atmosferski talog i kisele kiŠe - helix.chem.bg.ac.rshelix.chem.bg.ac.rs/~grzetic/predavanja/osnovi...

ATMOSFERSKI TALOGI KISELE KIŠE

Prof. dr Ivan Gržetić,Univerzitet u Beogradu - Hemijski fakultet

grzetic@chem.bg.ac.yu & www.chem.bg.ac.yu

Beleške za predavanja: http://helix.chem.bg.ac.yu/~grzetic/predavanja/Gržetić 1

SADRŽAJ• ŠTA SU TO KISELE KIŠE?• NEZAGAĐENA KIŠA• IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH

KIŠA• POREKLO KISELIH KIŠA• ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU

U ATMOSFERU• VAŽNIJI HEMIJSKI PROCESI• EFEKTI KISELIH KIŠA (biljke, ribe)• EFEKTI KISELIH KIŠA (spomenici, beton,

metal)Gržetić 2

ŠTA SU TO KISELE KIŠE?

Gržetić 3

Po definiciji kisele kiše su atmosferski kiseli talog u formi kiše. Još preciznija definicija je da su kisele kiše padavine koji imaju veću kiselost (manje pH) od uobičajenih kiša koje padaju u nezagađenim regionima Zemlje. Padavine odstranjuju iz atmosfere gasove, aerosole (tečnosti) i čestice na dva načina:

1. Stvaranjem kapljica vodene pare u oblacima koje sakupljaju zagađivače iz atmosfere i kada se steknu potrebni uslovi kapljice iz oblaka se ukrpnjavaju i padaju u obliku kiše,

2. Ispiranjem atmosfere kada kiša (sneg) atmosferu ispod oblaka ispira i prečišćava.

Ova dva načina obuhvataju takozvanu vlažnu precipitaciju.

ŠTA SU TO KISELE KIŠE?Atmosfera se može prečišćavati od

polutanata i bez kiše i to:1. Apsorpcijom gasova na razne površine u

prirodi kao što su vegetacija, zemljište ili vodene površine, kao i na građevine koje je sačinio čovek.

2. Gravitacionim taloženjem većih čestica3. U direktnom kontaktu finih čestica sa

vegetacijom i drugim površinama. Gržetić 4

KISELI TALOG• Termin kiseli talog obuhvata celokupnu kiselu

precipitaciju koja zahvata gasove, čestice kao i tečnu fazu tako da se u kiselom talogu nalaze sve kisele supstance iz atmosfere. Zato se trivijalni naziv „kisele kiše“ sve više zamenjuje mnogo pravilnijim „atmosferski talog“ koji obuhvata sve kisele supstance kao i sve druge zagađivače koji se nalaze u atmosferi. Atmosferski talog podrazumeva zagađenje vazduha koje uključuje i sve kompleksne reakcije različitih supstanci u vazduhu koje daju kao produkat kisela jedinjenja u atmosferi.

Gržetić 5

NEZAGAĐENA KIŠA• Nezagađena kiša je po prirodi kisela jer

atmosfera sadrži u sebi kiseli oksid ugljen-dioksid (CO2) koji se rastvara u vodi (kapima kiše) i daje kao produkat ugljenu kiselinu što ima za posledicu da je kiselost (pH) kišnice oko 5,6. Ova vrednost je granična vrednost, sve što je kiselije od ove vrednosti (pH>5,6) smatra se kiselom kišom. Kada se zagađenje kombinuje sa čistom kišnicom pH kiše se ponekad drastično menja.

Gržetić 6

LOŠI PRIMERI• Tako, na primer, merenja kiselosti kišnice

u Severnoj Americi dostizalasu vrednosti od pH 3, a najniža vrednost za pH kišnice u SAD ikada izmerena je bila 2,1 i to severnim delovima SAD 1964. godine.

• U Evropi najniža vrednost ikada izmerena bila pH 2,4 u Škotskoj 1974. godine.

• U Srbiji u Boru kiselos kiše takođe dostiže veoma male pH vrednosti između 2 i 3.

Gržetić 7

IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH KIŠA

• Sve forme precipitacije (taloga) kao kiša, sneg, rosa, izmaglica ili magla kiesli su po prirodi jer u sebi rastvaraju ugljen-dioksid (CO2), s tim što ljudske aktivnosti samo pridodaju kiselosti ovih taloga. Kako je već rečeno nezagađena kišnica ima pH 5,6 što se može uporediti sa laboratorijskom destilovanom vodom u ravnoteži sa CO2 iz vazduha. Iz tih razloga se i kaže da je kisela kiša svaki onaj talog koji je kiseliji od 5,6.

Gržetić 8

IZVORI ATMOSFERSKOG TALOGA I KISELIH KIŠA

• Ukoliko se u vazduhu nalazi još neki kiseli oksid pored CO2, kao što je, na primer, SO2, NOx ili neke druge supstance kao organski zagađivači, tada je kiselostatmosferskog taloga veća, odnosno pHniže i tada kiselost taloga može biti od pH4,9 do 3,5.

Gržetić 9

POREKLO KISELIH KIŠAKomponente koje se mogu naći u atmosferi, a koje

su konstituenti kiselog taloga mogu biti:

1. Prirodnog porekla2. Antropogenog porekla (iz industrije,

saobraćaja, domaćinstava...)

Na globalnom planu prirodni izvori doprinose sa nekih 60%, dok antropogeni izvori doprinose sa oko 40% (Forester, 1993).

Gržetić 10

PRIRODNI IZVORI

• Prirodni izvori sumpornih jedinjenja obuhvataju: SO2 iz vulkanskih grotla, morsku penu i kapljice koji sadrže sulfate (H2SO4), zatim sumpor-vodonik (H2S) poreklom od vulkanskih erupcija i sličnih aktivnosti zemljine kore i konačno biogenisumpor koji nastaje u biodegradaciojomorganske supstance potpomognut bakterijama.

Gržetić 11

ANTROPOGENI IZVORI

• Najveći antropogeni izvori su sagorevanje fosilnih goriva (uglja, nafte i prirodnog gasa) i iz industrijskih procesa, pre svega iz bazne proizvodnje metala.

Gržetić 12

CO2 emisija antropogenog

porekla u svetu i kod

nas

Gržetić 13

SO2 emisija antropogenog porekla u svetu

Gržetić 14

Nacionalni ukupni emisioni trendovi. Emisija za sumpor (1992-

2002, 2010, 2020) prema MSC-W (Gg SO2 godišnje)*

Područje/ Godina 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2010 2020

Ruska Federacija 4033 3637 3131 2969 2774 2524 2275 2062 1997 2031 2130 2470 2019

Srbija i Crna Gora 396 401 424 462 434 522 521 355 387 394 382 277 168

Engleska 3463 3117 2676 2363 2028 1670 1607 1229 1189 1115 1002 364 224

Prirodna marinska emisija

743 743 743 743 743 743 743 743 743 743 743 743 743

Emisija iz vulkana 2235 2027 1918 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000

TOTAL 39332 36921 34291 32240 30196 28487 27086 25149 24146 23968 23944 19853 17389

Gržetić 15

(*) Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP); MSC-W -

Meteorological Synthesizing Centre - West

Nacionalni ukupni emisioni trendovi. Emisija za azotne okside

(1992-2002, 2010, 2020) prema MSC-W (Gg NOx godišnje)*

Područje/Godina

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2010 2020

Ruska Federacija

3123 3054 2667 2570 2467 2379 2488 2494 2357 2462 2566 2500 2782

Srbija i Crna Gora

189 177 166 155 155 156 156 157 158 158 158 168 173

Engleska 2566 2391 2311 2188 2190 2022 1938 1810 1718 1647 1582 1113 803

Prirodna marinska emisija

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Emisija iz vulkana

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

TOTAL 25822 24921 23824 23426 23123 22453 22159 21717 21119 20927 20858 19176 17090

Gržetić 16

(*) Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP); MSC-W -

Meteorological Synthesizing Centre - West

ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU

• Kada se polutanti (CO2, SO2, NOx) unesu u atmosferu njihova sudbina u mnogome zavisi od fizičkih procesa kao što je disperzija, transport i depozicija, kao i od vrlo kompleksnih hemijskih procesa koji se odvijaju sve vreme od momenta emisije do momenta procipitacije na površinu zemlje. Faktori koji su presudni za sudbinu polutanata su visina na kojoj se emisija odvija, količina solarne radijacije, precipitacija kao i osobine površine zemlje na koju se talože (precipituju) kisele kiše (Bubenich, 1984).

Gržetić 17

ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU

• U zavisnosti od godišnjeg doba i priroda emisije se razlikuje, zimi dominira emisija iz stacionarnih izvora –postrojenja za proizvodnju toplote i energije, dok leti dominira emisija iz pokretnih izvora – niza različitih transportnih sredstava jer je to vreme kad se najviše putuje i transportuje. Na ove sezonske razlike, pored toga, utiče i razvijenost nekog regiona. Iz ovih razloga nije sasvim jednostavno pronaći prostu korelaciju između emisije i kiselosti atmosferskog taloga. Veliki broj promenljivih kao poreklo polutanata, njihova vrsta i konverzija, njihov prenos kroz atmosferu i njihova precipitacija kompleksan je sistem koji ne može da dajednostavan odgovor i zahteva složene sisteme za modelovanje.

Gržetić 18

ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU

Gržetić 19

ŠTA SE DOGAĐA KAD POLUTANTI DOSPEJU U ATMOSFERU

Gržetić 20

VAŽNIJI HEMIJSKI PROCESI• Kao što je poznato sagorevanje fosilnih goriva

značajno doprinosi stvaranju kiselih kiša jer se pri tom u atmosferu oslobađaju značajne količine SO2. Saobraćaj je osnovni izvor azotovih oksida (NO, NO2 i NO3 koji se najčešće zbirno predstavljaju kao NOx). SO2 reaguje sa vodonik-peroksidom (H2O2) iz oblaka koji nastaje od hidroperoksi radikala (HO2) i prelazi u SO3, dok NOx reaguje sa hidroksi radikalom (OH) koji nastaje u atmosferi u fotohemijskim reakcijama. Tako nastali oksidi reaguju sa vodom dajući sumpornu (H2SO4) i azotnu (HNO3) kiselinu.

Gržetić 21

HEMIJSKE REAKCIJE

Gržetić 22

Formiranje SO2 i azotovih oksida(NOx)

U vozilima:S (u gorivima) + O2 → SO2

N2 + O2 → 2NONO + 0.5O2 → NO2

Gržetić 23

Formiranje vodonik-peroksida od lako isparljivih organskih jedinjenja (VOC):

Primer - formaldehid (HCHO)1. HCHO + hν (sa sunca)→ H + HCO2. (HCO = formil radikal)3. HCHO + O2 → CO + HO24. OH + HCHO → H2O + HCO5. HCO + O2 → HO2 + CO6. HO2 + NO → NO2 + OH7. VOC + hν (sa sunca) + HO2 (iz vazduha) → H2O2

VOC = lako isparljiva organska jedinjenja (VOC)

Gržetić 24

Formiranje kiselina: H2SO4

1. SO2 + HO2 → SO3 + OH2. SO3 + H2O → H2SO4

3. SO2 + H2O2 & O3 (iz oblaka) → H2SO4

4. SO2+ OH + O2 (iz vazduha) → H2SO4

Gržetić 25

Formiranje kiselina: HNO3

• NO + O3 → NO2 + O2

• NO2 + O3 → NO3 + O2

• NO2 + hν→ NO + O• NO2 + NO3 → N2O5

• N2O5 + H2O → 2HNO3

• NO2 + hν (sa sunca) + OH (iz vazduha) →HNO3

Gržetić 26

EFEKTI KISELIH KIŠA• Ponekad se priroda može prilagoditi kiselom

atmosferskom talogu (kiselim kišama), na primer, u područjima gde je sadržaj krečnjaka ((Ca,Mg)CO3 ili CaCO3) u zemljištu relativno visok. Kisele kiše u interakciji sa krečnjacima se lako i brzo neutrališu. Sumporna kiselina sa kalcijum-karbonatom da je dobro poznato jedinjenje, so kalcijuma i sulfatnog anjona – gips (CaSO4*aq).

1. H2SO4 + aq + CaCO3 = CaSO4*aq + H2O + CO22. H2SO4 + MgCO3 = MgSO4 + H2O + CO2

Gržetić 27

EFEKTI KISELIH KIŠA• U prirodi, na primer, neke životinje, ribe ili žabe ne mogu

da razmnožavaju ili žive u kiselim sredinama. Lišće biljaka ozbiljno je ugroženo pod dejstvom kiselih kiša.

• Uticaj kiselih kiša na sadržaj kalcijuma i magnezijuma u zemljištu vrlo je indikativan, nastajanje sulfata magnezijuma koji je rastvoran i sulfata kalcijuma (gipsa) koji je slabo rastvoran (oko 2g/dm3 kišnice) ima za posledicu da se s vremenom ovi katjoni ispiraju jzzemljišta i ostavljaju za sobom narušenu ravnotežu katjona u zemljištu. Naročito je opasan nedostatak kalcijuma jer u nedostatku kalcijuma biljke resorbuju aluminijum, a to je poguban proces za biljke.

Gržetić 28

Zdravi uslovi za biljke

• Šema pokazuje kako se iz zemljišta ispiraju katjoni i nvodomdospevaju u biljke

Gržetić 29

Nezdravi uslovi za biljke• Kiseline u kiši

prosto sprže lišće biljaka.

• U nedostatku kalcijuma biljke resorbuju aluminijum, a to je poguban proces za biljke.

Gržetić 30

Negatini efekti kiselih kiša

Gržetić 31

Negatini efekti kiselih kiša na ribe

Gržetić 32

• Mobilizacija aluminijuma iz zemljišta u kiseloj sredini ima za posledicu transport aluminijuma u vodene tokove u kojima aluminijum neretko prouzrokuje mukoznooboljenje ribljih škrga što ima fatalne posledice.

Al(OH)3 >>>>

Negatini efekti kiselih kiša

Gržetić 33

• I građevine koje je čovek sagradio stradaju od kiselih kiša jer kiseline iz padavina napadaju kamen, beton ili metal što ima za posledicu njihovu koroziju, degradaciju i razaranje.

Negatini efekti kiselih kiša• Mermer i krečnjak se degradira prema već

poznatoj reakciji:• H2SO4 + aq + CaCO3 = CaSO4*aq + H2O + CO2

• Beton se razgrađuje tako što kiseline postepenoispiraju kalcijum iz portlandita (Ca(OH)2) čime u krajnoj liniji slabe mehaničke osobijne betona.

• H2SO4 + aq + Ca(OH)2 = CaSO4*aq + 2H2O

Gržetić 34

Negatini efekti kiselih kiša

Gržetić 35

Slika dobrog betona Slika lošeg -degradiranog betona

Korozija metala

• Korozija metala je vrlo brza i vidna:• 2H2SO4 + O2 + 2Fe = 2FeSO4 + 2H2O

Gržetić 36

Gržetić 37

HVALA NA PAŽNJI !