Transport zanieczyszczeń. Mykola Shopa

Transkrypt

1 Transport zanieczyszczeń Mykola Shopa

2 Kilka jeszcze słów o aerozolach Rodzaje Pył Sól morska Siarczany Węgiel Organiczne związki Azotany Sól morskat kurz pył wulkaniczny Pył wulkaniczny Pyłek Sól morska Sadza

3 Kurz Pochodzi głównie z pustyń Cząstki stałe Głównie pochodzenia naturalnego Wkład antropogeniczny związany z uprawą rolną Albedo wynosi około 0.5 Wpływa na bilans energetyczny

4 Soł morska Głównym źródłem są oceany Cząstki stałe ale mogą również zawierać wodę Przeważnie naturalnego pochodzenia Powodują ochłodzenie klimatu

5 Siarczany (również azotany) Emisja wtórna Źródłem jest SO 2 lub siarczan dimetylu (C 2 H 6 O 4 S) Antropogeniczne Przez spalanie paliw Albedo wynosi 0.99 Ochładzanie

6 Czarny węgiel Spalanie biomasy lub paliw Ma kolor czarny Tzn. że albedo jest bliskie 0 Powoduje ocieplenie (szczególnie w obszarach lodowców)

7 Związki organiczne Duża różnorodność Pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego Terpeny drzew, roślinności Spalanie paliw czy biomasy Emisja wtórna jak i pierwotna

8 Wpływ zdrowotny aerozoli Wyższa śmiertelność, krążeniowe, oddechowe oraz alergiczne choroby Astma, zapalenie oskrzeli, rak, itd Zwiększona toksyczność płuc Bardzo małe cząstki mogą przez płuca trafiać nawet do krwi i potem do bezpośrednio do mózgu Tłumienie mechanizmów odpornościowych

9 Aerozole i zmiany klimatyczne Ocieplanie czy schładzanie? Węgiel Ociepla Siarczany Schładzają

10 Transport zanieczyszczeń Co można zrobić? a) metodami chemicznymi, biologocznymi lub przez napromieniowanie zmienić zanieczyszczenia w substancje nieszkodliwe b) Rozcieńczyć zanieczyszczenia do stężeń uważanych za nieszkodliwe c) Magazynować substancje szkodliwe w bezpiecznym miejscu tak, aby nie mogły przeniknąć do środowiska naturalnego

11 Transport zanieczyszczeń Do rozcieńczania można wykorzystać przepływy turbulente (przepływy burzliwe), powszechnie spotykane w przyrodzie. Magazynując substancje szkodliwe, musimy badać procesy, które mogą doprowadzic do ich uwalniania, na przykład przepływy wód gruntowych. Tymi zjawiskami zajmuje się fizyka procesów transportu: a) Transport materii w przepływach i w ośrodkach będących w spoczynku b) Transport energii, szczególnie cieplnej c) Transport pędu w przepływach spowodowany lepkoscią lub zawirowaniami

12 Procesy transportu Ażeby móc omówić procesy transportu, należy wprowadzić pewne pojęcia. Są nimi strumień cząstek, średnia droga swobodna i przekrój czynny na zderzenie. Strumień cząstek Chcemy określić liczbę cząstek przechodzących przez jednostkową powierzchnię da w ciągu jednostki czasu. Załóżmy, że mamy do czynienia z cząstkami podlegającymi statystyce Maxwella Bolzmana. Zgodnie z tą statystyką część cząstek posiadająca prędkości pomiędzy v a v + dv jest równa; dnv 2 m 2 2 mv / 2kT v e f ( v) dv n kt

13 x da z v y Liczba molekuł na jednostkową objętość posiadających prędkości pomiędzy v a v + dv test równa f(v)ndv. Część molekuł docierających do płaszczyzny xy z kierunku,, jest dana przez: r sin d rd sin d d 2 4 r 4 W czasie dt w powierzchnię da uderzy następująca część molekuł:

14 W czasie dt w powierzchnię da uderzy następująca część molekuł: gdzie, ( da cos)v dt dn v v dt oznacza odległość przebytą w czasie t, da cos oznacza część da prostopadłą do kierunku v, dn v oznacza liczbę molekuł na jednostkę prędkości, objętości i kąta bryłowego, przy czym dn v f ( v) n dv sin d 4 d W wyniku tego liczba molekuł uderzających w powierzchnię da w czasie dt jest dana przez; f ( v) n dv ( dacos) v dt sin d 4 d

15 Strumień molekuł padający na jednostkę powierzchni w czasie jednostkowym otrzymamy w wyniku całkowania ostatniego wyrażenia po wszystkich kierunkach i prędkościach. N n 2 v m kt 3 2 v 2 e mv 2 / 2 kt sin cos d d dv W wyniku całkowania otrzymuje się, że Skorzystaliśmy z faktu, że N nv 4 0 x 3 e ax a 2

16 v oznacza średnią prędkość jonów i jest równa: v 8kT m W wykonanych obliczeniach nie braliśmy pod uwagę zderzeń pomiędzy cząstkami. Uwzględnienie tych zderzeń nie zmieni jednak otrzymanego wyniku. 1 2

17 Średnia droga swobodna Aby poprawnie opisać zjawiska transportu, należy uwzględnić zderzenia pomiędzy cząstkami. Chcemy obliczyć średnią odległość przebywaną przez cząsteczkę przed zderzeniem z inną. Załóżmy, że mamy szereg molekuł w spoczynku, a porusza się jedna o średnicy d mająca prędkość v. v d d 2 v dt

18 Liczba zderzeń będzie równa liczbie molekuł w objętości d 2 v dt. = d 2 nazywamy przekrojem czynnym. Inaczej przekrój czynny definiujemy jako stosunek liczby zderzeń dn do liczby cząstek padających N, gęstości cząstek w tarczy n i grubości tarczy x. dn N n x Częstość zdarzeń określamy jako liczbę zdarzeń zachodzących na jednostkę czasu. nv

19 Dla cząsteczek o prędkości średniej, częstość zdarzeń wynosi: nv Droga przebyta w czasie t, jest równa vt, a liczba zderzeń w tym czasie t = n vt. Średnia odległość pomiędzy zderzeniami będzie więc wynosiła: vt nvt 1 n Uwzględniając ruch wszystkich cząstek, oraz fakt, że prędkości cząstek dane są przez rozkład Maxwella, otrzymujemy na średnią drogę swobodną wartość: 1 2 n

20 Można również policzyć, że średnia wartość odległości od płaszczyzny x-y do miejsca, w którym cząsteczki miały ostatnie zderzenie przed przejściem przez powierzchnię da wynosi; z 2 3 Uogólniony współczynnik transportu Zdefiniowane do tej pory zależności pozwolą nam opisać zjawiska transportu cząstek. Załóżmy, że mamy pole cząstek o jednorodnej gęstości n = const. W tym polu cząsteczek istnieje również gradient pewnej własności w kierunku osi z.

21 może oznaczać energię, pęd, stężenie cząstek, ładunek, itp. z Transport wielkości przez powierzchnię da jest zależny od zmiany w kierunku z. W pobliżu powierzchni da możemy napisać: x da y z0 d dz z0 dz Zależność ta jest ważna w odległości kilku dróg swobodnych od z = 0. Transport w dół wielkości przez powierzchnię da otrzymuje się przez przemnożenie strumienia cząstek przechodzących przez powierzchnię da, przez wartość

22 wielkości w miejscu ostatniego zderzenia przed da, czyli w odległości 2/3. da 2/3 2/3 0 J 1 d 2 J nv z z nv 0 0 d dz dz

23 Wypadkowy transport wielkości w kierunku dodatniej osi z jest sumą dwóch podanych strumieni; Czynnik 1/ 3nv J Przewodnictwo cieplne 1 3 d nv dz (11.6) nazywamy uogólnionym współczynnikiem transportu. Przewodnictwo cieplne jest zdefiniowane przez relację daną przez prawo Fouriera; J J Q Q K K T z T K gradt

24 Współczynnik K jest stałą przewodnictwa cieplnego. Druga część równania dotyczy transportu w dowolnym kierunku. Wielkością transportowaną jest energia cząsteczek. Transport ten zachodzi zawsze w kierunku od wyższej do niższej temperatury. Pamiętamy, że cząsteczki charakteryzują się kilkoma rodzajami energii. Możemy energię cząsteczek wyrazić przez liczbę stopni swobody f. i f 2 kt Wtedy zgodnie z równaniem mamy; 1 d f J Q nv 3 dz 2 kt Z porównania ostatniego równania z równaniem (11.7) mamy;

25 K 1 3 nv f 2 k Równanie to da się również przedstawić w następującej postaci: K 1 3 nv c N 1 v 0 3 vcv N 0 Ostatnią postać równania uzyskaliśmy w oparciu o zależność pomiędzy średnią drogą swobodną a przekrojem czynnym.

26 Związek przewodnictwa cieplnego z elektrycznym Równanie transportu prądu elektrycznego jest dane przez prawo Ohma. r j r grad el W ostatnim równaniu jest potencjałem skalarnym pola elektrycznego, a el współczynnikiem przewodności elektrycznej. Podobieństwo tego wzoru z wzorem na przewodnictwo cieplne jest widoczne natychmiast. Fakt ten został sformułowany w prawie Wiedermanna-Franza; gdzie L = 1/3 (k/e) 2. K L el T

27 Przy transporcie ciepła należy pamiętać, że wypadkowe ciepło wpływające do elementu objętości musi być równe czasowej zmianie energii wewnętrznej. Prowadzi to do równania przewodnictwa cieplnego: T t K c w 2 T 2 z W równaniu tym oznacza gęstość, a c w ciepło właściwe ośrodka. Współczynnik K/c w określa zdolność przewodzenia ciepła. Lepkość dynamiczna Jedną z bardzo częstych transportowanych wielkości fizycznych jest pęd. Z transportem tej wielkości związana jest lepkość.

28 z F/A = = η du/dz u Współczynnik Tarcia wewnętrznego Pęd jest transportowany z obszarów o dużej prędkości do obszarów o małej prędkości, przy czym p = mu. J p 1 3 ( mu) nv z 1 3 nv m u z

29 Z drugiej strony mamy, że: J p u z Otrzymujemy wobec tego na współczynnik lepkości wartość: 1 3 n mv Należy jeszcze zaznaczyć, że wypadkowy transport pędu jest ujemny dla u/z dodatniego. Istnieje również związek pomiędzy przewodnictwem ciepła a lepkością. K c v mn 0

30 Współczynniki ten można powiązać z tzw. Liczbą Prandtla Pr c p K c v K gdzie =c p /c v. Dla gazu idealnego pod ciśnieniem 1 at liczba Prandtla wynosi 1.667, dla He 0.69, dla O

31 Dyfuzja Dyslokacja jako defekt liniowy wywołuje pole naprężeń, co ułatwia przemieszczanie się atomów. Tak np. dyslokacja krawędziowa powoduje pole rozciągające pod ekstra płaszczyzną w wyniku czego tworzy się obszar rozszerzony zwany rurą dyslokacyjną. Atomy dostające się do takiej "rury" mogą znacznie łatwiej przenikać niż przez sieć, co ułatwia dyfuzję. Dyslokacje jako drogi łatwej dyfuzji uaktywniają się dopiero w zakresie niższych temperatur, gdyż w pobliżu temperatury topnienia amplitudy drgań termicznych atomów są tak duże, iż indywidualność dyslokacji jako ukierunkowanych defektów sieci zanika.

32 Dyfuzja po granicach ziarn Granice ziarn stanowią defekty powierzchniowe i powodują, że gęstość ułożenia atomów w ich obszarze jest mniejsza niż w sieci, co ułatwia przeskoki atomów. Rola granic ziarn jako dróg łatwej dyfuzji jest jednak uzależniona od typu granicy. Im większa jest energia granicy (a więc wysoki stopień atomowego niedopasowania), tym niższa jest energia aktywacji dyfuzji granicznej i mniejszy współczynnik dyfuzji, czyli dyfuzja jest szybsza. Do granic, które są najbardziej efektywnymi drogami dyfuzji należą granice ziarn dużego kąta, a najmniej granice bliźniacze i specjalne. Granice ziarn, podobnie jak dyslokacje, uaktywniają się jako drogi łatwej dyfuzji dopiero w zakresie niższych temperatur (< 0,5-0,6 T top ). Przy wyższych temperaturach szybkość dyfuzji po granicach ziarn jest mniejsza od szybkości dyfuzji objętościowej.

33 Dyfuzja reaktywna Dyfuzja reaktywna ma miejsce wówczas, gdy istnieje tendencja do tworzenia związków międzymetalicznych pomiędzy dyfundującymi składnikami. Związek tworzy się na granicy styku składników, bez uprzedniego powstawania roztworów stałych, które tworzą się dopiero w drugiej kolejności. Dyfuzja reaktywna podlega prawu parabolicznemu t.j. x 2 kt gdzie: x - grubość utworzonej fazy, t - czas, k - stała, zależna wykładniczo od temperatury. Przykładem dyfuzji reaktywnej jest dyfuzja występująca w procesie utlenianie metali.

34 Temperatura Tammanna Przy doborze temperatury reakcji stosuje się często tzw. regułę Tammana: Reakcja w fazie stałej będzie przebiegać dopiero, w temperaturze równej około 2/3 temperatury topnienia minimum jednego ze składników. W materiałach polikrystalicznych proces dyfuzji zachodzi dużo szybciej niż w materiałach monokrystalicznych. Mechanizm procesu transportu w ciałach stałych w zakresie temperatury poniżej temperatury Tammanna (2/3 temperatury topnienia) jest sterowany Procesem dyfuzji powierzchniowej wzdłuż dróg łatwej dyfuzji czyli po granicach ziaren. W przypadku wyższej temperatury coraz bardziej znaczącą rolę w procesie transportu materii zaczyna odgrywać dyfuzja objętościowa. Powyżej temperatury Tammanna zaczyna przeważać dyfuzja sieciowa.

35 Szybkośc dyfuzji Temperatura wiąże się z drganiami termicznymi atomów. Drgania te dostarczają energii koniecznej do przeskoku atomu z jednego węzła do drugiego. Czas t, - średnia droga kwadratowa dyfundującego atomu rośnie z upływem czasu. x 2 t 2Dt Wzrost gęstości defektów w sieci sprzyja wzrostowi współczynnika dyfuzji D. Wzrost ciśnienia całkowitego obniża współczynnik dyfuzji (odgrywa znacząca rolę przy dużych ciśnieniach).

36 Mechanizm dyfuzji Atomy w ciałach stałych są w ciągłym ruchu, stale zmieniają swoje położenia. Dyfuzja to stopniowa migracja atomów z jednego położenia sieci krystalicznej w inne. Warunki przeskoku atomu: a) wolne położenie w sieci krystalicznej w sąsiedztwie atomu b) atom posiada wystarczającą energię aktywacji Drgania atomów w sieci: każdy atom drga z dużą częstotliwością wokół swojego położenia w sieci krystalicznej (w temperaturze powyżej zera bezwzględnego) w tym samym czasie nie wszystkie atomy drgają z ta samą częstotliwością i amplitudą atomy mają różną energię ten sam atom może mieć różną energię w różnym czasie energia wzrasta wraz z temperaturą

37 Dyfuzja wzajemna Dyfuzja wzajemna - w stopach, atomy różnych metali mieszają się.

38 Dyfuzja własna Dyfuzja własna - bezładny ruch defektów w krysztale wywołany przez drgania termiczne sieci krystalicznej, wszystkie migrujące atomy są tego samego typu. Proces dyfuzji może zachodzić pod wpływem gradientu stężeń defektów lub innego rodzaju pola sił składającego się na gradient potencjału elektrochemicznego w układzie.

39 Prawa dyfuzji: I prawo Ficka I prawo Ficka opisuje szybkość dyfuzji (strumień dyfundujących atomów) j D c x gdzie: j strumień dyfundującego składnika w kierunku x, c stężenie składnika w płaszczyźnie przepływu, dc/dx gradient stężenia prostopadły do płaszczyzny przepływu D współczynnik dyfuzji [m 2 /s]

40 x c D x t c Gdy D nie zależy od położenia: 2 2 x c D t c II prawo Ficka opisuje przebieg dyfuzji w czasie: Prawa dyfuzji: II prawo Ficka

41 Zanieczyszczenie powietrza? (Pollution)

42 Dyfuzja i dyspersja

43 43

44 44

45 Klasy atmosferycznej stabilności Jakie są klasy? A = bardzo niestabilna B = niestabilna C = lekko niestabilna D = neutralna E = lekko stabilna F = średnio stabilna Jaki związek ma stabilność z zanieczyszczeniem powietrza? Niestabilna Zanieczyszczenia silnie dyfundują w pionie Stabilna Zanieczyszczenia słabo dyfundują w pionie

46

47 Przykład smugi. Jaki to przypadek?

48 Inny przykład

49 Cleveland, 1973 NYC, 1970s What is pollution? China, 2012 Pittsburgh, 1940s

50 Inne zanieczyszczenia Zanieczyszczenie środowiska może dotyczyć nie tylko powietrza Zanieczyszczenie gleby Ścieki Odpady chemiczne czy promieniotwórcze Zanieczyszczenie powietrza Emisja Dym, kurz Kwaśny deszcz Opary Zanieczyszczenie wody Pestycydy, nawozy Ropa Ścieki Mydło, płyny chłodnicze, oleje Chemikalia domowe

51 Krótkie fakty zanieczyszczenie powietrza Średnio osoba dorosła oddycha zanieczyszczonym powietrzem objętości ponad 10 m 3 dziennie Spaliny samochodowe stanowią około 60% emisji tlenku węgla (nawet do 95% w dużych miastach). Dane dla Stanów Zjednoczonych. Londyńki Wielki Smog ("Great Smog ) w 1952 był najgorszą katastrofą związaną z zanieczyszczeniem powietrza w historii: Ponad 4,000 osób zginęło w ciągu 6 dni Naukowcy z Harvard School of Public Health w 2010 roku opublikowali badania że przyczyną około 4% śmierci w Stanach Zjednoczonych w pewien sposób związanych jest z zanieczyszczeniem powietrza

52 Źródła zanieczyszczeń? Wood burning Fireplaces Wood stoves Land-clearing fires Burning toxic substances Garbage Plastics Air conditioners, refrigerators, fire extinguishers Fossil fuel burning Cars, trucks, etc Boats Trains Gas-powered tools Household products Paints Printer ink Hairspray, air fresheners Stirring up dust Building, driving, any way we change the landscape

53 Efekty zdrowotne zanieczyszczeń Zawierają składniki rakotwórcze Przenikają w płuca i osiadają w przestrzeniach powietrznych Kichanie/Kasłanie Astma (przyczyniają się do pojawy lub zwiększenia częstości występowania) Choroby serca Przewlekłe zapalenie oskrzeli Rozedma płuc Zapalenie płuc Wczesny poród/mała masa ciała noworodka Więcej zgłoszeń do pogotowia Więcej hospitalizacji Więcej zwolnień lekarskich

54 Przykład- pylica płuc Rozwija się po tym jak małe cząstki pyłowe gromadzą się wewnątrz płuc Choroba śmiertelna, długi okres rozwoju Prawie nieuleczalna

55 Wpływ zdrowotny ozonu troposferycznego Podrażnia oczy, nos, gardło Zapalenie płuc i dróg oddechowych Kasłanie Astma Zapalenie oskrzeli Ból w klatce piersiowej Trudności z oddychaniem Podatność na choroby płuc Uszkodzenie tkanek płuc Szybsze starzenie się płuc Przewlekłość chorób płuc

56 Wpływ zdrowotny tlenku węgla Trucizna!!! Małe ilości CO wywołują odczycie zmęczenia i ból w klatce piersiowej Większe ilości zaburzają wzrok oraz koordynacje, wywołuje ból głowy, zawroty głowy, mdłości Duża koncentracja jest śmiertelna

57 Wpływ zdrowotny lotnych związków Rak Niska odporność Zaburzenia układu nerwowego Negatywny wpływ na rozwój dzieci

58 Zanieczyszczenia i zmiany klimatyczne Małe cząstki Zmniejszają ruch opadów z spowodowany wiatrem Zmniejszają aktywność fotosyntezy roślin Zmieniają współczynnik odbicia chmur Zanieczyszczenia mogą wpływać na wydajność i przetrwanie roślin Siarczany i azotany powodują ochłodzenie Zwiększenie lokalnej koncentracji ozonu troposferycznego Wysoka koncentracja ozonu zwiększa transpirację i obniża odporność drzew na suszę Zwiększone niebezpieczeństwo pożarów

59 Jak walczą w Stanach? Obowiązkowa ustawa Clean Air Act (prawo federalne) 19 regulacji Cząstki, dym, tlenek węgla, siarczany Kontrola odoru Emisji zanieczyszczeń Pożarów leśnych Organicznych zwiazków lotnych Dostosowanie komunikacji Inspekcja silników samochodowych Regulacji CFC (freon) Piasek i kurz na ulicach Deszcze kwaśne Farby ołowiane

60 Jak walczą? Pekin, 2008 Przed i po w Pekinie Chiński rząd wprowadził nowe zaostrzone przepisy co do jakosci powietrza przed igrzyskami w 2008 Co zrobili Fabryki zanieczyszczające zostały zamknięte lub zmodernizowane Wprowadzono oczyszczanie ścieków Zwiększono nasadzenia w miescie Nowe składy komunikacji miejskiej o lepszych parametrach Stare taksówki zostały zastąpione nowymi Mniej sztywne godziny pracy aby zmniejszyć natężenie ruchu w szczycie

61 Jak walczą? Pekin, 2008 Nowe badania w czasopismie American Medical Association co do jakości powietrza w Pekinie wskazują na to jak zanieczyszczenia powietrza zwiekszają niebezpieczeństwo chorób serca u młodych i zdrowych ludzi. What a difference... these photos were taken just 24 hours apart, on Sunday and yesterday / Pics: Michael Dodge Source: The Daily Telegraph (August 5, 2008) Beijing air quality throughout the Olympics

62 Jak walczą? Pekin, 2008 Badania pokazują że poziom tlenku węgla znacznie spadł między 2007 a 2008, po ograniczeniu ruchu samochodowego w związku z Igrzyskami w 2008