Atmosfera şi calitatea aerului

CURS XIAerosolii şi emisiile de particule

Definiţie şi exemple de aerosoli

Aerosoli – particule lichide sau solide aflate în suspensie în atmosferă. Se deosebesc de moleculele de gaze în care se află în suspensie prin dimensiunile mult mai mari şi prin faptul că au capacitatea de a împrăştia și difracta lumina (gazele o transmit sau o absorb). Aspectul clar al atmosferei indică lipsa de aerosoli, iar aspectul înceţoşat indică o concentraţie mare de aerosoli. Aerosolii pot fi reprezentaţi din: - norii- praful- fumul- funinginea- polenul- ceaţa - smog-ul

Aerosolii pot fi: - eliberaţi sau injectaţi direct în atmosferă din diverse surse – fum , praf, polenul - formaţi prin procese de condensare ce implică procese fizice simple (ceaţa, norii) sau reacţii chimice cu gazele din atmosferă (smog-ul fotochimic)

Monitorizarea concentraţiei de aerosoli

Aeroslii cunt omniprezenţi în atmosferă, însă acumularea lor în exces

Benxi, China

poate duce la efecte grave asupra sănătăţii umane. Din acest motiv, monitorizarea concentraţiei de aerosoli este esenţială şi se face prin evaluarea următorilor parametri:

1. coeficientul de împrăştiere (coeficient of haze – COH) – se determină prin filtrarea a 300 m liniari de aer și compararea densităţii optice a filtrului cu standarde. Se evalueză în special aerosoli cu dimensiuni între 5-10 µm, iar valori > 6 sunt periculoase pentru sănătate;2. masa totală de particule în suspensie în aer (TSP) – cum se măsoară? Valori mai mari de 60 µg/m3 sunt considerate periculoase; 3. particule inhalabile (IP) – cantitatea de particule ce au dimensiuni mai mici de 10 µm; se măsoară tot în µg/m3 . IP=PM

10 + PM

2.5=0.45 x TSP

4. cantitatea totală de praf (TDF – total dustfall) – în g/m2/lună – se măsoară prin cântărirea cantităţii de praf ce se depune pe o suprafaţă dată timp de o lună. O valoare > de 7 g/m2/lună este considerată periculoasă pentru sănătatea umană.

Principalele tipuri de aerosoli:- aerosolii marini- praful- produsii de combustie- hidrocarburile poliaromatice (poliaromatic hydrocarbons PAHs)

1. Apa de mare ca sursă de aerosoli

Aproximativ 2% din suprafaţa oceanului este acoperită în permanenţă de valuri acoperite cu spumă. În spumă, se formează şi se distrug bule de aer cu o rată de 106 bule/m2/s ce generează o cantitate mare de aerosoli. Cât de mare?

Apa de mare este responsabilă de producerea a aproximativ 1500 Tg (terragrame, 1012 g) aerosoli/an.

Mecanismul principal de formare al aerosolilor din apa de mare presupune: A. formarea unor bule de aer mici (5-500 µm) ca urmare a acţiunii vântului. B. desintegrarea bulei prin spargerea peretelui aflat în contact cu aerul. Prin acest proces se formează 1-10 aerosoli/bulă cu dimensiuni între 5-25 µm ce conţin 2-300 pg de sare de mare/aerosol;C. spargerea bulei duce la ejectarea unei coloane de apă ce produce câteva picături mari ce se transformă în aerosoli cu dimensiunile de 25-500 µm şi conţin 300 pg – 2 µg de sare de mare/aerosol;D. evaporarea apei de mare şi formarea aerosolilor marini solizi. În principiu, aerosolii marini au aceaşi compoziţie cu a apei de mare

2. Praful ca sursă de aerosoliCantitatea de aerosoli ce îşi are originea în praf este de 750 Tg aerosoli/an.

Aerosolii din praf apar ca urmare a procesului fizic de antrenarea a particulelor solide de pe sol de către curenţii de aer. În mișcarea lor, particlulele se ciocnesc recisproc sau cu solul şi îsi reduc dimensiunile. Compoziţia chimică a aerosulilor din prf reflectă strict locul lor de formare.

Ex: vântul ce bate dinstre Sahara (Harmattan) transportă nisip și praf din deşert până în zone precum Cameroon

3. Procesele de combustie

Orice proces de combustie, fie natural fie antropic, produce alături de CO2 , H

2O şi

substante particulate sub formă de funingine (carbon elementar) şi cenuşă (cenusă rezultată din arderea cărbunilor contine numeroase elemente anorganice, printre care şi S, Pb, Zn, Cr, Cd). Cantitatea de aerosoli emişi depind în principal de condiţiile în care are loc combustia. Dacă arederea are loc într-o cantitate insuficientă de O

2 (aer) emisiile de particule sunt mai

mari => fum negru. Dacă arderile au loc într-o cantitate suficientă de O2, emisiile sunt mai mici => fumul este alb (de ce?)

Incendiile forestiere sunt responsabile de eliberarea a aprox. 100 Tg aerosoli/an, iar activităţile antropogene aprox. 50 Tg aerosoli/an.

4. Hidrocarburile poliaromatice (PAH)

Hidrocarburile poliaromatice sunt tot produsi de combustie ce contin 2 până la 8 inele aromatice condensate liniar, periferic sau angular. Sunt produşi în urma arderii lemnului, cărbunelui si a altor combustibili cu C la temperaturi mici si intr-o concentratie redusă de O

2.

Piren (inele pericondensate)

Antracen (inele condensate liniar)

1,2-benzfenantren(inele condensate angular)

Au fost identificate aprox. 150 PAH până în prezent, majoritatea având efecte carcinogene. PAH cu masă moleculară mică sunt volatile, iar cele cu masă mare se regăsesc în particulele de funingine.

Concentraţia atmosferică şi persistenţa aerosolilor

Datorită compoziţiei chimice variate şi variabile, unităţile de măsură molare ppm/ppv etc. nu pot fi utilizate pentru aerosoli. Cel mai frecvent, concentraţiile de aerosoli se exprimă ca masă/volum de aer. Concentraţia de aerosoli variaza funcţie de amplasarea geografică:

- în largul oceanului – 10-150 µg/m3

- pe ţărmul mării – până la 500 µg/m3

- zone rurale cu vegetaţie – 10-50 µg/m3

- zone aride – până la 500 µg/m3

- atmosfera urbană – până la 200 µg/m3

Persistenţa aerosolilor în atmosferă este dependentă de 2 procese distincte:

A. depunerea particuleor – realizată de gravitaţie, cu cât dimensiunile particulelor sunt mai mari, cu atăt viteza de depunere este mai mare. În general, particulele > 10 µm sunt considerate a fi depozitabile. PM < 2.5 µm sunt eliminate din atmosferă doar prin antrenarea de către precipitaţii. B. coagularea – coliziunea particulelor datorate miscării Browniene face ca acestea sä se unească pentru a forma particule de dimensiuni mai mari. Coagularea este mai frecventă pentru aerosolii cu dimensiuni mici.Aerosolii au dimensiuni între 1nm şi 100 µm, însă cei mai stabili sunt cei între 0.01 – 10 µm. Patriculele mai mari de 10 µm se depun, cele mai mici de 0.01 µm coagulează.

Reducerea emisiilor industriale de particule

Dispozitivele utilizate pentru limitarea emisiilor de particule aplicabile proceselor industriale sunt:

- filtre textile – funcţioneză similar cu sacul unui asprirator. Capacitatea de filtrare a filtrului poate fi afectată de temperatură şi umiditate. Aceste dispozitive sunt eficiente pentru PM 0.01 - 10 µm;

- epurator – gazul contaminat este amestecat cu apă sub formă ceaţă. Picăturile de apă absorb aerosolii şi apa contaminată este colectată;

- precipitator electrostatic – prin aplicarea unei descărcări electrice, aerosolii sunt încărcaţi electric şi pot fi capturati de un electrod încărcat pozitiv.

- camere de depunere – camere prevăzute cu şicane şi spaţii libere concepute pentru apentru a permite aerosolilor să se depună sub influenţa gravitaţiei. Aceste dispozitive sunt eficiente pentru PM > 10 µm;- cicloane - dispozitive sub formă de con cu vf. îndreptat în jos. Gazul contaminat este forţat într-un traseu în spirală, iar particulele intră în contact cu cu pereţii dispozitivului si alunecă spre vf. Unde este amplasat un vas de colectare;