oxizilor proveniti din industria chimică se poate face folosind ca și combustibil H2 sau gazul natural. Deoarece aceste reații sunt exoterme, caldura eliberată este folosită pentru întreținerea instalației. Acest procedeu are la bază reducerea oxizilor la azot elementar, nu necesită catalizatori, iar temperatura la care are loc reducerea este de aproximativ 700C.
Metoda de referință pentru măsurarea dioxidului de azot și a oxizilor de azot este cea prevazută în standardul SR EN 14211 Calitatea aerului înconjurător. Metoda standardizată pentru măsurarea concentrației de dioxid de azot si monoxid de azot prin chemiluminescență.
III.5. Acțiunea fiziologică a oxizilor de azot
O atmosferă poluată cu oxizi de azot produce deteriorări asupra plantelor și animalelor.
Dioxidul de azot este cunoscut ca fiind un gaz foarte toxic atât pentru oameni cât și pentru animale. Expunerea la concentrații ridicate poate fi fatală, iar la concentrații reduse afectează țesutul pulmonar.
Populația expusă la acest tip de poluanți poate avea dificultăți respiratorii, iritații ale căilor respiratorii, disfuncții ale plămânilor. Expunerea pe termen lung la o concentrație redusă poate distruge țesuturile pulmonare ducând la emfizem pulmonar.
Persoanele cele mai afectate de expunerea la acest poluant sunt copiii.
Deteriorările observate asupra plantelor sunt dependente de timpul de expunere și de concentrația de oxizi de azot din atmosferă. Astfel efectele pot fi variate, de la apariția unor necroze de aproximativ 5% pe suprafața frunzelor la o expunere de o oră la concentrații în oxizi de azot de 4-8 ppm, până la căderea frunzelor la o expunere de o oră la concentrații de 25 ppm sau 35 zile la concentrații de 0,5 ppm de oxizi de azot.
Studiile și experimentele făcute au demonstrat că dioxidul de azot este de 4 ori mai toxic decât monoxidul de azot. S-a constatat că animalele expuse în atmosferă poluată cu oxizi de azot (2,5 ppm) pot suferi paralizii sau chiar pot muri, dependent de timpul de expunere.
Temperatura influențează toxicitatea dioxidului de azot, astfel încât la o creștere a temperaturii cu 10C, aceasta poate crește cu până la 25%.
Efectele intoxicării cu dioxid de azot pot fi multe și diverse, cum ar fi modificări în funcționarea plamânilor și în structura proteinelor, mărirea veziculelor pulmonare, schimbări hematologice și enzimale, pierderi în greutate, etc.
În cazul otrăvirilor cu oxizi de azot, persoanele pot suferi o iritație severă cu manifestări de sufocări și arsuri, tuse, somnolență, vomă, pierderea cunoștinței sau chiar deces.
Mecanismul de intoxicație cu oxizi de azot presupune transformarea oxihemoglobinei în methemoglobină. Acesta e un compus stabil și nu mai e capabil să fixeze oxigenul. Acest fapt are ca urmare micșorarea capacității sângelui de a mai furniza oxigen organismului.
Oxizii de azot contribuie la formarea ploilor acide si favorizează acumularea nitraților la nivelul solului care pot provoca alterarea echilibrului ecologic ambiental.
De asemenea, poate provoca deteriorarea țesăturilor si decolorarea vopselurilor, degradarea metalelor.
Limita de detecție a mirosului de dioxid de azot la om este de aproximativ 0,12 ppm.
Oxizii de azot joacă un rol principal în producerea smogului fotochimic, dar contribuie și la degradarea stratului de ozon. În consecință oxizii de azot influențează local și global mediul ambiant. Smogul fotochimic sau ceașa oxidantă provoacă iritarea ochilor, degradarea vegetației, apariția ozonului și a unui miros caracteristic. Ceața oxidantă apare în general în perioadele calde, însorite, în marile aglomerări urbane.
În comparație cu acidul sulfuric, acidul azotic condensează mai greu, deci rămâne în atmosferă un timp mai lung. Vaporii de acid azotic pot fi absorbiți de aerosoli sau de picăturile de ploaie.
POLUANȚI ANORGANICI: DIOXIDUL DE SULF SO2
Dioxidul de sulf se găsește în zona orașelor industriale și în regiunile vulcanice. Acesta se formează în urma unor procese de ardere a cărbunilor care conțin sulf sau de degradare a unor lubrifianți sau uleiuri minerale.
Obținere
Dioxidul de sulf se obține prin oxidarea combinațiilor sulfului în stări de oxidare inferioare sau prin reducerea compușilor cu sulf în stări de oxidare superioare. Se mai poate obține și prin deplasarea sa din sulfiți metalici.
Metodele principale de obținere sunt:
Oxidarea sau arderea sulfului în aer sau oxigen pur
S + O2 = SO2 ; ΔH = -70,9 kcal/mol
Arderea sulfurilor metalice
2FeS2 + O2 = 4SO2 + Fe2O3 ; la 650C
ZnS + O2 = ZnO + SO2 ; la 1000-1100C (la temperaturi joase se formează ZnSO4)
ZnS + 2O2 = ZnSO4
ZnSO4 = ZnO + SO2 + O2 ; la 1000C
Arderea H2S
H2S + O2 = SO2 + H2O
Reducerea H2SO4 și a sulfaților
2H2SO4 + Cu = SO2 + CuSO4 + H2O
2H2SO4 + S = 3SO2 + 2H2O
2H2SO4 + C = 2SO2 + CO2 + 2H2O
Descompunerea sulfiților în mediu acid
2NaHSO3 + H2SO4 = SO2 + Na2SO4 + 2H2O
Na2SO3 + H2SO4 = SO2 + Na2SO4 + H2O
Descompunerea tiosulfaților
Na2S2O3 + H2SO4 = H2S2O3 + Na2SO4
S + SO2 + H2O
Proprietăți fizice
În condiții normale dioxidul de sulf este un gaz incolor cu miros înțepător, sufocant. Poate irita mucoasele și produce intoxicații. Are punctul de topire -74C și punctual de fierbere -10C, densitatea (la 1-8C) este 1,46 g/cm3, este solubil în apă formând acidul sulfuros. Prin comprimare la 4-6 atmosfere se lichefiază.
Este un bun dizolvant pentru o serie de compuși organici și anorganici dacă e în stare lichidă. Această proprietate de bun dizolvant se datorează autoionizării sale:
SO2 + SO2 SO2+ + SO32-
Acest proces explică și conductivitatea electrică a SO2.
Molecula are proprietăți diamagnetice, = 1,6 D. Are o structură unghiulară, plană, iar atomul de sulf este hibridizat sp2
Această structură se explică prin deplasarea unui electron din stratul de valență al sulfului în orbitalul 3d. Unghiul OSO este de 119, iar lungimea legăturii 1,43A.
Proprietăți chimice
Din punct de vedere acido-bazic dioxidul de sulf este un compus cu caracter anhidru, astfel se formează acid sulfuros în urma dizolvării în apă.
SO2 + H2O H2SO3
Echilibrul este deplasat spre dreapta, în sensul reacției directe în condiții de temperatură scăzută, pH alcalin și presiune mare.
Fiind un oxid acid, acesta reacționează cu substanțe cu caracter bazic:
SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O
Na2SO3 + H2O + SO2(exces) = 2NaHSO3
SO2 + Na2CO3 + H2O = NaHSO3 + NaHCO3
Din punct de vedere redox dioxidul de azot poate juca rol atât de reducător cât și de oxidant, în funcție de natura reactanților.
Acesta poate disproporționa în absența aerului, la încălzire.
3SO2 = S + 2SO3
Caracterul reducător se manifestă în mediu apos
SO42- + 2e- + 4H+ = H2SO3 + H2O
În mediu acid, dioxidul de sulf poate da reacții cu o serie de oxidanți cum ar fi O2, halogeni liberi, HNO3, NO, K2Cr2O7, KMnO4.
SO2 + O2 SO3 ΔH = -22 Kcal
SO2 + Cl2 SO2Cl2
În soluție apoasă:
SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl
3SO2 + HIO3 + 3H2O = HI + 3H2SO4
SO2 + 2HNO3 = H2SO4 + 2NO2
La presiune de 500-1000 atmosfere SO2 poate reduce dioxidul de azot până la azot elementar.
2SO2 + 2NO = 2SO3 + N2
Dioxidul de azot poate da reacții de reducere a permanganaților, dicromaților:
K2Cr2O7 + 3SO2 + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
2KMnO4 + 5SO2 + 2H2O = 2MnSO4 + K2SO4 + 2H2SO4
Dioxidul de azot iși manifestă caracterul oxidant față de reducători energici cum ar fi CO, H2S, H2, SnCl2, FeCl2.
SO2 + 2CO = S + 2CO2
SO2 + 2H2 = S + 2H2O
SO2 + 2C = S + 2CO
SO2 + 2H2S = 2H2O + 3S
SO2 oxidează unele săruri ale metalelor în stări de oxidare joase
2SO2 + 6SnCl2 + 8HCl = 5SnCl4 + SnS2 + 2H2O
4FeCl2 + SO2 + 4HCl = 4FeCl3 + S + 2H2O
Dioxidul de azot este un bun mediu de extractiv și de reacție. Se folosește pentru conservarea cerealelor si a vinului datorită proprietăților sale bactericide.
IV.1. Surse de poluare cu oxizi de sulf și controlul acestora
Dioxidul de sulf poate fi considerat ca fiind cea mai importantă substanță dăunătoare din aer. Cea mai mare parte din oxizii de sulf, și anume două treimi, sunt produse de surse naturale, iar doar o treime este produsă de activitățile umane.
În timp ce poluarea cu oxizi de sulf de origine naturală este uniform răspândită, poluanții produși de om sunt concentrați în zonele urbane, astfel problema distribuției poluanților este mai importantă decât cea a cantității lor.
Oxizii de sulf provin, în principal, din procesele de ardere a combustibililor fosili, iar procesele metalurgice produc aproximativ jumătate din cantitatea de oxizi de sulf generată de industrie. Alte surse sunt erupțiile vulcanice, fitoplanctonul marin, fermentația bacteriană în zonele mlaștinoase, oxidarea gazului cu conținut de sulf rezultat din descompunerea biomasei.
Există diferite metode prin care se poate controla și reduce cantitatea de oxizi de sulf emisă de procesele industriale și de combustie. Acestea pot fi: folosirea unor combustibili ce au un continut de sulf mai scăzut, înlocuirea proceselor de ardere a combustibililor cu sulf cu alte surse de energie. Acestea ar putea fi înlocuite cu centrale nucleare sau hidrocentrale. Altă modalitate ar fi înlăturarea sulfului din combustibili, lucru care se face în funcție de tipul de combustibil și de forma sub care se află sulful în acesta (sulfuri sau sulfați). În timpul arderii, sulful din sulfuri trece majoritar în SO2, în timp ce sulful din sulfați se transforma în cenușă.
Cele trei surse naturale principale de emisie de sulf sunt:
procesele de distrugere a biosferei provocate de unele microorganisme anaerobe, iar sulful conținut în compușii organici conduc la formarea de gaze. Acești compuși provin în principal din mlaștini, zone de flux și reflux, delte și soluri ce conțin cantități mari de compuși organici. O altă sursă de compuși gazoși ai sulfului este suprafața mărilor. S-a constatat că producerea de sulf pe cale biologică ajunge până la 40 milioane de tone pe an, adică o treime din cantitatea totală de sulf emanată.
activitatea vulcanică: este un proces care emană sulf în atmosferă deoarece în timpul erupțiilor vulcanice se emite în atmosferă o cantitate mare de SO2, dar și de hidrogen sulfurat și sulf elementar. Anual, din erupții vulcanice ajung circa 2 milioane de tone pe an de compuși cu sulf în atmosferă.
suprafața oceanelor: sulfații care sunt de origine marină nu pot forma acid sulfuric, deci nu contribuie la formarea ploilor acide. Ei contribuie doar la formarea norilor și precipitațiilor.
Îndepărtarea oxizilor de sulf din gaze reprezintă una din modalitățile care au captat atenția în ultima perioadă, deși încă nu s-a găsit o metodă foarte convenabilă și cu randament maxim, care să poată fi utilizată pe scară largă. Metodele de îndepartare a oxizilor de sulf din gaze pot fi clasificate astfel:
Metoda alcalină regenerativă, care presupune combinarea chimică a SO2 su un agent alcalin, iar într-o etapă urmatoare se reface agentul și sulful poate fi recuperat sub formă de acid sulfuric sau SO2 lichid.
Metoda alcalină neregenerativă, agentul alcalin nu se mai recuperează. Agenții alcalini sunt: varul, calcarul, dolomitul.
Injectarea unui agent în focar, iar produsul ce conține sulf se separă prin spălare.
Transformarea dioxidului în trioxid de sulf, recuperarea lui în formă de acid sulfuric.
Utilizarea cărbunelui activat pentru absorbția solidă regenerativă a dioxidului de sulf.
Metoda de referință pentru măsurarea dioxidului de sulf este cea prevazută în standardul SR EN 14212 Calitatea aerului înconjurator. Metoda standardizată pentru măsurarea concentrației de dioxid de sulf prin fluorescență în ultraviolet.
IV.2. Acțiunea fiziologică a oxizilor de sulf
Efectele toxice ale dioxidului de sulf sunt accentuate de sinergismul cu ceilalți poluanți atmosferici, în special cu particulele solide.
Procesele distructive ale plantelor sunt cauzate, în general de poluanții sub formă de oxizi de sulf. În general, plantele sunt mai sensibile la acțiunea dioxidului de sulf decât animalele sau oamenii, iar sensibilitatea este dependentă de concentrația de dioxid de sulf din atmosferă și de timpul de expunere.
Dioxidul de sulf afectează vizibil multe specii de plante, efectul negativ asupra structurii și țesuturilor acestora fiind sesizabil cu ochiul liber.Acțiunea dioxidului de sulf asupra plantelor produce leziuni localizate, dar acestea au efecte generale asupra lor. Acțiunea toxică a dioxidului de sulf este generate de aciditatea sa și de proprietățile sale oxido-reducătoare, aceasta manifestându-se în primă etapă prin inactivarea celulelor, diminuarea fotosintezei,chiar și până la căderea frunzelor. Chiar și la concentrații mai mici de dioxid de sulf, există câțiva factori care duc la apariția de leziuni, mărind toxicitatea dioxidului. Acești factori sunt: luminozitatea puternică, umiditatea si temperatura.
În funcție de speciile de plante, comportamentul lor este diferit, astfel încât plantele cu frunze suculente au o sensibilitate mai mare spre deosebire de plantele cu frunze aciculare care au sensibilitatea cea mai scăzută.
Unele dintre cele mai sensibile plante sunt: pinul, legumele , ghindele roșii și negre, frasinul alb , lucerna , murele.
Pentru a se produce efecte asupra omului si animalelor, este nevoie de o concentrație mai mare de dioxid de sulf în atmosferă. Aceste efecte se manifestă în general asupra sistemului respirator, apărând la o concentrație de 2-5 ppm dioxid de sulf în atmosferă.
S-a demonstrat că odată intrat în organism prin căile respiratorii, SO2 poate conduce la dereglări în procesele enzimatice și în metabolismul glucidelor.
Cercetările efectuate la animale care au fost expuse în atmosferă de dioxid de sulf au scos în evidență o mortalitate crescută. Ca și în cazul oamenilor, se înregistrează efecte mai grave dacă dioxidul de sulf este absorbit pe particule solide. Trioxidul de sulf este un toxic mult mai putermic decât dioxidul de sulf. Oxidarea dioxidului de sulf la trioxid are loc pe suprafața oxizilor metallic, care joacă rol de catalizator. În prezența umidității, dioxidul de sulf se transformă în acid sulfuric, acesta atacând diversele materiale.
SO2(g) + H2O(l) = H2SO4(aq)
Acestă formare a acidului sulfuric conduce la formarea ploilor acide. Acest fenomen este întâlnit mai ales în țările Scandinave, Europa de Nord, SUA. În urma ploilor acide pH-ul bazinelor cu apă dulce scade, ceea ce provoacă moartea organismelor acvatice. Ploile acide acționează și asupra florei pământului, determinând distrugerea plantelor. Cele mai afectate sunt coniferele.
Acesta se găsește majoritar în zonele urbane, producând la oameni și animale iritații grave și spasm bronșic.Creșterea concentrației de dioxid de sulf accelerează coroziunea metalelor, din cauza formării acizilor.
Astfel, suprafețele metalice se corodează, marmura și orice piatră de construcție este atacată, țesăturile, hârtia și obiectele din piele sunt, de asemenea, deteriorate și decolorate. În atmosferă, contribuie la acidifierea precipitațiilor, cu efecte toxice asupra vegetației si solului.
POLUANȚI ANORGANICI: OXIZII DE CARBON: COX
V.1. Dioxidul de carbon: CO2
Dioxidul de carbon se găsește în atmosferă în proporție de 0,03% volume, în gazele vulcanice, în apele carbogazoase. Acesta mai apare în procesele de fermentație alcoolică, în fabricarea berii, în procesele de ardere a combustibililor.
Obținere
În industrie poate fi obținut prin arderea cocsului în aer la 1000C.
C + O2 = CO2
sau prin calcinarea calcarului la 900-1000C
CaCO3 = CaO + CO2
Acesta poate fi captat din gazele rezultate din procesul de fermentație alcoolică:
C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2
În laborator se obține cu ajutorul aparatului Kipp. Acesta presupune reacția acizilor tari diluați cu carbonatul de calciu (marmură).
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O
O altă metodă de obținere este încălzirea hidrogeno-carbonaților metalici:
2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2
Proprietăți fizice
Dioxidul de carbon este un gaz incolor, ușor solubil în apă, reacționând cu apa și formând acidul carbonic:
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
Este utilizat ca amestec răcitor până la -110C deoarece are o valoare mare a căldurii de vaporizare. Se poate afla și în stare solidă (zăpadă carbonică), care prezintă o rețea moleculară.
Molecula de CO2 este izoelectronică cu cea de N2O, deci are geometrie liniară:
Din date experimentale s-a constatat că molecula este nepolară și distanța dC-O = 1.16 A, fiind intermediară unei legături duble și unei triple.
Molecula are proprietăți diamagnetice.
Proprietăți chimice
Dioxidul de carbon este destul de stabil, acesta se descompune doar prin încălzire la peste 1000C.
CO2 CO + O2
Nu se mai poate oxida, ceea ce înseamnă că nu arde și nu întreține arderea sau viața, de aceea este utilizat ca agent extinctor.
Din punct de vedere acido-bazic are caracter de anhidridă.
CO2 + H2O H2CO3
CO2 + NaOH = NaHCO3
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O
CO2 + Ba(OH)2 = BaCO3 + H2O (utilizată în identificarea CO2)
Dioxidul de carbon poate fi redus doar cu reducători puternici (Mg, K) sau chiar carbon la temperaturi mari.
CO2 + Mg = 2MgO + CO
3CO2 + 4K = 2K2CO3 + C
CO2 + C = 2CO
Dioxidul de carbon se formează și se eliberează în urma arderilor organismului animal, acesta fiind preluat de plante și consumat în procesul asimilației clorofiliene. Se utilizează pentru obținerea băuturilor carbogazoase și ca atmosferă inertă în laboratoare.
V.2. Monoxidul de carbon: CO
Monoxidul de carbon se găsește în cantități mici în unele gaze vulcanice și în cantități mari în atmosfera orașelor unde rezultă prin arderea incompletă a combustibililor. De aceea este un poluant al aerului.
Obținere
În laborator există mai multe metode de obținere:
Deshidratarea acidului formic în prezența acidului sulfuric concentrat la 50-60C:
HCOOH CO + H2O
Deshidratarea acidului oxalic:
H2C2O4 = CO + CO2 + H2O
Descompunerea CaCO3 în prezență de Zn la 700-800C:
CaCO3 + Zn = CaO + CO + ZnO
În industrie se obține din cărbuni sau gaz metan prin conversie în amestecuri gazoase.
Din gaz de aer:
2C + O2 = 2CO. Amestecul gazos mai conține N2, O2, CO2, CO. Acest amestec se mai numește și gaz generator.
Din gaz de apă:
C + H2O CO + H2 la 1200, iar la temperaturi mai mici de 1000C au loc reacțiile:
C + 2H2O = CO2 + 2H2
CO + H2O = CO2 + H2
Din gaz de sinteză:
CH4 + H2O = CO + 3H2 reacția are loc în prezența unor catalizatori pe bază de Ni.
Proprietăți fizice
Monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor și insipid dar este foarte toxic. Are punctul de topire -207C și punctul de fierbere -181,42C. Este puțin solubil în apă.
Molecula de monoxid de carbon este izoelectronică cu molecula N2, de aceea prezintă aceeași geometrie liniară. Din studiile spectrale s-a demonstrat că ambii atomi din moleculă sunt hibridizați sp. Pe baza conceptului de rezonanță se admite că structura reală se obține prin luarea în considerare a structurilor limită.
Molecula de CO este diamagnetică. În stare solidă ea se prezintă în 2 modificații, cubică și hexagonală. Asemenea moleculei de azot, energia de disociere a legăturii C-O este relativ mare, de aceea molecula este puțin reactivă în condiții normale.
Proprietăți chimice
Deoarece molecula de oxid de carbon este puțin reactivă, reactivitatea acesteia se manifestă în prezență de catalizatori și la temperaturi ridicate.
Molecula prezintă caracter reducător dominant, caracterul oxidant manifestându-se doar față de reducători puternici, cum ar fi H2, metale și în condiții speciale de reacție.
Oxidul de carbon este o bază de tip Lewis, poate juca rol de ligand formând combinații complexe de tipul carbonililor metalici cu metale din blocul d. Acesta este neutru din punct de vedere acido-bazic dar în anumite condiții reacționează cu NaOH formându-se formiatul de sodiu.
CO + NaOH HCOONa
Monoxidul de carbon iși manifestă caracterul puternic reducător față de substanțe cu caracter oxidant cum ar fi oxigen, halogeni, sulf, oxizi metalici.
CO + ½ O2 = CO2 ; reacția are loc cu flacără albastră la 700C
CO + Cl2 = COCl2 (fosgen)
Poate reduce unii oxizi metalici cu formare de metale, și unii oxizi nemetalici.
2Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
10CO + 2I2O5 = 10CO2 + 2I2
Oxidul de carbon poate reduce ușor sărurile metalelor nobile în soluție apoasă, dacă se introduce un current de CO.
PdCl2 + CO + H2O = Pd + CO2 + 2HCl
Hidrogenul poate reduce CO la carbon elementar sau compuși de tipul hidrocarburilor saturate și nesaturate, iar în absența catalizatorilor , reducerea are loc la carbon:
CO + H2 = C + H2O , dar în prezența catalizatorilor de Ni la 230-250C se obține metan:
CO + 3H2 = H2O + CH4
Carbonilii metalici se obțin prin reacția dintre CO și metalul fin divizat la temperaturi de 100-200C. Stabilizarea acestor compuși se realizează cu ajutorul legăturii π retrodonoare care se realizează prin donarea unei perechi de electroni de la atomul metalic la molecula de CO.
π*
σ
Astfel monoxidul de carbon poate acționa atât ca ligand σ- donor cât și ca ligand π-acceptor. Carbonilii metalici sunt utilizați in scopul obținerii metalelor de puritate mare și cu rol de catalizatori în diferite sinteze.
V.3. Surse de poluare cu oxizi de carbon și controlul acestora
Cel mai răspândit și comun poluant al aerului este monoxidul de carbon. Emisiile totale de monoxid de carbon în atmosferă depășesc pe cele ale tuturor celorlalți poluanți la un loc.
Activitățile omului sunt considerate a fi cele mai responsabile de contaminarea cu monoxid de carbon, iar dezvoltarea tehnică a contribuit și contribuie la actualele concentrații de monoxid de carbon din atmosferă.
Există numeroase surse de poluare cu monoxid de carbon, însă mai importante sunt procesele de combustie sau ardere în surse staționare (arderea cărbunelui și lemnului), în motoarele cu ardere internă, procesele industriale, focuri din păduri, arderi agricole, arderea deșeurilor cu cărbune, incendiile. Centralele electrice și anexele sunt considerate a fi cele mai mari consumatoare de cărbune. Sursele naturale de poluare sunt arderea pădurilor, emisiile vulcanice și descărcările electrice.
De la sfărșitul secolului XVIII s-a constatat o creștere a concentrației dioxidului de carbon determinate de distrugerea și defrișarea pădurilor și de arderea combustibililor fosili.
În urma arderilor diverșilor combustibili, se emană anual în atmosferă 0,7% din cantitatea totală de CO2. Această concentrație a dioxidului de carbon din atmosferă este în continua creștere deoarece odată cu trecerea anilor se mărește cantitatea de combustibil consumat.
Cantitatea de CO2 degajat în urma activităților industriale crește în permanență, mărindu-se cu circa 3,5% anual, în prezent atingând cifra de 30 miliarde de tone pe an. Acest fapt este îngrijorător având în vedere încălzirea climei, deoarece în ultimii 100 de ani s-a constatat o creștere a temperaturii medii anuale cu 0,5C.
Paralel cu mărirea consumului de combustibil fosil, creșterea conținutului de CO2 din atmosferă este în directă legătură cu micșorarea masei vegetale. Viteza de defrișare și distrugere a pădurilor (plămânii planetei) crește în permanență, și se crede că în următorii ani se va micșora cu 20-25% suprafața pădurilor.
O ipoteză îngrijorătoare spune că dacă nivelul actual de consum al combustibililor fosili va fi același până în 2050, se va dubla concentrația de dioxid de carbon din atmosferă, ceea ce va conduce la mărirea temperaturii suprafeței pământului cu până la 3C.
Gazul de eșapament al vehiculelor ce consumă benzină sau motorină reprezintă cea mai simplă și importantă sursă de monoxid de carbon, adica 58%. Vehiculele pot produce și alte emisii și anume hidrocarburi provenind din rezervor sau carburator. Aceste emisii sunt exprimate în literatură fie în ppm, fie în grame pe kilometru parcurs. Cea de-a doua metodă este considerată cea mai reprezentativă. Se știe că motoarele ce consumă benzină ca și combustibil sunt mai poluante decăt cele pe motorină, numite și Diesel, deoarece combustia ce se realizează este incompletă.
Cele 4 surse principale industriale de poluare sunt industria fierului și a oțelului, industria petrochimică, de hârtie si de sinteză.
Cantitatea totală de CO format în urma activităților umane reprezintă 30% din cantitatea totală de monoxid de carbon din atmosferă. Timpul mediu de existență a CO în atmosferă este de aproximativ 6 luni.
S-a constatat că în fiecare an se emite suficient monoxid de carbon pentru a se putea dubla concentrația sa în atmosferă odată la 4-5 ani. Monoxidul de carbon produs din surse naturale este foarte repede dispersat pe o suprafață întinsă, nepunând în pericol sănătatea umană, dar se încearcă controlarea emisiilor și a aerului, iar atenția este îndreptată la poluarea produsă de automobile, deoarece reprezintă cea mai mare sursă de poluare cu monoxid de carbon.
Problema motoarelor cu ardere internă este complicată deoarece, pe lângă monoxid de carbon, apar și alte emisii cum ar fi de oxizi de azot, hidrocarburi și particule solide.
Se caută soluții pentru a diminua emisiile de monoxid de carbon. Cele mai discutate medode sunt: modificarea motoarelor cu ardere internă în scopul diminuării cantității de poluanți care se formează în timpul arderii combustibilului, crearea unui sistem de reactoare care să completeze procesul de ardere transformând astfel posibilii poluanți în produși acceptabili, înlocuirea benzinei cu alți combustibili care să emită cantități mai mici de poluanți.
Metoda de referință pentru măsurarea monoxidului de carbon este cea prevazută în standardul SR EN 14626 Calitatea aerului înconjurător. Metoda standardizată pentru măsurarea concentrației de monoxid de carbon prin spectroscopie în infraroșu nedispersiv.
V.4. Acțiunea fiziologică a oxizilor de carbon
Expunerea omului într-o atmosferă în care există concentrații mari de monoxid de carbon (aproximativ 100 mg/m3) reduce capacitatea de transport a oxigenului în sânge, cu consecințe asupra sistemului respirator și a sistemului cardiovascular, provocând moartea. Reacția dintre monoxidul de carbon si hemoglibina din sânge (Hb) este principalul factor care declanșează efectul toxic al monoxidului. Hemoglobina funcționează ca un sistem transportor, ducând oxigenul de la plămâni la celule sub formă de oxihemoglobină (O2Hb) și dioxidul de carbon de la celule la plămâni (CO2Hb). Însă, hemoglobina poate forma cu monoxidul de carbon carboxihemoglobina (COHb), monoxidul având afinitate mult mai mare pentru hemoglobină decât oxigenul (de aproximativ 200 de ori). Astfel, cu cât crește concentrația de monoxid de carbon din atmosferă, cu atât crește și concentrația de COHb din sânge. Nivenul normal de COHb din sânge este de 0,5%, acesta provenind de la CO produs de corp și din concentrațiile scăzute de monoxid de carbon din atmosferă.
În cazul în care două treimi din hemoglobină este sub formă de carboxihemoglobină, apare moartea. Procesul de formare a carboxihemoglobinei fiind reversibil, dacă are loc o scădere a concentrației de monoxid de carbon din aer, are loc transformarea carboxihemoglobinei în oxihemoglobină.
Fumatul reprezintă cauza principală a otrăvirii cu monoxid de carbon. Conținutul de carboxihemoglobină în sângele fumătorilor care fumează în medie câte un pachet de țigări pe zi ajunge până la 4,7%, având în vedere că la nefumători carboxihemoglobina reprezintă 0,3-0,5%.
La oameni, dar și la animale, monoxidul de carbon are efecte toxice asupra sistemului de transport al oxigenului în organism. S-a demonstrat că la o expunere îndelungată a animalelor la monoxid de carbon se produc schimbări morfologice la creier și inimă, iar la expuneri de scurtă durată sunt este afectat sistemul nervos central, respirator și vascular.
Segmentul de populație cea mai afectată de expunerea la monoxid de carbon o reprezintă: copiii, vârstnicii, persoanele cu boli respiratorii și cardiovasculare, persoanele anemice, fumătorii.
La plante însă, nu s-au determinat efecte de distrugere daca sunt supuse timp de 1-3 săptămâni la concentrații de monoxid de carbon de aproximativ 100 ppm. Așadar, deoarece acest nivel este rar depășit, chiar și pentru perioade scurte de timp, nu de produc daune importante asupra vegetației și microorganismelor.
La concentrații mari, dioxidul de carbon devine și el toxic, chiar nociv deoarece împiedică eliminarea în mod normal a CO2 din sânge, provenit din activitățile metabolice.
La o concentrație de 3-4% de dioxid de carbon în aer, apar unele tulburări cum ar fi dureri de cap, accelerarea respirației; la o concentrație de 8% timpul de viață al organismului este foarte scurt, iar la o concentrație de 20% intervine moartea fulgerător.
POLUANȚI ANORGANICI: OZONUL O3
Ozonul, sau oxigenul triatomic este o formă alotropică moleculară a oxigenului. Forma acestuia a fost pusă în evidență la sfârșitul secolului XVIII ca urmare a mirosului său caracteristic care apare în timpul descărcărilor electrice din atmosferă.
În anul 1840 Schönbein a dovedit că ozonul este un gaz cu structură bine definită. Denumirea de “ozon” provine din cuvântul grecesc “ozein” , care se traduce prin: a simți, a mirosi.
Concentrația maxima de ozon din atmosferă se află în jurul altitudinii de 20-50 km. Stratul de ozon are o grosime medie de 3-10 mm, aceasta depinzând de altitudine, astfel că la poli este maximă iar în zona tropicelor și a ecuatorului este minimă si aproximativ constantă. Concentrația de ozon din atmosferă este mai mare noaptea decât ziua, cu perturbații mari în timpul iernii, la apusul și la răsăritul soarelui. Procentul de ozon depinde și de anotimp, astfel încât maximul este atins primăvara, iar toamna concentrația e minimă.
Temperatura medie a ozonului atmosferic este cuprinsă între -30C și -40C. Sosirea aerului polar determină o creștere a temperaturii și a grosimii stratului de ozon, iar apariția aerului tropical determină fenomenul invers.
Deoarece formarea moleculei de ozon este un proces puternic endoterm aceasta se poate descompune ușor cu formare de oxigen molecular.
Obținere
Din toate procesele de formare a oxigenului atomic (acesta reacționând cu oxigenul molecular) se formează și ozon.
3O2 2O3 sau 3O + 3O2 = 3O3 ; ΔH>0
Această reacție de formare a O3 este puternic endotermă ΔH = +34,2 kcal/mol. Practic, ceea ce se obține este asa-numitul “oxigen (aer) ozonizat”. În urma studiilor acestui echilibru s-a demonstrat că o concentrație maxima de O3 se obține în jurul temperaturii de 3500C.
Pentru a se obține O3 este necesară o energie suficientă pentru a putea avea loc ruperea legăturii O-O cu formarea oxigenului atomic, și deci a O3, dar să și împiedicarea descompunerii sale printr-o răcire destul de avansată.
Practic, aceste metode de obținere a O3 se bazează pe descărcări electrice, electroliză, acțiunea razelor electroactive. Mai sunt și o serie de metode chimice bazate pe reacții în urma cărora se formeaza cantități mici de ozon.
O2 O2*
O2 + O2* O3 +
reacția globală: 3O2 2O3
Cel mai ușor se obține ozon cu aparate numite ozonizatoare care se bazează pe descărcări electrice ale oxigenului care au loc în aceste aparate. Este mai eficient dacă se folosesc descărcări electrice fără scântei (obscure), obținându-se randamente mai mari.
Pentru a se obține un randament de aproape 99% în ozonizatorul Berthelot, descărcările electrice sunt produse la o tensiune de 5000 până la 50000 V, intensitatea de 0,5 A, și temperatură scazută, -100C.
Se mai poate obține O3 si prin electroliza unor soluții apoase de H2SO4. Se folosește anod de Pt, temperatura trebuie să fie de -14C, iar densitatea acidului 1,085. Ozonul se formează la anod. Se mai poate obține O3 și prin electroliza altor solutii cum ar fi HClO4, HF, HNO3, KOH însă cu randamente mai slabe și în condiții mai drastice.
O altă metodă de obținere a ozonului este trecerea prin oxigen a unui fascicol de electroni la o tensiune de 6,3 V.
Un număr mare de reacții exoterme conduc la producerea de oxigen ozonizat, printre care:
Oxidarea fosforului alb în mediu umed, însoțit de fenomenul de luminiscență;
Reacția F2 cu hidroxizi alcalini sau apă:
F2 + H2O = 2HF + O
O + O2 = O3
Descompunerea H2O2 de H2SO4, reacția dinte acizi si peroxizi sau peroxosăruri:
BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + O + H2O; O + O2 = O3
(NH4)2S2O8 + 2HNO3 = H2S2O8 + 2NH4NO3 (metodă de obținere în laborator)
H2S2O8 + H2O = 2H2SO4 + O; O + O2 = O3
2HNO3 = 2NO2 + H2O + O; O + O2 = O3
Oxidarea oxigenului:
KMnO4 + H2SO4(conc) = 2HMnO4 + K2SO4
2HMnO4 + H2SO4 = Mn2O7 + H2O
Mn2O7 = 2MnO2 + O2
Mn2O7 = 2MnO + 2O2 + O; O + O2 = O3
Proprietăți fizice
Ozonul pur este de culoare albastru intens. Pentru a se observa culoarea stratul trebuie să fie de aproximativ un metru și concentrația ozonului în aer să fie de cel puțin 10%. Are temperatura de fierbere de -112,3C. Solubilitatea în apă variază cu temperatura, astfel încât la 0C = 20 mg/L, iar la 28C = 1,5 mg/L. Pentru oxigenul gazos, ozonul lichid este un foarte bun dizolvant.
Ozonul are proprietăți diamagnetice, = 0,5 D, astfel încât structura sa este aciclică, reprezentată printr-un hibrid de rezonanță
În structura reală, unghiul este de 122 , iar legătura O-O = 1,29A, ceea ce înseamnă că interacția O-O conține 50% de legătură dublă.
Deoarece este un puternic oxidant față de substanțele organice, el poate distruge organismele vii, proprietățile sale fiziologice depind de această proprietate, astfel încât el poate juca rol de dezinfectant; este toxic.
În cazul în care concentrația lui în aer crește, dacă depașește limita de 1,8.10-6 cm3/m3 de aer, acesta devine toxic pentru organism, afectând unele țesuturi.
Activitatea microorganismelor aerobe crește cu creșterea concentrației de ozon. Activitatea unor agenți cancerigeni este inhibată de prezența O3 (1,2-benzopiranul), de aceea O3 este utilizat la purificarea apelor potabile, apelor reziduale, conservarea prin frig a legumelor și fructelor, decolorarea pastei de hârtie, fibrelor texile, a zahărului, a amidonului, a cerurilor.
Proprietăți chimice
Ozonul este o specie chimică foarte reactivă, având un caracter puternic oxidant, mai oxidant decât oxigenul molecular. Acest lucru este observabil din valoarea potențialului standard:
O3 + 2H+ + 2e- = O2 + H2O (la pH = 0); = 71, 9 V
Are caracter oxidant mai slab decât al fosforului, axigenului atomic, radicalilor HO- și a altor câtorva specii.
Poate oxida multe substanțe simple, de reactivitate scăzută (Ag, Hg) rezultând, de obicei O2 care și acesta poate reacționa, astfel încât toți atomii de oxigen sunt implicați în procese redox.
Procesele de descompunere a molecule de ozon sunt:
2O3 = 2O2; n = 0
O3 = O2 + O; n = 1
O3 = 3O; n = 2
unde n reprezintă coeficientul de utilizare a atomilor de oxigen din moleculă în procesele redox. Ozonul reacționează cu metalele si nemetalele rezultând compuși în stări de oxidare superioare.
O3 + H2 = H2O + O2 (reacție catalizată de apă)
2O3 + Cl2 = Cl2O6
2I2 + 9O3 = I(IO3)3 + 9O2
Sulful este oxidat la H2SO4 sau SO2 în prezența apei, Se și Te la dioxizi. Azotul reacționează cu ozonul sub acțiunea scânteilor electrice, la cald sau sub acțiunea radiațiilor UV.
Arsenul și fosforul sunt oxidați la pentaoxizi. Metalele alcaline și hidroxizii lor dizolvați în amoniac lichid formează compuși oxigenați de culoare roșie care prin hidroliză dau H2O2, iar în urma pirolizei rezultă oxigen.
Astfel s-au preparat o serie de oxizi paramagnetici: NaO3, KO3, CaO3. Reacția ozonului cu argintul conduce la formarea de oxizi superiori: Ag2O, Ag2O2, Ag2O3.
Ozonul reacționează și cu combinațiile cu caracter reducător, de exemplu cu hidracizii halogenilor(cu excepția HF) cu formarea de X2 si O2.
O3 + 2HX = X2 + O2 + H2O
Reacționează cu iodurile metalice în soluție apoasă:
O3 + 2KI + H2O = I2 + O2 + 2KOH, iar în soluție alcalină:
KI + O3 = KIO3
Compușii inferiori ai fosforului, azotului, sulfului sunt oxidați la compuși in stări de oxidare superioare:
H2S + 4O3 = H2SO4 + 4O2
PbS + 4O3 = PbSO4 + 4O2
3SO2 + O3 = 3SO3
NO + O3 = NO2 + O2
2NO + 3O3 = N2O5 + 3O2
În urma oxidării amoniacului rezultă un amestec format din nitrit și nitrat de amoniu:
2NH3 + 4O3 = NH4NO2 + H2O2 + 4O2
NH4NO2 + H2O2 = NH4NO3 + H2O
Oxidarea hidrurilor de arsen, stibiu și fosfor are loc la temperaturi negative (-90C), iar în cazul stibiului reacția are loc cu explozie.
Sulfurile de Co(II), Ni(II), Pd(II), Mn(II) se transformă în acid sulfuric si dioxidul metalului respectiv.
Alte reacții de oxidare cu ozon:
Hg2(NO3)2 + O3 = Hg(NO3)2 + HgO + O2
2TlOH + 2O3 = Tl2O3 + 2O2 + H2O
Fe2O3 + O3 + 2H2O = 2H2FeO4
H2PdCl4 + O3 + 2H2O = Pd(OH)4 +4HCl + O2
Ozonul reacționează și cu unele substanțe organice formându-se ozonide în urma unui mecanism complex. În urma reacției cu compuși organici nesaturați are loc fixarea ozonului la legătura dublă, urmată de ruperea legăturii formandu-se polimeri sau compuși simpli.
H2C = CH2 + O3
VI.1. Surse de poluare cu ozon
Ozonul se găsește concentrat în stratosferă și asigură protecția împotriva radiației UV dăunatoare vieții. Ozonul prezent la nivelul solului se comportă ca o componentă a"smogului fotochimic". Se formează prin intermediul unei reacții care implică în particular oxizi de azot si compusi organici volatili.
Metoda de referință pentru măsurarea ozonului este cea prevazută în standardul SR EN 14625 Calitatea aerului înconjurător. Metoda standardizată pentru măsurarea concentrației de ozon este fotometria în ultraviolet.
VI.2. Acțiunea fiziologică a ozonului
Efectele asupra sănătății sunt datorate concentrației de ozon de la nivelul solului care provoacă iritarea traiectului respirator și iritarea ochilor. Concentrații mari de ozon pot provoca reducerea funcției respiratorii. Este component al smogului fotochimic. Acesta afectează plantele cultivate.
Are proprietatea de a omorî microorganismele din apă și din aer, de aceea poate fi folosit ca dezinfectant pentru apa de băut.
Aproximatix 90% din conținutul de ozon se află la altitudini de 15-50 km. Acest strat de ozon acționează ca un filtru pentru radiațiile UV provenite de la soare. Acest lucru presupune protejarea vieții de pe pământ de efectele adverse ale radiațiilor UV. Radiațiile cu lungimi de undă mai mici de 320 nm sunt puternic absorbite de ADN (acidul dezoxiribonucleic) determinând apariția cancerului și având efecte mutagene. În consecință, subțierea stratului de oxon, conduce la creșterea radiațiilor ce ajung pe suprafața pământului, deci la un risc crescut de apariție a cancerului.
Micșorarea conținutului de ozon este legată de creșterea emisiilor de oxizi de azot care provin de la avioanele supersonice. Astfel, oxidul de azot reacționează cu ozonul, acesta fiind principalul mod de dispariție a ozonului.
NO + O3 NO2 + O2
INDICI DE CALITATE
Indice specific de calitatea aerului, pe scurt "indice specific", reprezintă un sistem de codificare a concentrațiilor inregistrate pentru fiecare dintre urmatorii poluanți monitorizați:
Dioxid de azot NO2
Dioxid de sulf SO2
Monoxid de carbon CO
Ozon O3
Indicele general se stabilește pentru fiecare dintre stațiile automate din cadrul Rețelei Naționale de Monitorizare a Calității Aerului, ca fiind cel mai mare dintre indicii specifici corespunzători poluanților monitorizați.
Pentru a se putea calcula indicele general trebuie să fie disponibili cel puțin 3 indici specifici corespunzători poluanților monitorizați. Indicele general și indicii specifici sunt reprezentați prin numere intregi cuprinse intre 1 si 6, fiecare număr corespunzând unei culori:
Indicele specific corespunzător fiecărui poluant se stabilește prin încadrarea valorii medii orare a concentrațiilor în unul dintre domeniile de concentrații înscrise in tabelele următoare:
Dioxid de azot:
Dioxid de sulf:
Monoxid de carbon:
Ozon:
ÎNCĂLZIREA GLOBALĂ
Omenirea ar trebui să conșientizeze problemele provocate de schimbările provocate de efectul de sera la nivel global și local. Modificările climatice reprezintă o amenințare importantă cu consecințe grave pentru omenire, însă încercarea de a limita creșterea și de a reduce emisiile de gaze care provoacă acest efect de seră este cea mai bună soluție. Este necesar să se reducă emisiile gazelor cu efect de seră pentru a se putea stabiliza un nivel de concentrație al acestor gaze în atmosferă și să se micșoreze și controleze influența acțiunilor antropice asupra sistemului climatic. Pe de altă parte, este necesar ca omenirea să se adapteze la aceste schimbări deoarece aceste efecte sunt prezente, resimțite, vizibile și inevitabile chiar dacă se încearcă reducerea lor.
Schimbările climatice reprezintă un fenomen neliniar. Cercetătorii susțin că o creștere a temperaturii globale cu mai mult de 2C poate provoca efecte catrastofale asupra planetei.
Schimbările climatice reprezintă o problemă globală care poate fi rezolvată doar prin cooperare la nivel international. Chiar dacă efectele acestor modificări climatice nu sunt foarte previzibile, unele ar putea fi: modificări ale ciclurilor agricole, schimbări ale rezervelor de apă, creșterea riscului de producere a catastrofelor naturale. Aceste efecte pot avea urmări economice dar și sociale importante.
Clima este un fenomen natural determinat de radiația solară și de circulația maselor de aer. Acestea sunt diferite în funcție de poziția pe Pământ, altitudine și relief. Principalele elemente ale climei sunt temperatura aerului, precipitațiile atmosferice și vânturile. Clima are efecte foarte importante asupra a tot ce înseamnă viața pe Pământ și nu numai.
Sunt numeroși factori care influențează clima. Unul dintre cei mai importanți factori sunt factorii antropici. Aceștia se referă la acțiunile omului care, în urma poluării au ca efect o modificare oarecare a climei. Cea mai importantă urmare a acestei acțiuni o reprezintă creșterea cantității de dioxid de carbon, ceea ce conduca la o supraîncălzire a planetei. Acest fenomen reprezintă tocmai efectul de seră.
Celelalte elemente sau compuși chimici eliberați în atmosferă polueaza aerul și implicit îl degradează prin crearea de ploi acide și smog (ceață cu plouanți).
Smogul reprezintă un amestec de particule solide sau lichide care formează o ceață toxică. Aceasta este formată în prezența umidității crescute. Efectele negative asupra omului sunt iritarea ochilor și a căilor respiratorii și din păcate, reprezintă cauza a mii de decese anual.
În marile aglomerări urbane, rata mortalității poate crește în urma expunerilor îndelungate la smog. Smogul fotochimic reprezintă tot o ceață toxică care se produce în urma reacțiilor chimice dintre poluanții din atmosferă și radiațiile solare. Ozonul este cel mai important produs al acestor reacții. În zonele urbane, în tipul zilei, concentrația de poluanți din atmosferă crește, în deosebi concentrația de oxizi de azot și hidrocarburi. Acestea sunt emise în special de automobile. În paralel, dioxidul de azot (NO2) din atmosferă scade ca urmare a descompunerii sale de lumina solară în monoxid de azot (NO) și atomi de oxigen (O). Acești atomi de oxigen, în urma reacției cu oxigenul molecular (O2) formează ozonul (O3), astfel încât pe măsură ce se apropie mijlocul zilei, concentrația de ozon devine maximă, însoțită de o cantitate de NO. Astfel se formează smogul fotochimic, un nor toxic de culoare gălbuie. Acesta reprezintă o mare problemă pentru marile orașe cum ar fi Los Angeles, Tokyo, Atena.
Poluarea acidă a atmosferei este determinată de ploile acide. Acestea se produc în urma amestecului de gaze acide provenite de la fabrici sau emise de automobile cu precipitațiile. Ploile acide distrug fauna marină, pădurile, clădirile, etc.
Unii poluanți ajunși în atmosferă distrug stratul de ozon care protejează Pământul de radiațiile UV provenite de la Soare. Amestecurile de gaze poluante sunt foarte nocive afectând sănătatea omului (provocând boli respiratorii ) dar și fauna și flora.
Ploaia acidă, ozonul și efectul de seră (creșterea temperaturii pământului) sunt în stransă legătură. Ozonul este implicat și în efectul de seră și în fenomenul de ploaie acidă, dar acesta nu este întotdeauna dăunător, în funcție de înalțimea la care se află. Ozonul aflat la înălțimi mari este benefic formând stratul de ozon care protejează pământul de radiațiile UV, iar cel întâlnit la un nivel inferior este dăunător deoarece în urma reacțiilor chimice cu alți poluanți poate forma acizi.
S-a demonstrat că în atmosferă există gaze cu efect de seră de foarte multă vreme: vapori de apă (37-70%), dioxidul de carbon (9-26%), metan (4-8%), ozon (3-7%) și NOx. Cantitatea de vapori de apă prezentă în aer depinde de temperatură și de presiunea de saturație. Efectul de seră produs de vaporii de apă este natural, astfel încât nu se poate influența cantitatea lor din atmosferă tehnic, ci doar prin reducerea temperaturii. Radiațiile cu lungimi de undă mici (lumina vizibilă provenită de la Soare) trec prin aceste gaze, ceea ce produce o încălzire a atmosferei, a oceanelor, a plantelor și organismelor vii. Razele cu lungimi de undă mari sunt absorbite parțial de catre aceste gaze. Datorită efectului de seră se menține constantă temperatura medie anuală de la suprafața Pământului în jurul valorii de 15C.
Efectul de seră este un fenomen natural prin care o parte a radiației cu lungimi mari de undă (radiatii IR) este retrimisă în atmosferă. Acest fenomen este cauzat de prezența gazelor cu efect de seră care reflectă înapoi aceste radiații.
Fig. 2 Fenomenul de formare a efectului de seră
sursa: www.chimiamediului.ro
Pământul primește energie de la soare (E1) de aproximativ 343Watt/m2. O parte din această energie este reflectată în atmosferă (E2) adică 103Watt/m2. Restul de radiație, 240 Watt/m2 este absorbită de pământ (E3). La rândul lui, Pământul emite radiații în spațiu (E4). Aceste radiații ajung în atmosferă unde întâlnesc gazele cu efect de seră, de unde o parte a radiației este trimisă înapoi spre Pământ, ceea ce reprezintă tocmai efectul de seră. Ar fi de dorit ca această concentrație a gazelor cu efect de seră să rămână la o valoare constantă, dar acest lucru nu se întămplă, ba din potrivă, concentrația lor crește continuu și rapid. Cu cât concentrația gazelor cu efect de seră este mai mare, cu atât contitatea de radiație retrimisă spre Pământ crește, lucru ce provoacă încălzirea globală.
Acest efect de seră este și benefic dacă ne gândim că încălzește suprafața pământului cu aproximativ 33C peste temperatura care ar fi dacă nu ar exista gazelle cu efect de seră (-18C). Deci astfel se permite existent vieții pe Pământ.
Asemenea distrugerii stratului de ozon, și încălzirea globală reprezintă un exemplu negativ cum activitatea umană și dezvoltarea poate distruge și degrada mediul. Unii specialist în schimbările climatice spun că încălzirea globală va crește rapid, cu 30% în următorii ani.
Încălzirea globală i-a preocupat pe specialist de peste 40 de ani, însă aceștia nu prevedeau că efectele ei se vor resimți asupra pământului atât de rapid. Se presupunea că acest fenomen va cauza probleme în lume peste o perioadă de 50-100 de ani și că abia atunci efectele încălzirii globale vor fi resimțite.
Ceea ce a grăbit foarte mult acest fenomen a fost creșterea mare a concentrației de poluanți emiși în atmosferă. Astfel, concentrația de dioxid de carbon din aer înaintea erei industriale era în jurul valorii de 280 ppm iar astăzi concentrația ajunge până la 380 ppm. Se observă o creștere cu 100 ppm, dintre care 2,5 ppm doar în anul 2005. Această creștere semnificativă a concentrației de CO2 este datorată utilizării combustibilor fosili. S-a ajuns la concluzia că pentru a menține concentrația la un nivel dublu în comparație cu era preindustrială, si anume 550 ppm și pentru ca temperatura medie să crească cu doar 3C este nevoie ca emisiile de CO2 să se reducă la jumătate.
Cauza principală a emisiilor gazelor cu efect de seră este, în mod necontestabil, activitatea umană. Consecințele asupra mediului sunt creșterea suprafeței oceanelor, dar mai ales degradarea calității vieții.
În urma industrializării, activitatea umană a condus la:
Emisii de CO2 în urma arderilor combustibililor fosili petru transport, producerea curentului în termocentrale, etc. creșterea concentrației de CO2 este agravată de defrișări, reducând cantitatea de dioxid de carbon absorbită de plante;
Emisii ne N2O provenite din utilizarea îngrășămintelor chimice și a combustibililor fosili;
Creșterea concentrației aerosolilor;
Statistic, s-a ajuns la concluzia că țările cu cele mai mari emisii de CO2 sunt Statele Unite ale Americii, China, Rusia, India, Brazilia. În SUA emisiile sunt datorate economiei sale consumatoare de petrol, iar în cazul Chinei și Rusiei emisiile mari de CO2 sunt datorate industriei bazate pe arderea cărbunilor.
Impactul încălzirii globale și a efectului de seră asupra atmosferei
Înlcălzirea globală își manifestă efectele asupra atmosferei prin creșterea temperaturii, a precipitațiilor, a numărului de furtuni și a vaporizației. Aceasta din urmă crește datorită încălzirii oceanelor.
Se crede că unele uragane întălnite în zone care până acum nu au suferit de pe urma acestor fenomene sunt produse datorită încălzirii globale. Se presupune că spre sfărșitul secolului XXI numărul furtunilor va crește semnificativ în zonele temperate și arctice, însă mecanismul lor nu este limpede. Deci, încălzirea globală reprezintă o problemă majoră deoarece influențează și afectează accesul la sursele de apă. Printre efectele ei se numără și canicula și producerea unor incendii devastatoare.
Încălzirea curenților de aer are ca efect creșterea temperaturii atmosferice la nivele insuportabile pentru oameni, astfel că se preconizează că în următorul secol se vor atinge temperaturi care nu s-au mai înregistrat decât în urmă cu 50 de milioane de ani. Astfel, dacă emisiile de gaze cu efect de seră vor continua în acceași măsură, temperaturile care se vor înregistra în viitor vor fi cauza unor decese în masă.
Încălzirea Pământului este un fenomen care se confirmă având în vedere că temperaturile globale sunt în continuă creștere. Datele guvernului SUA arată că în acest deceniu au fost înregistrate cele mai ridicate temperaturi din ultimii 130 de ani.
În ultima perioada, Europa și nu numai, se confruntă cu un haos climateric tot mai accentuat. Se caută explicații și soluții pentru fenomenele care au scăpat de sub control, cum ar fi caniculă în zonele anterior reci, inundații în zonele aride, cantități mari de precipitații într-o singură zi, alunecări de teren, curenți musonici prezenți inexplicabil în Europa. Toate aceste efecte evidențiază schimbările climaterice dramatice.
Un alt efect important al încălzirii globale este procesul de topire al ghețarilor. Gehețarii reprezintă mase imense de gheață persistente ce se formează în regiunile polare dar și în cele muntoase înalte și care se deplasează lent de-a lungul văilor. De la începutul erei industriale până în prezent, temperatura medie a crescut cu 0,8C, acest fapt avănd consecințe importante la nivel mondial. Se observă o subțiere a calotelor glaciale cu fiecare an. Aceasta s-a subțiat semnificativ în ultimii 50 de ani, iar în ultimii 30 de ani suprafața ei s-a diminuat cu 30%.
Modificările climei preconizate în perioada următoare vor afecta mai puternic ritmul de topire al ghețarilor.
Ideea generală era că încălzirea globală este un process lent astfel încăt este timp pentru a se găsi soluții la această problemă, lucru complet eronat.
Impactul încalzirii globale se vede și asupra biosferei, litosferei dar în mod special asupra sănătații oamenilor (creșterea temperaturii provoacă afecțiuni cardiovasculare, creșterea concentrației de O3 în troposferă conduce la apariția astmului bronșic). Prin urmare, încălzirea globală este cauza decesului a mii de oameni și îmbolnăvirea altor milioane de persoane provocată de valurile de căldură și de numeroasele calamități produse de acest fenomen.
STUDIU DE CAZ:
POLUANȚI AI AERULUI ÎN AGLOMERAREA IAȘI
Aglomerarea Iași este formată din municipiul Iași și comunele Aroneanu, Rediu, Miroslava, Ciurea, Bârnova, Tomești și Holboca. Aglomerarea reprezintă o zonă în care există mai mult de 250.000 de locuitori sau o zona cu mai puțin de 250.000 de locuitori dar densitatea polutației pe km2 justifică necesitatea evaluării și gestionării calității aerului înconjurător.
Programul de gestionare a calității aerului reprezintă totalitatea măsurilor și acțiunilor ce se desfășoară în zonele și aglomerările unde pentru unul sau mai mulți poluanți se constată depășiri ale valorilor limită, ale valorilor limită plus marja de toleranță, acolo unde există, măsuri aplicate în vederea încadrării acestor valori în limitele admise.
PM10 reprezintă particulele în suspensie care trec printr-un orificiu de selectare a dimensiunii, acestea având un diametru mai mic sau egal cu 10 micrometri.
În anii 2006-2009 în aglomerarea Iași au fost înregistrate depășiri ale valorii limită pentru PM10, ceea ce înseamnă că nu s-au respectat obligațiile asumate, astfel încât trebuie luate măsuri pe termen scurt, mediu și lung care să asigure încadrarea poluanților în limite.
Rețeaua de Monitorizare a Calității Aerului în aglomerarea Iași e formată din 5 stații automate de monitorizare echipate cu analizoare performante care aplică metodele de referință prevăzute de lege, cum sunt:
SO2 conform SR EN 14212:2005 „ Calitatea aerului înconjurător – Metodă standard de măsurare a concentrației de dioxid de sulf prin fluorescență în ultraviolet”;
NO2, NOx conform SR EN 14211:2005 „Calitatea aerului înconjurător – Metodă standard de măsurare a concentrației de dioxid de azot și oxizi de azot prin chemiluminiscență”;
PM10 conform SR EN 12341 „Calitatea aerului – Determinarea fracției PM10 de materii sub formă de pulberi în suspensie – Metoda de referință și procedura de încercare în teren pentru demonstrarea echivalenței cu metoda de măsurare de referință”;
CO conform SR EN 14626:2005 „Calitatea aerului înconjurător – Metodă standard de măsurare a concentrației de monoxid de carbon prin spectroscopie în infraroșu nedispersiv”;
O3 conform SR EN 14625:2005 „Calitatea aerului înconjurător – Metodă standard de măsurare a concentrației de ozon prin fotometrie în ultraviolet”.
Structura rețelei de monitorizare din aglomerarea Iași cuprinde următoarele tipuri de stații:
Stația IAS 1 – Pod de Piatră – stație de trafic, monitorizează poluanții proveniți din trafic ( SO2, NO, NO2, NOx, CO, PM10 sau PM2,5)
Stația IAS 2 – Decebal – Cantemir – stație de fond urban monitorizează nivelul de poluare din ariile urbane fără să fie influențate direct de trafic sau industrie.
Stația IAS 3 – Oancea – Tătărași – stație de tip industrial, monitorizează calitatea aerului în zona rezidențială ce se află sub influența emisiilor din zona industrial.
Stația IAS 4 – Copou – Sadoveanu – stație de fond regional, localizată departe de sursele de poluare, stația monitorizează nivelul de poluare rezultat din transportul la distanță al poluanților și oferă indicii cu privire la cota de poluare regională din poluarea înregistrată în zona urbană.
Stația IAS 5 – Tomești – stație de fond suburban, amplasată în incinta Școlii generale D.D.Pătrășcanu, în direcția dominantă a vântului, monitorizează nivelele de poluare rezultate din transportul poluanților proveniți din municipiul Iași și din afara lui, fără să fie influențată direct de emisiile ce provin din trafic sau din industrie. Oferă informații referitoare la expunerea populației și vegetației de la marginea aglomerării la niveluri de ozon ridicate.
Scopul măsurării concentrației poluanților în stațiile de monitorizare este obținerea de informații adecvate privind calitatea aerului, folosite pentru combaterea poluării și deci pentru protecția sănătății umane și a mediului ca un întreg.
Tabelul 3
Valorile limită pentru protecția sănătății umane și a ecosistemelor, perioada de mediere pentru poluanții monitorizați:
Rezultatele monitorizării evidențiază depășirea valorii limită și a valorii limtă plus marja de toleranță la indicatorul pulberi în suspensie cu diametrul particulelor sub 10 microni, denumite și pulberi toracice PM10, mai mult de 35 ori pe an, în stația de trafic Pod de Piatră, ceea ce obligă la identificarea și implementarea măsurilor care să determine reducerea concentrației de PM10.
Principala sursă responsabilă de depășirea valorii limită zilnice a PM10 în municipiul Iași este transportul rutier Contribuția transportului de cca 70% din totalul de pulberi este datorată în principal lipsei șoselei ocolitoare care să preia traficul greu din municipiu, stării precare a căilor rutiere, gradului de salubritate nesatisfăcător a acestora îndeosebi prin neândepărtarea materialului antiderapant, stării tehnice și de curățenie a vehiculelor etc. Valorile de PM10 determinate în stația de trafic comparativ cu rezultatele din celelalte stații confirmă faptul că traficul este sursa esențială de poluare cu pulberi PM10 îndeosebi prin antrenarea prafului de pe carosabil.
În comunele Holboca și Tomești a rezultat depășirea valorilor limită plus marja de toleranță pentru PM10, pe lângă influența poluanților proveniți din municipiul Iași o contribuție esențială la emisia de pulberi o au arderile rezidențiale de combustibil solid (lemn). De aceea măsurile propuse vor urmări încurajarea și înlocuirea combustibilului solid cu gaz, utilizarea panourilor solare, întreținerea și salubrizarea căilor rutiere. Măsurile și acțiunile din cadrul programului de gestionare a calității aerului se desfășoară pe o perioadă de maxim 5 ani.
Măsurile propuse în cadrul acestui program vizează pentru municipiul Iași în special reducerea poluării cauzată de transportul auto, întreținerea și creșterea suprafeței spațiilor verzi, controlul șantierelor de construcții, reducerea emisiilor din industrie. Este de menționat că fiecărui locuitor al municipiului Iași îi revine o suprafață de 20,6 m2 de spațiu verde și se intenționează extinderea lui.
Concentrațiile medii anuale de PM10 determinate în stația de trafic Pod de Piatră se prezintă astfel: în anul 2006 concentrația de PM10 = 62,33µg/m3 ;
2007 concentrația de PM10 = 60,89µg/m3 ;
2008 concentrația de PM10 = 64,93µg/m3 ;
2009 concentrația de PM10 = 48,85µg/m3 ;
Tabelul 4
Surse de poluare
BIBLIOGRAFIE
D. Negoiu, A.Kriza “ Poluanți anorganici în aer” Ed. Academiei Socialiste România, București 1977;
M. Surpățeanu “Elemente de Chimia Mediului” Ed. MatrixRom, București 2004;
Ghe. Duca, I. Scurlatov, A. Misiti, M. Macoveanu, M. Surpățeanu “Chimie ecologică” Ed. MatrixRom, București 1999;
I. R. Hamzescu “Încălzirea globală la control” Ed. Universitaria Craiova, Craiova 2012;
.
.
www.calitateaer.ro
BIBLIOGRAFIE
D. Negoiu, A.Kriza “ Poluanți anorganici în aer” Ed. Academiei Socialiste România, București 1977;
M. Surpățeanu “Elemente de Chimia Mediului” Ed. MatrixRom, București 2004;
Ghe. Duca, I. Scurlatov, A. Misiti, M. Macoveanu, M. Surpățeanu “Chimie ecologică” Ed. MatrixRom, București 1999;
I. R. Hamzescu “Încălzirea globală la control” Ed. Universitaria Craiova, Craiova 2012;
.
.
www.calitateaer.ro
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Poluanți Anorganici Ai Aerului (ID: 122977)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.