Wykład 4. Chemia Środowiska

Transkrypt

1 Wykład 4 Chemia Środowiska

2 Średnioroczne wartości stężeń głównych zanieczyszczeń atmosfery w obszarze GOP w 1989, w µg/m 3 Substancja Stężenie dopuszczalne wg norm Średnie stężenie na terenie GOP Maksymalne stężenie w miastach Śląska Ditlenek siarki Monotlenek azotu Pyły Monotlenek węgla Ołów 0,2 0,3 1,3 1,9 Kadm 0,01 0,10 0,80 1,16 Węglowodory alifatyczne (do C 5 ) benzo(a)piren 0,001 0,042 0,070 0,89

3 Schemat elektrofiltru

4 Maksymalne średniodobowe stężenia zanieczyszczeń powietrza zmierzone w latach na stacjach pomiarowych WSSE w śródmieściach wybranych miast Polski Miasto Pył zawieszony Warszawa Gdańsk Kraków Łódź Wrocław

5 Emisje SO 2 61% SO 2 powstaje w wyniku spalania węgla, 25% SO 2 ze spalania produktów naftowych, 10% SO 2 podczas wytopu rud siarczkowych miedzi, 1,5% SO 2 w trakcie wytopu rud siarczkowych zawierających ołów i cynk.

6 Kamień budowlany zawierający w swoim składzie węglany wapnia lub magnezu łatwo ulega atakowi kwaśnego opadu atmosferycznego, w wyniku którego powstają rozpuszczalne siarczany: CaCO 3(S) + H 2 SO 4(aq) Ca 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) + H 2 O (c) + CO 2(g) Kamieniem budowlanym może być wapień lub marmur (oba minerały zawierają głównie CaCO 3 ) oraz piaskowiec, w którym spoiwem ziaren kwarcu jest węglan wapnia lub tlenek żelaza (III). Tlenki żelaza pozostające w kontakcie z zakwaszoną wodą również ulegają rozpuszczeniu: Fe 2 O 3(S) + 3 H 2 SO 4(aq) 2Fe 3+ (aq) + 3SO 4 2- (aq) + 3H 2 O (c) Ditlenek siarki (IV) reaguje znacznie wolniej w warunkach niskiej wilgotności, ale efekt końcowy jest identyczny. Obecność w atmosferze ditlenku siarki (IV), tlenków azotu i kwaśnego opadu prowadzi do wzrostu szybkości procesów korozji konstrukcji metalowych, takich jak mosty i pojazdy mechaniczne.

7 Bezpośrednie szkody wywołane kwaśnym opadem atmosferycznym lub obecnością w atmosferze ditlenku siarki (IV) związane są głównie z uszkodzeniem aparatów szparkowych znajdujących się na zewnętrznej, zielonej powłoce liścia. Aparaty szparkowe pełnią funkcje związane z wymianą gazową (tzn. pobieranie CO 2 i wydzielanie O 2 ) i transpiracją, czyli wyparowywaniem wody przez roślinę.

8 Na terenach rolnych, znajdujących się w bliskiej odległości od terenów miejskich, SO2 występuje w stężeniach, które powodują zmniejszenie wzrostu i plonów roślin. Lasy są w znacznie większym stopniu wrażliwe na uszkodzenia, ponieważ rosną zazwyczaj na uboższych glebach i znajdują się w stanie nietrwałej równowagi ze swoim środowiskiem.

9 Celem obniżenia szkód wywołanych zasiarczeniem środowiska zaleca się wapnowanie gleby i wprowadzanie do wód rzek i jezior wapienia, CaCO 3. Wapnowanie całego obszaru zanieczyszczonego związkami siarki jest praktycznie niewykonalne ze względów technicznych dlatego ogranicza się do systematycznego wapnowania gruntów ornych. Wszelkie działania prowadzone na rzecz ograniczenia wielkości emisji ditlenku siarki (IV) do atmosfery spotykają się z niechęcią ze strony producentów, zwiększają bowiem ich koszty produkcji.

10 Odsiarczanie paliw Około połowa siarki elementarnej zawartej w węglu występuje w postaci pirytów(fes2). Średnio ok. 80% tej siarki można usunąć przez rozdrabnianie węgla, stosując różne techniki oddzielenia (separacji). Usuwanie organicznie związanej siarki jest znacznie bardziej trudne i wymaga przeróbki węgla na nowe paliwa ciekłe lub gazowe. Odsiarczanie ropy naftowej umożliwiają specjalne metody rafinacji.

11 Odsiarczanie gazów odlotowych Stężenie SO 2 w gazach odlotowych emitowanych przez przemysł hutniczy wynosi 5-15% i stąd istnieje możliwość bezpośredniej ich przemiany do kwasu siarkowego (VI)

12 Odsiarczanie gazów kominowych W przypadku spalania paliw kopalnych stężenie związków siarki jest zazwyczaj mniejsze niż 0,6%. Te rozcieńczone gazy mogą być wymywane za pomocą alkalicznych roztworów lub adsorbowane na zawiesinach różnych związków: H O CaCO + SO 2 CaSO CaO + SO CaSO O H O 2 CaSO H 2 3 O 2CaSO CO 2 zanieczyszczony szlam 2H O 2 MgO + SO 2 MgSO 3 ogrzewanie MgO + SO do ponownego użżyci 2 H 2 SO 4 Na 2 SO 3 + H O 2NaHSO 2 3 ogrzewanie Na 2 SO 3 do ponownego użżyci + H O + SO 2 2 H 2 SO 4

13 Powstające produkty mogą być: - składowane na hałdzie - sprzedawane (ograniczony rynek sprzedaży dla H2SO4 (VI) i gipsu CaSO4 2H2O do okładzin tynkowych) - adsorbenty mogą być regenerowane

14 Typowa brytyjska elektrownia o mocy MW wytwarza rocznie około 1 mln ton mokrego szlamu lub 210 tys. ton 98% H 2 SO 4 albo 67 tys. ton S, jeżeli wydajność procesu odsiarczania wynosi ok. 90%. Odwadnianie odpadowych szlamów może prowadzić do zanieczyszczenia wód.

15 Powstające odpady wymagają znacznych obszarów do ich składowania. Np. elektrownia o mocy 2000 MW, w okresie 10 lat wytwarza odpady, które wymagają powierzchni o wymiarach np. 1 km x 100 m. Wysokość utworzonej hałdy wyniesie 10 m.

16 W przypadku trudności ze zbytem kwasu siarkowego (VI) tlenki siarki poddaje się przemianie do siarki elementarnej. Nie występują wówczas problemy związane z magazynowaniem i możliwy jest łatwiejszy transport do innych odbiorców.

17 Np. Wielka Brytania importuje rocznie około 7, ton siarki. Natomiast zlokalizowane na jej terenie elektrownie emitują rocznie do atmosfery około 1, ton siarki. Nadprodukcja siarki sprawiła, że zostały obniżone ceny zbytu.

18

19 Produkty DRW i procesy ich dalszej przeróbki Frakcje otrzymywane z instalacji DRW są typowymi półproduktami. Są one przerabiane w innych instalacjach rafineryjnych w celu uzyskania produktów o odpowiedniej jakości. Szczególnie ważne są procesy rafinacji w czasie których usuwa się związki siarki.

20 Najczęściej stosowaną metodą chemiczną - rafinacji benzyn jest ich ługowanie (tzn. przemywanie roztworem ługu sodowego) H 2 S + 2NaOH Na 2 S + 2H 2 O RSH(merkaptan) + NaOH RSNa + H 2 O

21 Metody fizyczne wykorzystują selektywne rozpuszczalniki np. futurol lub fenol. Powodują one rozpuszczanie w sobie niepożądanych związków siarki nie rozpuszczając samych frakcji (np. oleju).

22 Maksymalne średniodobowe stężenia zanieczyszczeń powietrza zmierzone w latach na stacjach pomiarowych WSSE w śródmieściach wybranych miast Polski,ug/m3 Miasto SO Warszawa Gdańsk Kraków Łódź Wrocław

23 Paliwa zastępcze W skład paliw zastępczych wchodzą niskosiarkowe paliwa, takie jak gaz naturalny lub węgiel o zawartości siarki elementarnej wynoszącej około 1% w miejsce węgla o zawartości siarki 6%. Wprowadza się do powszechnego użytku alternatywne źródła energii, np. energię słoneczną, wiatr, energię wodną.

24 ,3 70,5 udział, % ,9 3,4 1,2 10,4 0,1 0,2 w ęgiel ropa gaz pozostałe rok 1960 rok 1999 Zmiany struktury zużycia energii w Polsce w latach

25 Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń przy zmianie nośnika energii na gaz /emisja dla węgla = 100%/ % zanieczyszczeń w stosunku do zanieczyszczeń przy spalaniu węgla, % SO 2 NO 2 CO pył CO 2 z aniecz ysz cz enie Porównanie oszacowanego zmniejszenia emisji zanieczyszczeń przy zmianie nośnika energii z węgla na gaz (emisja dla węgla = 100%)

26 Zgodnie z założeniami programu UE określonego w dokumencie programowym Komisji Europejskiej Green Paper i strategią wdrażania odnawialnych źródeł energii (OŹE ) jednym ze sposobów ograniczania emisji jest wprowadzanie biomasy.

27 Biomasa, trzecie, co do wielkości na świecie, naturalne źródło energii stanowić może znaczący energetycznie substytut węgla. Stanowi ona formę gromadzenia energii słonecznej jako produktu fotosyntezy, w wyniku którego rośliny produkują węglowodany z ditlenku węgla zawartego w atmosferze i wody w obecności promieniowania słonecznego.

28

29

30 % , ,3 CO SO2 NO2 subst.organ. WWA B(a)P węgie l d re w no Względna ekologiczna efektywność spalania zrębków drzewnych w porównaniu do spalania węgła

31 Maksymalne średniodobowe stężenia zanieczyszczeń powietrza zmierzone w latach na stacjach pomiarowych WSSE w śródmieściach wybranych miast Polski, ug/m3 Miasto NO Warszawa Gdańsk Kraków Łódź Wrocław

32 W odniesieniu do stężeń NO 2 sytuacja nie uległa poprawie, a w niektórych miastach (lub ich fragmentach) notowane obecnie stężenia są wyższe niż dawniej. Jest to efekt dynamicznie wzrastającej liczby pojazdów samochodowych, zwłaszcza samochodów osobowych (z 5,2 mln. w 1990r. do 11 mln. w 2002 r.) a także samochodów ciężarowych (z 1mln. w 1990r. do 2 mln. w 2002r.)