OCHRONA ATMOSFERY

Dr hab. inż. Krzysztof GOSIEWSKI

Profesor AJD

Wprowadzenie w zagadnienia

ochrony atmosfery

- Homeostaza środowiska

naturalnego

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

RECYKLING

(Recycling)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Nie istnieją procesy całkowicie

odwracalne !!!

• ZASADY TERMODYNAMIKI

• I zasada - Zasada zachowania energii: zmiana

energii wewnętrznej układu równa jest różnicy ciepła

dostarczonego do układu i pracy wykonanej przez ten

układ. Jest to zasada najbardziej oczywista !

• II zasada - Ciepło nie może samorzutnie

przejść od ciała zimniejszego do cieplejszego

Istnieje entropia będąca funkcją stanu układu, stałą w

odwracalnych procesach adiabatycznych i rosnącą we

wszystkich innych. Clausius (1854)

• III zasada: - entropia układu o ustalonych

parametrach (np. o stałym ciśnieniu lub objętości) i

temperaturze zmierzającej do zera bezwzględnego

zmierza również do zera. Dla naszych rozważań zasada

mniej ważna!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Entropia ??????

-1

[J K ]

dQ

ds

T



Entropia molowa S
(odniesiona do mola substancji)

[J K

-1

mol

-1

]

0

S

D >

Wykazano, że w praktyce:

Czyli zawsze wystąpi pewne rozpraszanie energii !!!

0

S

 

Z drugiej zasady termodynamiki wynika:

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

1

ln

k

i

i

i

S

R

y

y

=

D

=-

�

�

Dla mieszanin chemicznych:

gdzie:
R - uniwersalna stała gazowa [J mol

-1

K

-1

]

y

i

- ułamek molowy składnika i [ -]

ujemn
e

dodatni
e

Ponieważ:

0 < y

i

< 1

Czyli zawsze wystąpi pewne rozpraszanie materii !!!

Wniosek:

W przyrodzie nie ma procesów całkowicie odwracalnych !!

CZYLI, INACZEJ:

ZAWSZE POJAWIĄ SIĘ STRATY ENERGII I ODPADY !!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Każdy pierwiastek zabrany

Ziemi, wodom, czy powietrzu,

prędzej czy później, po pewnej

ilości przemian powrócić może

już tylko jako bezużyteczny

odpad.

Potocznie procesami bezodpadowymi nazywamy te,

w których krążenie pierwiastków w przemianach

trwa wyjątkowo długo

i przy każdym cyklu ilość odpadu jest niewielka.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Ziemia

Paliwo kopalne

SPALANIE

CO

2

emitowane

do atmosfery

Przykład:
Spalanie paliw kopalnych

Dwutlenek węgla wyprodukowany podczas tego spalania
będzie się kumulował w atmosferze (praktycznie mamy tu
do czynienia z zerowym stopniem recyklingu).

Z H

2

O jest mniejszy problem, gdyż w końcu się wykropli

i spłynie do zbiorników wodnych (recykling).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

CO

2

zużywane w procesach

fotosyntezy

Ziemia

Biopaliwo

SPALANIE

CO

2

emitowane
do atmosfery

Spalanie bio-
paliw

Z drugiej zasady termodynamiki wynika,

że aby zmniejszyć przyrost entropii

(tzn. zmniejszyć ilość odpadów)

musimy zawsze dostarczyć energii.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

• proces syntezy prostych związków organicznych

(węglowodanów) z dwutlenku węgla i wody przebiegający

dzięki wykorzystaniu energii świetlnej pochłanianej przez

barwniki asymilacyjne (np. chlorofil).

• Ogólne równanie stechiometryczne procesów

spalania paliw organicznych:

• Pełne spalanie większości węglowodorów pochodzących z

przeróbki ropy naftowej przebiega wg następującej reakcji:

C

n

H

m

+ (n + m/4) O

2

 n CO

2

+ m/2 H

2

O

• Pełne spalanie alkoholi i estrów powstałych na bazie

alkoholi i kwasów organicznych:

C

n

H

m

O

k

+ (n + m/4-k/2) O

2

 n CO

2

+ m/2 H

2

O

• Fotosynteza jest więc procesem odwrotnym

do spalania !!!!

Fotosynteza

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

• Wg Encyklopedii Britannica:

lub :

Wg Encyklopedii Wiem 2004 :

Ogólne równania stechiometryczne
procesów fotosyntezy:

(

)

2

2

2

2

energia swietlna

chlorofil

CO

2 H O

O + H O

+

�������

�

+

2

CH O

(

)

2

2

2

2

energia swietlna

chlorofil

6 CO

12 H O

6 O

6H O

+

�������

�

+

+

6

12

6

C H O

(

)

2

2

2

energia swietlna

chlorofil

6 CO

6 H O

6 O

+

�������

�

+

6

12

6

C H O

UWAGA !!!!
W procesach spalania uzyskujemy energię
(cieplną) zaś w procesach fotosyntezy musimy
ją dostarczyć !

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Źródłem energii dla

procesów fotosyntezy jest

energia słoneczna, nie ma

tu więc perpetuum mobile.

W PROCESACH TYCH

ZACHODZI JEDNAK ZAWSZE

PEWNE ROZPROSZENIE

ENERGII !!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Fotosynteza - schemat

ogólny

• W przebiegu fotosyntezy wyróżnia się dwie fazy:
• fazę jasną (energia słoneczna pochłaniana jest

przez chlorofil - w wyniku fosforylacji

fotosyntetycznej powstaje ATP (ATP,

adenozynotrójfosforan), a u roślin wyższych w

tej fazie następuje redukcja NADP+

(Ortofosforan(V) dinukleotydu

nikotynoamidoadeninowego) i rozpad wody)

• fazę ciemną (wbudowanie CO

2

do związków

organicznych i powstanie glukozy (C

6

H

12

O

6

)-

proces ten zachodzi z wykorzystaniem energii

zgromadzonej w ATP)

• autor: Adam Świergul (Encyklopedia Wiem 2004)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Ogólny schemat recyklingu zachodzącego w obiegu:

Spalanie węglowodorów – Fotosynteza

obrazuje poniższy ogólny schemat blokowy obiegu

związków chemicznych podczas recyklingu:

spalanie - fotosynteza

FOTOSYNTEZA

SPALANIE

Energia słoneczna

Energia cieplna

CO

2

+

H

2

O

paliwo

+

O

2

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

• ODPADY:

odpady przemysłowe

ODPADY KOMUNALNE

ODPADY NIEBEZPIECZNE

(np. szpitalne)

• odpady stałe
• odpady ciekłe (tzw. ścieki)
• odpady gazowe

Klasyfikcja

odpadów:

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Emisja i imisja

• Emisja kilkadziesiąt ppm do kilku %

• Imisja [ppb] lub kilka [ppm]

(maksymalnie do kilkunastu [ppm])

Pomiar imisji

pozwala tylko

monitorować

zagrożenia

Emisja

kilkadziesiąt ppm do

kilku %

Imisja

[ppb]

lub kilka [ppm]

(maksymalnie do
kilkunastu [ppm])

K

om

in

Pomiar emisji

pozwala karać

trucicieli

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

• [

ppm

] PARTS PER MILLION

(CZĘŚCI NA MILION)

• [

ppb

] PARTS PER BILLION

(CZĘŚCI NA MILIARD)

• JEDNOSTKI [

ppm

] ORAZ [

ppb

]

DEFINIUJE SIĘ OBJĘTOŚCIOWO
(np.. [

ppm vol.

] ) LUB WAGOWO

([

ppm wt

] ).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Homeostaza TO: NATURALNA

TENDENCJA UKŁADÓW

BIOLOGICZNYCH (NP.

EKOSYSTEMÓW) DO

OPIERANIA SIĘ ZMIANOM

ŚRODOWISKA

I TRWANIA W STANIE

RÓWNOWAGI.

DESZCZ WYMYWAJĄCY PYŁY

Z POWIETRZA ATMOSFERYCZNEGO

JEST NP. ELEMENTEM HOMEOSTAZY

.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

W ATMOSFERZE MECHANIZMY

HOMEOSTAZY ZAPEWNIA

OCZYSZCZANIE NA ZASADZIE REAKCJI

FOTOCHEMICZNYCH.

A + hv



A*

gdzie:

A

-

cząstka niewzbudzona

A* -

cząstka wzbudzona

hv

-

absorbowana energia

promieniowania

• fluorescencja: A*



A + hv

• dezaktywacja zderzeniowa:

A* + M



A+ M*

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

• dysocjacja:

A*



B + C

• bezpośrednia reakcja:

A* + B



C + ....

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Substancje absorbujące i nie

absorbujące w zakresie

promieniowania 300-700 [nm]

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Przykład: Reakcja utleniania SO

2

do SO

2

• Globalnie:

• Szczegółowo:

2

2

3

2SO +O

2SO

hv

 

*

2

2

300nm

SO

SO

hv

  

*

2

2

3

SO +SO

SO +SO



*

2

2

3

SO + O

SO + O



2

3

SO

O

SO





2

3

O

O

O





2

3

SO

O

SO





Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Dopuszczalne stężenia wybranych substancji zanieczyszczających powietrze.

Dz. U. Nr. 15 z 1990r. z późniejszymi poprawkami.

Dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń μg/m³

Obszary

Obszary specjalnie

chronione

Lp. Nazwa substancji

30 min 24 h

Śred.

Roczne

30

min.

24 h

Śred.

Roczne

1 Arsen

(w

pyle

zaw.)

–

0,05

0,01

–

0,05

0,01

2 Azbest

włókien/m³

(w pyle zaw.)

–

1000,0

–

–

1000,0

–

3 Azotu dwutlenek

500,0 150,0

50,0

150,0

50,0

30,0

4 Benzo/a/piren

[ng/m

3

]

-

5,0

1,0

-

5,0

1,0

5 Chlor

100,0

30,0

4,3

30,0

10,0

1,6

6 Chrom (+6)

–

2,0

0,4

–

0,5

0,08

7 Fluor (suma fluoru i

fluorków)

30,0

10,0

1,6

10,0

3,0

0,4

8 Kadm (i jego zw.)

(w pyle zaw.)

–

0,22

0,01

–

0,2

0,001

9 Kwas siarkowy

200,0 100,0

16,0

100,0

50,0

7,9

Ochrona Atmosfery -
Wykład 1

Dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń μg/m³

Obszary

Obszary specjalnie

chronione

Lp. Nazwa substancji

30 min 24 h

Śred.

Roczne

30

min.

24 h

Śred.

Roczne

10 Miedź (w pyle zaw.

jako zw. Cu)

20,0

5,0

0,6

6,0

2,0

0,3

11 Ołów (całkowity)

–

1,0

0,2

–

0,5

0,1

12 Pył zawieszony

–

120,0

50,0

–

60,0

20,0

13 Rtęć (całkowita)

–

0,3

0,04

–

0,1

0,02

14 Siarki dwutlenek

do roku 1998

od roku 1999

600,0

440,0

200,0

150,0

32,0

32,0

250,0

150,0

75,0

75,0

11,0

11,0

15 Siarkowodór

30,0

5,0

1,0

4,0

1,0

0,5

16 Tlenek węgla

5000,0 1000,0 120,0 3000,

0

500,0

61,0

17 Wanad (w pyle

zaw.)

–

1,0

0,25

–

0,1

0,0005

18 Mangan (w pyle

zaw.)

–

4,0

1,0

–

2,0

0,5

19 Nikiel (w pyle

zaw.)

–

100,0

25,0

–

100,0

25,0

20 Węgiel elementarny 150,0

50,0

8,0

50,0

20,0

4,0