Ochrona powietrza - wykład Semestr IV
Wykład 3 Strona 1 z 4
Temat wykładu: Przemiany fizyko - chemiczne zanieczyszczeń w powietrzu.
1. DWUTLENEK SIARKI
Dwutlenek siarki jest jednym z podstawowych zanieczyszczeń powietrza w naszym
kraju. Z analizy danych wynika, \
e ok. 80 % krajowej emisji dwutlenku siarki pochodzi ze
spalania węgla w procesie wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Spośród technologii
przemysłowych największy udział w emisji SO2 mają wszystkie procesy
wysokotemperaturowe, połączone ze spalaniem koksu i paliw płynnych, w koksowniach,
hutach i cementowniach, w rafineriach ropy naftowej i przy produkcji kwasu siarkowego.
Oprócz dwutlenku siarki w procesie spalania paliw powstaje trójtlenek siarki (SO3 ).
Tlenki siarki oznacza się wspólnie mianem SOx , przy czym 90 % mieszaniny stanowi
dwutlenek siarki. Istnienie trójtlenku siarki w powietrzu atmosferycznym pod postacią gazu
jest mo\
liwe przy bardzo małym stę\
eniu pary wodnej, gdy\
w przeciwnym razie reaguje z
nią tworząc kwas siarkowy zgodnie z reakcją:
SO3 + H2O H2SO4
Tak więc w powietrzu istnieje raczej kwas siarkowy ni\
trójtlenek siarki. Kwas
siarkowy powstaje w powietrzu atmosferycznym ponadto w wyniku konwersji dwutlenku
siarki do trójtlenku i następnie reakcji powstałego trójtlenku siarki z parą wodną.
Reakcje zachodzące w powietrzu atmosferycznym z udziałem dwutlenku siarki mo\
na
pogrupować następująco:
" utlenianie dwutlenku siarki w fazie ciekłej katalizowane przez metale zawarte w pyle
atmosferycznym,
" utlenianie katalityczne SO2 na powierzchni popiołów lotnych,
" fotochemiczne utlenianie SO2 w fazie gazowej,
" utlenianie w fazie gazowej z udziałem produktów pośrednich reakcji fotochemicznych,
" utlenianie w fazie gazowej z udziałem produktów pośrednich wtórnych reakcji
fotochemicznych
W porze dziennej przy dostatecznym nasłonecznieniu w warunkach małej wilgotności
powietrza zachodzi w powietrzu atmosferycznym proces utleniania fotochemicznego
zawartego w nim dwutlenku siarki do trójtlenku:
h�
2 SO2 + O2 �ł�ł2 SO3
Mechanizm ten mo\
na opisać reakcjami:
h�
- cząsteczka wzbudzona
SO2 �ł�łSOx
2
x
SO2 + O2 SO3 + O
SO2 + O SO3
1
Ochrona powietrza - wykład Semestr IV
Wykład 3 Strona 2 z 4
Temat wykładu: Przemiany fizyko - chemiczne zanieczyszczeń w powietrzu.
Obecność tlenków azotu przyspiesza konwersję SO2 do SO3 :
h�
NO2 �ł�ł NO + O
SO2 + O SO3
Proces utleniania dwutlenku siarki w obecności tlenków azotu mo\
e przebiegać wg reakcji:
SO2 + NO2 SO3 + NO
SO2 + NO3 SO3 + NO2
SO2 + N2O5 SO3 + N2O4
Wa\
ną rolę w procesie utleniania dwutlenku siarki do trójtlenku odgrywają rodniki
organiczne i nieorganiczne. Rodniki organiczne powstają w reakcji węglowodorów z ozonem:
olefiny + O3 ROO�" + RO�" + aldehydy
RO�"(ROO�") + 2 SO2 2 SO3 + R�"(RO�")
Typowym rodnikiem nieorganicznym powodującym utlenienie SO2 do SO3 jest rodnik OH�"
i OH�" które powstają w ró\
nych wtórnych reakcjach fotochemicznych:
2
h�
NO2 + NO + H2O 2 HNO2 �ł�ł 2 NO + 2 OH�"
OH�" + O3 O2 + HO�"
2
HO�" + SO2 SO3 + OH�"
2
Powstały w powietrzu atmosferycznym trójtlenek siarki z procesów utlenienia
dwutlenku siarki w odpowiednich warunkach tworzy kwas siarkowy.
Katalityczne utlenianie dwutlenku siarki oprócz w fazie gazowej zachodzi równie\
w
2 -
fazie ciekłej, gdzie jony SO3- i HSO3 powstałe po absorpcji SO2 w wodzie tworzą jony
SO2- .
4
2. TLENKI AZOTU
Mieszaninę dwutlenku azotu i tlenku azotu oznacza się symbolem NOx .y
ródłem
tlenków azotu są:
" wszystkie procesy spalania paliw (energetyka, transport, a zwłaszcza samochodowy i
samolotowy, gospodarstwa domowe),
" procesy z udziałem kwasu azotowego (produkcja: kwasu azotowego, nawozów
sztucznych, kwasu siarkowego metodą nitrozową),
" technologie, w których tworzą się w następstwie odpowiednich reakcji chemicznych:
2
Ochrona powietrza - wykład Semestr IV
Wykład 3 Strona 3 z 4
Temat wykładu: Przemiany fizyko - chemiczne zanieczyszczeń w powietrzu.
N2 + O2 �łT>1480 NO
�ł�łK2
�ł
2 NO + O2 2 NO2
Czas przebywania tlenków azotu w powietrzu wynosi 3  4 dni, co świadczy o
samoistnym usuwaniu ich z powietrza atmosferycznego w wyniku naturalnych procesów.
Zalicza się do nich reakcje fotochemiczne. Mechanizm samooczyszczania się atmosfery z
tlenków azotu opisać mo\
na cyklicznie powtarzającymi się reakcjami:
h�
NO2 �ł�ł NO + O
O + O2 + G O3 + G
O3 + NO NO2 + O2
[NO2]:[O3] = const
gdzie :
G = Ar, N2, CO2, O2
Innym naturalnym procesem samooczyszczania atmosfery z dwutlenku azotu jest
reakcja NO2 z parą wodną w wyniku której powstaje kwas azotowy V i azotowy III
(tzw. azotawy):
2 NO2 + H2O HNO3 + HNO2
Powstałe kwasy są usuwane z powietrza w postaci azotanów wraz z opadami deszczu i
pyłów.
3. TLENKI W
GLA
Z tlenków węgla dwutlenek węgla jest stałym składnikiem powietrza
atmosferycznego, który nie jest traktowany jako jego zanieczyszczenie, natomiast tlenek
węgla jest odprowadzany do atmosfery w wyniku procesów przemysłowych, po\
arów lasów,
spalania paliw ciekłych przez transport samochodowy, innych i jest traktowany jako
zanieczyszczenie. Tlenek węgla zwany czadem jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, który
powstaje w wyniku:
" niezupełnego spalania węgla pierwiastkowego lub jego związków:
2 C + O2 2 CO
" wysokotemperaturowej redukcji dwutlenku węgla:
CO2 + C �!T 2 CO
�ł
3
Ochrona powietrza - wykład Semestr IV
Wykład 3 Strona 4 z 4
Temat wykładu: Przemiany fizyko - chemiczne zanieczyszczeń w powietrzu.
" dysocjacji dwutlenku węgla:
2 CO2 �!T 2 CO + O2
�ł
Tlenek węgla mo\
e być w naturalny sposób usuwany z powietrza atmosferycznego w
procesach:
" asymilacji przez mikroorganizmy zawarte w glebie,
" utleniania do dwutlenku węgla:
2 CO + O2 "! 2 CO2
Proces utleniania tlenku węgla do dwutlenku jest jednak procesem powolnym, a
jedynie szybszy przebieg tego procesu jest mo\
liwy nad wielkimi zbiornikami wodnymi.
Dzięki dobrej rozpuszczalności CO2 w wodzie równowaga reakcji utleniania przesuwa się w
prawo, a szybkość reakcji ulega przyspieszeniu.
4. OZON
Ozon jest formą alotropową tlenu o cząsteczce trójatomowej. Jest bladoniebieskim
gazem o charakterystycznej woni, słabo rozpuszczalnym w wodzie. W atmosferze jest jednym
z głównych związków utleniających. Około 90 % całkowitej zawartości ozonu w atmosferze
występuje w stratosferze, a ściślej biorąc w warstwie zwanej ozonosferą, która stanowi osłonę
Ziemi przed biologicznie czynnym promieniowaniem ultrafioletowym.
Ozon w troposferze jest zanieczyszczeniem wtórnym czyli powstaje na skutek
przemian chemicznych innych związków, a nie na skutek emisji wynikającej z działalności
człowieka. Ozon powstaje w wyniku przemian fotochemicznych utleniania tlenków azotu w
obecności argonu, azotu, tlenku węgla, metanu itp. Mechanizm tego procesu przedstawiono
ju\
powy\
ej.
Głównymi z
ródłami emisji zanieczyszczeń, które biorą udział w procesach tworzenia
ozonu są:
" sektor energetyki i transportu ( NOx ),
" sektor transportu i przemysłu (niemetanowe lotne związki organiczne),
" sektor transportu i komunalno - bytowy ( CO ),
" przemysł wydobywczy ( CH4 ),
" dystrybucja paliw ( CH4 ),
" rolnictwo zwłaszcza uprawa ry\
u i hodowla zwierząt ( CH4 ),
" wysypiska śmieci( CH4 ),
" roślinność, a zwłaszcza lasy (niemetanowe lotne związki organiczne).
4