ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ

Ν. Ανδρίτσος

2/38

Στόχος του μαθήματος - Προσέγγιση

Το μάθημα πραγματεύεται βασικά τα προβλήματα ατμοσφαιρικήςρύπανσης και τους τρόπους αντιμετώπισής τους.

Ακόμη, γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση των μεθόδωνεπεξεργασίας του βιομηχανικού νερού καθώς και μία εισαγωγήστην επεξεργασία υγρών αποβλήτων

Όλα τα θέματα που πραγματευόμαστε είναι γενικά βατά, αλλά δενεπαρκεί μόνο το βιβλίο.

Αρκετές πληροφορίες υπάρχουν και στο διαδίκτυο, αλλά προσοχή !

3/38

Ορισμοί

ΡΥΠΑΝΣΗ (pollution): η προσθήκη στο περιβάλλον (νερό, αέρα, έδαφος) ενός ήπερισσοτέρων χημικών ή φυσικών παραγόντων σε ποσότητες που είναι ή μπορείνα είναι επιβλαβείς για τον άνθρωπο, τα ζώα, τα φυτά.(Προσοχή: μόλυνση-contamination είναι η μετάδοση νοσογόνων μικροβίων, βλ. μόλυνση της Κορώνειας μαζί με ρύπανση)

Ρύπανση: υδάτινη, ατμοσφαιρική, ραδιενεργή (Αλλά και ηχορύπανση, φωτορύπανση, αισθητική ρύπανση, θερμική ρύπανση)

Αέρια Ρύπανση: χημικοί παράγοντες, βιολογικοί παράγοντες

Φυσικές Πηγές Ρύπανσης: ηφαίστεια, σκόνη με το άνεμο, αέρια (CH4) απόεκτρεφόμενα ζώα, καπνός από φυσικές φωτιές, ραδόνιο

Ανθρωπογενείς Πηγές Ρύπανσης: σκόνη και χημική από τη γεωργία και τιςμεταφορές, βιομηχανικές δραστηριότητες, καυστήρες, πτητικά βαφών και κόλλες, αυτοκίνητα κτλ.

4/38

Ορισμοί

Οι κυριότεροι αέριοι ρύποι είναι: PM10, SOx, NOx, CO, VOC, Pb

Η προέλευση των διαφόρων ρύπων ποικίλλει.

∆εν υπάρχει «γενική αέρια ρύπανση».

Από το 1980 και μετά σε πολλές αναπτυγμένες χώρες υπάρχει

σημαντική μείωση ορισμένων εκπομπών (παράδειγμα ο Pb)

5/38

Τι μπορούμε να κάνουμε ως μηχανικοί;

Να τροποποιήσουμε ή να ξανασχεδιάσουμε διεργασίες καισυσκευές με βελτιωμένη απόδοση (π.χ. αυτοκίνητα) καιλιγότερες εκπομπές ρύπων. (ΠΡΙΝ)

Να σχεδιάζουμε τρόπους ελέγχου των εκπομπών. (ΜΕΤΑ)

6/38

A. ΑΕΡΙΟΙ ΡΥΠΟΙ (~7 βδομάδες)

Ατμοσφαιρική ρύπανση, αέριοι ρύποι, αιωρούμενα σωματίδια.

Παγκόσμια υπερθέρμανση, μείωση της στιβάδας τουόζοντος, όξινη απόθεση.

Πηγές και επιδράσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

Έλεγχος της αέριας ρύπανσης: έλεγχος ΝOx, δέσμευση SOxκτλ.

Έλεγχος και απομάκρυνση σωματιδιακών ρύπων –σχεδιασμός τεχνολογιών: κυκλώνες, σακκόφιλτρα, υγράφίλτρα, πλυντρίδες, ηλεκτροστατικά φίλτρα.

Επίσκεψη: στην «ΑΓΕΤ ΗΡΑΚΛΗΣ»Επίσκεψη σε Εργαστήριο: Μέτρηση σωματιδίων στον αέραΘΕΜΑ (20% τελικού βαθμού): έρευνα σε περιβαλλοντικό θέμα σε ομάδες

των 3 φοιτητών

7/38

Β. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ - ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ (4 βδομάδες)

Ο ρόλος του νερού

Εισαγωγή στην ποιότητα και επεξεργασία του βιομηχανικούνερού: διήθηση, αποσκλήρυνση, προσθήκη χημικών, διεργασίες μεμεμβράνες (αφαλάτωση), ιοντοεναλλαγή, θερμική αφαλάτωση κτλ.

Επεξεργασία πόσιμου νερού-απολύμανση

Υγρά απόβλητα, παραγωγή και χαρακτηρισμός.

Συστήματα επεξεργασίας αστικών/βιομηχανικώναποβλήτων: φυσικοχημική επεξεργασία (εσχάρωση, κροκίδωση-καθίζηση, διήθηση, επίπλευση κτλ). βιολογικήεπεξεργασία (μονάδες ενεργού ιλύος, βιολογικά φίλτρα, βιολογικοί δίσκοι, φυσικά συστήματα επεξεργασίας), νιτροποίηση-απονιτροποίηση

Επίσκεψη: στο βιολογικό σταθμό της ∆ΕΥΑΜB ή στο βιολογικό σταθμότυροκομικής μονάδας στην Β’ Βιομηχανική Περιοχή Βόλου.

8/38

Γ. ∆ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ (2 βδομάδες)

∆ιαχείριση στερεών αποβλήτων: συλλογή, μεταφορά, υγειονομική ταφή, αποτέφρωση, κομποστοποίηση, ανακύκλωση.

Τοξικά απόβλητα, περιβαλλοντική τοξικολογία. Τεχνολογίεςεπεξεργασίας τοξικών- επικίνδυνων αποβλήτων.

∆. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ (1 βδομάδα).

9/38

C.D. Cooper and F.C. Alley, «Έλεγχος Αέριας Ρύπανσης», ΤρίτηΈκδοση, Εκδ. Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 2004.

ΒΙΒΛΙΟ

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

Ν. Ανδρίτσος, «Εισαγωγή στο Βιομηχανικό Νερό», Σημειώσεις, Π.Θ

Π. Σαμαράς, «Βιολογική Επεξεργασία Υγρών Αποβλήτων», Σημειώσεις, Π.Θ

10/38

Αν και προβλήματα ατμοσφαιρικής ρύπανσης καταγράφηκαν στηναρχαιότητα (και κυρίως στον 13ο αιώνα στην Αγγλία), οι προσπάθειεςανάλυσης και ελέγχου της ξεκίνησαν μόλις μετά το 1945.

Πριν από το 1950 δινόταν προτεραιότητα στην εργασία και τηνπαραγωγικότητα, ενώ αναφορά στον περιβάλλον γινόταν μόνο ότανθίγονταν περιουσιακά στοιχεία.

Γύρω το 1969-1970 καταγράφεται ένα σημαντικό «περιβαλλοντικόξύπνημα». Σήμερα δεν μπορούμε να το κατανοήσουμε, αλλά αυτό γίνεταιφανερό από την αντιμετώπιση από τις εφημερίδες των ίδιωνπεριβαλλοντικών προβλημάτων το 1968 και το 1970.

Στην Ελλάδα, η κίνηση αυτή ξεκίνησε βασικά μετά τη μεταπολίτευση.

Ιστορικό

11/38

Οπωσδήποτε, μέρος του δυναμισμού του αντιπολεμικού κινήματος γιατον πόλεμο στο Βιετνάμ διοχετεύθηκε στο περιβαλλοντικό κίνημα

Η ανάπτυξη των ΜΜΕ

Η αύξηση του βιοτικού επιπέδου. Αυτοί που συμμετείχαν στοοικολογικό κίνημα προέρχονταν βασικά από τη μεσαία και την ανώτερηοικονομική τάξη. Βέβαια αυτοί που συνήθως υπέφεραν από τηνυποβάθμιση του περιβάλλοντος ήταν η κατώτερη οικονομικά τάξη(αντιστοιχία στην Ν. Ορλεάνη).

Που οφειλόταν αυτό το «ξύπνημα»;

12/38

= x x

Η επίδραση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι σωρευτική και σπάνιαπαρατηρείται άμεσα (εκτός από εξαιρετικά γεγονότα, π.χ. Bhopal)

Ποτέ δε λέμε «πέθανε από ατμοσφαιρική ρύπανση», αν και σίγουρα ηρύπανση μάς παίρνει μήνες ή και χρόνια

Αλλά: αν στις πόλεις της χώρας μας τα PM10 μειώνονταν σε επίπεδα<50 μg/m3, μόνο το 2001 θα γλιτώναμε 5000 θανάτους! (Κάθε μέρα αναπνέουμε ~10000 L αέρα)

Συνειδητοποίηση της ρύπανσης

Αέριεςεκπομπές

Οικονομικήδραστηριότητα

/ άτομο

Εκπεμπόμενοιρύποι /Μονάδαοικονομικής

δραστηριότηταςΠληθυσμός

13/38

3 63

24450 (mL/mol) g mL10(μg/m ) 10 0, 0038 =0, 0038 ppmMB (g/mol) μg m

− ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= × =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

ppmC

- Μονάδες SI (ή cgs)- Αγγλοσαξωνικό σύστημαParts per million (ppm): μέρη στο εκατομμύριο (σε μmol/mol)Μάζα: g, mg, μg ανά Nm3 (π.χ. για σωματίδια ή αέριοι ρύποι)

Παράδειγμα: συγκεντρώσεις SO2: σε μg/m3 στους 293 K (25ºC) και 101,3 kPa (1 atm)Μέση τιμή: 20 μg/m3

Όριο συναγερμού: 500 μg/m3, μετρήσεις επί τρεις συνεχείς ώρες

Από τη Χημεία του Λυκείου:Στους 0ºC : 1 mole ιδανικού αερίου=22,4 L, στους 25ºC: 1 mole =24,45 L=24450 mLΕπομένως για το SO2 [MB=64]

ΜΟΝΑ∆ΕΣ

Εισαγωγικά

15/38

Ιδιότητες Αερίων

Νόμος των ιδανικών αερίων (σελ. 53-54)

TRnQPTRMWP

TRMW

MTRnVP

⋅⋅=⋅

⋅⋅=⋅

⋅⋅=

⋅⋅=⋅

&

ρ

82.057

8.314 8.314

8.314

R

P απόλυτη πίεσηV όγκοςn αριθμός γραμμομορίωνR σταθερά αερίωνΤ απόλυτη θερμοκρασίαΜW μοριακό βάρος

16/38

Η πίεση που ασκείται από τον ατμό μιας καθαρής ουσίας πουβρίσκεται σε ισορροπία με την επίπεδη υγρή (ή στερεά) επιφάνεια τηςίδιας ουσίας σε ορισμένη θερμοκρασία

Εξίσωση Antoine (Α, Β, C σταθερές)

TCBATPv +

−=)(log

Τάση ατμών (σελ. 348-351)

Pv σε mmHg και T σε oC

* Η τάση δεν πρέπει να συγχέεταιμε τη μερική πίεση του ατμούσε μίγμα αερίων

17/38

Εξίσωση Antoine (Α, Β, C σταθερές)

18/38

Ερώτηση: Ποια είναι η τάση ατμών του νερού στους 20oC;

Εξίσωση Antoine (Α, Β, C σταθερές)

19/38

1 mole O2 σε1 atm

4 moles N2

Η πίεση ενός αερίου (ή ατμού) σε ένα μίγμααερίων που θα ασκούσε εάν καταλάμβανεμόνο του τον όγκο του μίγματος

yA: γραμμομοριακό κλάσμα του συστατικού Aστο μίγμα στην αέρια φάση

PT: συνολική πίεση

Βαθμός κορεσμού(ή σχετική υγρασία)

Υπερκορεσμός: S > 1 (RH > 100%)

Μερική πίεση (σελ. 349)

TAA PyP =

)100( )(

×== SRHTPPS

v

A

Ε: ποια είναι η PO2;

20/38

Είναι σημαντική η ενεργειακή θεώρηση στις αντιρρυπαντικές τεχνολογίες;

Θερμοχωρητικότητα (ειδική θερμότητα): η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται γιανα ανυψωθεί η θερμοκρασία μιας ουσίας 1oC.

Ερώτηση: Ποιο υλικό απαιτεί περισσότερη ενέργεια για να αυξηθεί η θερμοκρασίατου κατά 1oC; Το νερό ή ο χαλκός;

∆ύο τύποι θερμοχωρητικότητας: η ειδ. θερμ. σε σταθερό όγκο, Cv, και η ειδ. θερμ. σε σταθερή πίεση, Cp.

Ενθαλπία: ουσιαστικά η ενέργεια μιας ουσίας σε σύγκριση με την ενέργεια τηςουσίας σε μια θερμοκρασία αναφοράς (25oC)

Για υγρά όπως το νερό, η λανθάνουσα θερμότητα (HL, ενέργεια εξάτμισης) θαπρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη

)( 0TTCH p −=

Ενέργεια

21/38

Οι περισσότερες αντιρρυπαντικές τεχνολογίες κοντά σε 1 atm και σε αραιάδιαλύματα

Νόμος του Henry: η συγκέντρωση ενός διαλυμένου αερίου σε ένα υγρό είναιανάλογη της μερικής πίεσης (σε σταθερή θερμοκρασία)

ή

H: πίεση/ γραμμομοριακόκλάσμα στο υγρό

H1: γραμμομοριακό κλάσμαστο αέριο / γραμμομοριακόκλάσμα στο υγρό

∆ιαλυτότητα

AA HxP =

AA xHy 1=

22/38

Ειδικές θερμότητες αερίων σε χαμηλές πιέσεις

23/38

Μίγματα αέρα/νερού (σελ. 268)

http://www.usatoday.com/weather/wsling.htm

Η κατάσταση ενός μίγματος αέρα/νερού προσδιορίζεται από την πίεση, τηθερμοκρασία και την υγρασία

Ψυχρομετρικοί χάρτες

Θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου (Dry bulbtemperature)

Θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου (Wet bulbtemperature): η θερμοκρασία ενός θερμομέτρουόταν βρίσκεται με ένα βρεγμένο πανί στηνάκρη του

Ε: γιατί η TDB είναι πάντοτε υψηλότερη από την TWB;

24/38

Ψυχρομετρικοί χάρτες

25/38

Σύνοψη

Νόμος ιδανικών αερίων – πίεση, θερμοκρασία, όγκος, γραμμομόρια

Τάση ατμών, μερική πίεση, βαθμός κορεσμού

∆ιαλυτότητα – Νόμος του Henry

Ενέργεια– (ειδική) θερμοχωρητικότητα, ενθαλπία

Μίγματα αερίων/νερού– λανθάνουσα θερμότητα, ψυχρομετρικός χάρτης

Ψύξη – αραίωση αέρα, εναλλάκτης θερμότητας

26/38

Ιδιότητες Αερίων – Σύνοψη

Πυκνότητα: μειώνεται με τη θερμοκρασία

Ιξώδες (δυναμικό): ; με τη θερμοκρασία

Ειδική θερμοχωρητικότητα Cp: σταθερή με τη θερμοκρασία

Θερμική αγωγιμότητα : αυξάνει με τη θερμοκρασία

Σταθερά Henry : αυξάνει με τη θερμοκρασία. Επομένως η

διαλυτότητα ……………;

ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ ΜΙΑΣ∆ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ

28/38

Η αλληλουχία των βημάτων από το στάδιο του προγραμματισμού μέχρι το

στάδιο του καθορισμού των προδιαγραφών του εξοπλισμού (για τον έλεγχο

της ρύπανσης)

Ο μηχανικός:Αξιολογεί τις εναλλακτικές λύσειςΕπιλέγει την καταλληλότερη με τεχνικά και οικονομικά κριτήρια

Σχεδιασμός διεργασίας (Κεφ. 2)

29/38

Σχεδιαστικά βήματα μιας διεργασίας

Προκαταρκτικόςπροσδιορισμός του

προβλήματος

Εργαστηριακήανάλυση

Τελικόςπροσδιορισμόςπροβλήματος

Προκαταρκτικάδεδομένα

Υποπρο-βλημα 1

Εναλ. 1

Εναλ. 2

Εναλ. 3

Υποπρο-βλημα 2

Εναλ. 2

Εναλ. 1

Τι τεχνολογία θαεφαρμοστεί;

π.χ. έλεγχοςσωματιδίων

30/38

Σχεδιαστικά βήματα μιας διεργασίας

Προκαταρκτικόςσχεδιασμός μιας

διεργασίας

Προκαταρκτικήεκτίμηση τουκόστους

Τελικόςσχεδιασμός

Προδιαγραφέςεξοπλισμού

Αξιολόγηση/Βελτιστοποίηση

Έναρξηλειτουργίας Κατασκευή

Λεπτομερειακήεκτίμηση

του κόστους

Από προηγούμενο

31/38

Προκαταρκτικό διάγραμμα ροής

Λεπτομερές με παρουσίαση των οργάνων και τωνσυνθηκών ρευμάτων

(Ο βαθμός λεπτομέρειας καθορίζεται από το στάδιο ανάπτυξης τηςδιεργασίας και από την επιδιωκόμενη χρήση του διαγράμματος)

Καθώς αναπτύσσεται η διεργασία, το διάγραμμα ροήςμπορεί να τροποποιηθεί για να συμπεριλάβει πρόσθετεςαπαιτήσεις

∆ιαγράμματα Ροής

32/38

Προκαταρκτικό διάγραμμα ροής

Προκαταρκτικό διάγραμμα ροής για ένα σύστημα ανάκτησης διαλύτη(τολουολίου/οξικό αιθύλιο) με προσρόφηση σε σταθεροποιημένη κλίνη άνθρακα.

33/38

Λεπτομερές διάγραμμα ροήςγια ένα σύστημα ανάκτησηςδιαλύτη (τολουολίου/οξικούαιθύλιου) με προσρόφηση σε

σταθεροποιημένη κλίνηάνθρακα. Περιλαμβάνει καιτην ξήρανση του άνθρακα με

ζεστό αέρα.

34/38

Απαιτούνται οι ροές μάζας και ενέργειας για τη διαστασιολόγηση συσκευών καιεξοπλισμού.Νόμος διατήρησης μάζας και ενέργειας

[Είσοδος] - [Έξοδος] + [Παραγωγή] = [Συσσώρευση]Για μόνιμες συνθήκες

[Είσοδος] - [Έξοδος] + [Παραγωγή] = 0Εφαρμόζεται στις περισσότερες περιπτώσεις. Εξαίρεση, οι μονάδες καύσης, οι

ξηραντήρες άμεσης φλόγας κ.ά.

Βήματα για την διενέργεια υπολογισμών:1) Σκαρίφημα-σχέδιο της μονάδας2) Προσδιορισμός-χαρακτηρισμός των ρευμάτων3) Χαρακτηρισμός των στοιχείων στο σχέδιο4) Προσδιορισμός της περιοχής ελέγχου στην οποία καταστρώνεται το ισοζύγιο5) Επιλογή κατάλληλης βάσης για τον υπολογισμό

ΙΣΟΖΥΓΙΑ Μάζας & Ενέργειας

35/38

Επίλυση εξισώσεων ισοζυγίων:

1) Για την επίλυση ταυτόχρονων εξισώσεων με n αγνώστους, απαιτούνται n(ανεξάρτητες) εξισώσεις

2) Ισοζύγιο μάζας (n συστατικά): συνολικό ισοζύγιο + (n-1) ισοζύγια συστατικών

3) Ισοζύγιο μάζας + ισοζύγιο ενέργειας: μία επιπρόσθετη ανεξάρτητη εξίσωσημπορεί να γραφεί για το συνολικό ισοζύγιο ενθαλπίας γύρω από το σύστημα

ΙΣΟΖΥΓΙΑ Μάζας & Ενέργειας

Η ελαχιστοποίηση της χρήσης ενέργειας μπορεί ναεπιτευχθεί:

1) Καλύτερος σχεδιασμός του εξοπλισμού αυξημένεςαποδόσεις

2) Καλύτερη επιλογή εξοπλισμού για «κρίσιμες» εφαρμογέςελέγχου

3) Βελτιστοποίηση της λειτουργίας του εξοπλισμού μέσωτης συχνής αξιολόγησης της απόδοσης του εξοπλισμού

36/38

Περίπτωση βάσης: η εναλλακτική λύση πουπαρέχει τα επιθυμητά αποτελέσματα ελέγχουτης ρύπανσης με το χαμηλότερο κόστος.

Πιθανόν διαφορετική από τη λύση με τιςκαλύτερες συνθήκες (π.χ. ευκολία λειτουργία, σταθερότητα, ελαχιστοποίηση συντήρησηςκτλ.). Όλα αυτά θα πρέπει να λαμβάνονταιυπόψη

Οικονομοτεχνική προσέγγιση

Απόσβεση (χρήσιμη διάρκεια+ αξία εκποίησης)Ρυθμός απόδοσης της επένδυσης: μέτροαποδοτικότητας μιας επένδυσης.Περίοδος αποπληρωμής

Τυπικές σχέσεις κόστους για φίλτραμε ύφασμα

37/38

Ανάλυση κόστους εγκατάστασης:

Άμεσο κόστος1) Κόστος εξοπλισμού (συσκευή ελέγχου, όργαναμέτρησης, φόροι, έξοδα μεταφοράς κτλ.)

2) Άμεσα κόστη εγκατάστασης (θεμελιώσεις & στηρίξεις, ανέγερση & διαχείριση, ηλεκτρολογικά, βάψιμο, μονώσεις, προετοιμασίαχώρων κτλ.)

Έμμεσο κόστος1) Έμμεσα κόστη εγκατάστασης (σχεδιασμός & επίβλεψη, έξοδα κατασκευής γηπέδου, δικαιώματα, έναρξη λειτουργίας, δοκιμέςαπόδοσης, απρόβλεπτα)

Οικονομοτεχνική προσέγγιση

Ανάλυση κόστους λειτουργίας:

Άμεσα κόστη λειτουργίας1) Εργασία

2) Κόστος επίβλεψης (~15% του λειτ. κόστους)

3) Συντήρηση (~5% της επένδυσης)

4) Παροχές (ηλεκτρισμός, ατμός, νερό κτλ.)

Έμμεσα κόστη λειτουργίας1) Γενικά έξοδα (~60%)

2) Φόροι

3) Ασφάλιστρα

4) Απόσβεση

38/38

Κριτήρια για την επιλογή συστήματος ελέγχου της αέριας ρύπανσης

Βαθμός απαιτούμενης μείωσης των εκπομπών ώστε ναπληρούνται οι προδιαγραφές

Χαρακτηριστικά της διεργασίας και των εκπεμπόμενωνρύπων

Χωρητικότητα της συσκευής, απόδοση καιπεριορισμού

Κόστος εγκατάστασης και κόστοςλειτουργίας