ATMOSFERSKI TALOG I KISELE KIŠE

Transcription

1 ATMOSFERSKI TALOG I KISELE KIŠE Prof. dr Ivan Gržetić, Univerzitet u Beogradu - Hemijski fakultet grzetic@chem.bg.ac.yu & Beleške za predavanja: Gržetić 1

2 SADRŽAJ ŠTA SU TO KISELE KIŠE? NEZAGAĐENA KIŠA IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH KIŠA POREKLO KISELIH KIŠA ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU VAŽNIJI HEMIJSKI PROCESI EFEKTI KISELIH KIŠA (biljke, ribe) EFEKTI KISELIH KIŠA (spomenici, beton, metal) Gržetić 2

3 ŠTA SU TO KISELE KIŠE? Po definiciji kisele kiše su atmosferski kiseli talog u formi kiše. Još preciznija definicija je da su kisele kiše padavine koji imaju veću kiselost (manje ph) od uobičajenih kiša koje padaju u nezagađenim regionima Zemlje. Padavine odstranjuju iz atmosfere gasove, aerosole (tečnosti) i čestice na dva načina: 1. Stvaranjem kapljica vodene pare u oblacima koje sakupljaju zagađivače iz atmosfere i kada se steknu potrebni uslovi kapljice iz oblaka se ukrpnjavaju i padaju u obliku kiše, 2. Ispiranjem atmosfere kada kiša (sneg) atmosferu ispod oblaka ispira i prečišćava. Ova dva načina obuhvataju takozvanu vlažnu precipitaciju. Gržetić 3

4 ŠTA SU TO KISELE KIŠE? Atmosfera se može prečišćavati od polutanata i bez kiše i to: 1. Apsorpcijom gasova na razne površine u prirodi kao što su vegetacija, zemljište ili vodene površine, kao i na građevine koje je sačinio čovek. 2. Gravitacionim taloženjem većih čestica 3. U direktnom kontaktu finih čestica sa vegetacijom i drugim površinama. Gržetić 4

5 KISELI TALOG Termin kiseli talog obuhvata celokupnu kiselu precipitaciju koja zahvata gasove, čestice kao i tečnu fazu tako da se u kiselom talogu nalaze sve kisele supstance iz atmosfere. Zato se trivijalni naziv kisele kiše sve više zamenjuje mnogo pravilnijim atmosferski talog koji obuhvata sve kisele supstance kao i sve druge zagađivače koji se nalaze u atmosferi. Atmosferski talog podrazumeva zagađenje vazduha koje uključuje i sve kompleksne reakcije različitih supstanci u vazduhu koje daju kao produkat kisela jedinjenja u atmosferi. Gržetić 5

6 NEZAGAĐENA KIŠA Nezagađena kiša je po prirodi kisela jer atmosfera sadrži u sebi kiseli oksid ugljendioksid (CO2) koji se rastvara u vodi (kapima kiše) i daje kao produkat ugljenu kiselinu što ima za posledicu da je kiselost (ph) kišnice oko 5,6. Ova vrednost je granična vrednost, sve što je kiselije od ove vrednosti (ph>5,6) smatra se kiselom kišom. Kada se zagađenje kombinuje sa čistom kišnicom ph kiše se ponekad drastično menja. Gržetić 6

7 LOŠI PRIMERI Tako, na primer, merenja kiselosti kišnice u Severnoj Americi dostizalasu vrednosti od ph 3, a najniža vrednost za ph kišnice u SAD ikada izmerena je bila 2,1 i to severnim delovima SAD godine. U Evropi najniža vrednost ikada izmerena bila ph 2,4 u Škotskoj godine. U Srbiji u Boru kiselos kiše takođe dostiže veoma male ph vrednosti između 2 i 3. Gržetić 7

8 IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH KIŠA Sve forme precipitacije (taloga) kao kiša, sneg, rosa, izmaglica ili magla kiesli su po prirodi jer u sebi rastvaraju ugljen-dioksid (CO 2 ), s tim što ljudske aktivnosti samo pridodaju kiselosti ovih taloga. Kako je već rečeno nezagađena kišnica ima ph 5,6 što se može uporediti sa laboratorijskom destilovanom vodom u ravnoteži sa CO 2 iz vazduha. Iz tih razloga se i kaže da je kisela kiša svaki onaj talog koji je kiseliji od 5,6. Gržetić 8

9 IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH KIŠA Ukoliko se u vazduhu nalazi još neki kiseli oksid pored CO 2, kao što je, na primer, SO 2, NO x ili neke druge supstance kao organski zagađivači, tada je kiselost atmosferskog taloga veća, odnosno ph niže i tada kiselost taloga može biti od ph 4,9 do 3,5. Gržetić 9

10 POREKLO KISELIH KIŠA Komponente koje se mogu naći u atmosferi, a koje su konstituenti kiselog taloga mogu biti: 1. Prirodnog porekla 2. Antropogenog porekla (iz industrije, saobraćaja, domaćinstava...) Na globalnom planu prirodni izvori doprinose sa nekih 60%, dok antropogeni izvori doprinose sa oko 40% (Forester, 1993). Gržetić 10

11 PRIRODNI IZVORI Prirodni izvori sumpornih jedinjenja obuhvataju: SO 2 iz vulkanskih grotla, morsku penu i kapljice koji sadrže sulfate (H 2 SO 4 ), zatim sumpor-vodonik (H 2 S) poreklom od vulkanskih erupcija i sličnih aktivnosti zemljine kore i konačno biogeni sumpor koji nastaje u biodegradaciojom organske supstance potpomognut bakterijama. Gržetić 11

12 ANTROPOGENI IZVORI Najveći antropogeni izvori su sagorevanje fosilnih goriva (uglja, nafte i prirodnog gasa) i iz industrijskih procesa, pre svega iz bazne proizvodnje metala. Gržetić 12

13 CO 2 emisija antropogenog porekla u svetu i kod nas Gržetić 13

14 SO 2 emisija antropogenog porekla u svetu Gržetić 14

15 Nacionalni ukupni emisioni trendovi. Emisija za sumpor ( , 2010, 2020) prema MSC-W (Gg SO2 godišnje)* Područje/ Godina Ruska Federacija Srbija i Crna Gora Engleska Prirodna marinska emisija Emisija iz vulkana TOTAL (*) Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Longrange Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP); MSC-W - Meteorological Synthesizing Centre - West Gržetić 15

16 Nacionalni ukupni emisioni trendovi. Emisija za azotne okside ( , 2010, 2020) prema MSC-W (Gg NOx godišnje)* Područje/ Godina Ruska Federacija Srbija i Crna Gora Engleska Prirodna marinska emisija Emisija iz vulkana TOTAL (*) Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Longrange Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP); MSC-W - Meteorological Synthesizing Centre - West Gržetić 16

17 ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU Kada se polutanti (CO2, SO2, NOx) unesu u atmosferu njihova sudbina u mnogome zavisi od fizičkih procesa kao što je disperzija, transport i depozicija, kao i od vrlo kompleksnih hemijskih procesa koji se odvijaju sve vreme od momenta emisije do momenta procipitacije na površinu zemlje. Faktori koji su presudni za sudbinu polutanata su visina na kojoj se emisija odvija, količina solarne radijacije, precipitacija kao i osobine površine zemlje na koju se talože (precipituju) kisele kiše (Bubenich, 1984). Gržetić 17

18 ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU U zavisnosti od godišnjeg doba i priroda emisije se razlikuje, zimi dominira emisija iz stacionarnih izvora postrojenja za proizvodnju toplote i energije, dok leti dominira emisija iz pokretnih izvora niza različitih transportnih sredstava jer je to vreme kad se najviše putuje i transportuje. Na ove sezonske razlike, pored toga, utiče i razvijenost nekog regiona. Iz ovih razloga nije sasvim jednostavno pronaći prostu korelaciju između emisije i kiselosti atmosferskog taloga. Veliki broj promenljivih kao poreklo polutanata, njihova vrsta i konverzija, njihov prenos kroz atmosferu i njihova precipitacija kompleksan je sistem koji ne može da da jednostavan odgovor i zahteva složene sisteme za modelovanje. Gržetić 18

19 ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU Gržetić 19

20 ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU Gržetić 20

21 VAŽNIJI HEMIJSKI PROCESI Kao što je poznato sagorevanje fosilnih goriva značajno doprinosi stvaranju kiselih kiša jer se pri tom u atmosferu oslobađaju značajne količine SO 2. Saobraćaj je osnovni izvor azotovih oksida (NO, NO 2 i NO 3 koji se najčešće zbirno predstavljaju kao NO x ). SO 2 reaguje sa vodonikperoksidom (H 2 O 2 ) iz oblaka koji nastaje od hidroperoksi radikala (HO 2 ) i prelazi u SO 3, dok NO x reaguje sa hidroksi radikalom (OH) koji nastaje u atmosferi u fotohemijskim reakcijama. Tako nastali oksidi reaguju sa vodom dajući sumpornu (H 2 SO 4 ) i azotnu (HNO 3 ) kiselinu. Gržetić 21

22 HEMIJSKE REAKCIJE Gržetić 22

23 Formiranje SO 2 i azotovih oksida (NO x ) U vozilima: S (u gorivima) + O 2 SO 2 N 2 + O 2 2NO NO + 0.5O 2 NO 2 Gržetić 23

24 Formiranje vodonik-peroksida od lako isparljivih organskih jedinjenja (VOC): Primer - formaldehid (HCHO) 1. HCHO + hν (sa sunca) H + HCO 2. (HCO = formil radikal) 3. HCHO + O 2 CO + HO 2 4. OH + HCHO H 2 O + HCO 5. HCO + O 2 HO 2 + CO 6. HO 2 + NO NO 2 + OH 7. VOC + hν (sa sunca) + HO 2 (iz vazduha) H 2 O 2 VOC = lako isparljiva organska jedinjenja (VOC) Gržetić 24

25 Formiranje kiselina: H 2 SO 4 1. SO 2 + HO 2 SO 3 + OH 2. SO 3 + H2O H 2 SO 4 3. SO 2 + H 2 O 2 & O 3 (iz oblaka) H 2 SO 4 4. SO 2 + OH + O 2 (iz vazduha) H 2 SO 4 Gržetić 25

26 Formiranje kiselina: HNO3 NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 NO 2 + hν NO + O NO 2 + NO 3 N 2 O 5 N 2 O 5 + H 2 O 2HNO 3 NO 2 + hν (sa sunca) + OH (iz vazduha) HNO 3 Gržetić 26

27 EFEKTI KISELIH KIŠA Ponekad se priroda može prilagoditi kiselom atmosferskom talogu (kiselim kišama), na primer, u područjima gde je sadržaj krečnjaka ((Ca,Mg)CO 3 ili CaCO 3 ) u zemljištu relativno visok. Kisele kiše u interakciji sa krečnjacima se lako i brzo neutrališu. Sumporna kiselina sa kalcijum-karbonatom da je dobro poznato jedinjenje, so kalcijuma i sulfatnog anjona gips (CaSO 4 *aq). 1. H 2 SO 4 + aq + CaCO 3 = CaSO 4 *aq + H 2 O + CO 2 2. H 2 SO 4 + MgCO 3 = MgSO 4 + H 2 O + CO 2 Gržetić 27

28 EFEKTI KISELIH KIŠA U prirodi, na primer, neke životinje, ribe ili žabe ne mogu da razmnožavaju ili žive u kiselim sredinama. Lišće biljaka ozbiljno je ugroženo pod dejstvom kiselih kiša. Uticaj kiselih kiša na sadržaj kalcijuma i magnezijuma u zemljištu vrlo je indikativan, nastajanje sulfata magnezijuma koji je rastvoran i sulfata kalcijuma (gipsa) koji je slabo rastvoran (oko 2g/dm 3 kišnice) ima za posledicu da se s vremenom ovi katjoni ispiraju jz zemljišta i ostavljaju za sobom narušenu ravnotežu katjona u zemljištu. Naročito je opasan nedostatak kalcijuma jer u nedostatku kalcijuma biljke resorbuju aluminijum, a to je poguban proces za biljke. Gržetić 28

29 Zdravi uslovi za biljke Šema pokazuje kako se iz zemljišta ispiraju katjoni i nvodom dospevaju u biljke Gržetić 29

30 Nezdravi uslovi za biljke Kiseline u kiši prosto sprže lišće biljaka. U nedostatku kalcijuma biljke resorbuju aluminijum, a to je poguban proces za biljke. Gržetić 30

31 Negatini efekti kiselih kiša Gržetić 31

32 Negatini efekti kiselih kiša na ribe Mobilizacija aluminijuma iz zemljišta u kiseloj sredini ima za posledicu transport aluminijuma u vodene tokove u kojima aluminijum neretko prouzrokuje mukozno oboljenje ribljih škrga što ima fatalne posledice. Al(OH) 3 >>>> Gržetić 32

33 Negatini efekti kiselih kiša I građevine koje je čovek sagradio stradaju od kiselih kiša jer kiseline iz padavina napadaju kamen, beton ili metal što ima za posledicu njihovu koroziju, degradaciju i razaranje. Gržetić 33

34 Negatini efekti kiselih kiša Mermer i krečnjak se degradira prema već poznatoj reakciji: H 2 SO 4 + aq + CaCO 3 = CaSO 4 *aq + H 2 O + CO 2 Beton se razgrađuje tako što kiseline postepeno ispiraju kalcijum iz portlandita (Ca(OH) 2 ) čime u krajnoj liniji slabe mehaničke osobijne betona. H 2 SO 4 + aq + Ca(OH) 2 = CaSO 4 *aq + 2H 2 O Gržetić 34

35 Negatini efekti kiselih kiša Slika dobrog betona Slika lošeg - degradiranog betona Gržetić 35

36 Korozija metala Korozija metala je vrlo brza i vidna: 2H 2 SO 4 + O 2 + 2Fe = 2FeSO 4 + 2H 2 O Gržetić 36

37 HVALA NA PAŽNJI! Gržetić 37