Λ.Τ.Κ.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ;ΣΧΟΛΗ:Τί:ΧΜ)ΛΟΓΊΑΣ IIKTPFAAIOV ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ Αί.ΡΙΟΝ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ:ΑΤΜΟΣΦΛ1ΡΙΚΗ ΡΎ ΠΑΝΣΗ ΚΛΙ ΣΜ ΧΡΟΝΈΣ ΑΝΤ1ΡΡΥΠΑΝΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΑΟΙ ΙΕΣ

ΕΠΟΠΤΗΣ ΚΑΘΗΓΠΤΗΣ:ΜΑΡΜΑΝΗΣ ΑΗΜΗΤΡΙΟΣ

ΣΠO^ ΑΑΣΤΗΣ:ΠΑΝΤΕΑΑΚΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ

ΚΑΒΑΑΑ 2009

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ

Η πτυχιακή εργασία με θέμα: "Ατμοσφαιρική ρύπανση και σύγχρονες αντιρρυτιαντικές τεχνολογίες” αποτελεί μία αναφορά στα προβλήματα που υτυάρχουν σήμερα στο τιεριβάλλον και τις επιπτώσεις αυτών στον άνθρωπο.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία γνωριμία γενικότερη με το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης όπου και ορίζεται ως πρόβλημα και μία περιγραφή των πηγών ρύπανσης, ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο καταγράφεται η διαδρομή της ατμοσιραιρικής ρύπανσης από τα παλιά χρόνια μέχρι και σήμερα.

Στη συνεχεία και στο τρίτο κεφάλαιο ασχολούμαστε με τους ρυπ»γόνους παράγοντες πρωτογενείς και δευτερογενείς και το πως επιδρούν στον άνθρωπο.

Στα κεφάλαια 4,5 και 6 το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα στερεά, βιομηχανικά και στερεά απόβλητα οπού και προτείνονται διάφοροι τρόποι αντιμετώτησης των αποβλήτων αυτών.

Στο κεφάλαιο 7 εττισημαίνονται οι μέθοδοι που πρέτιει να εφαρμοστούν για την καταπολέμηση των αέριων ρύπων. Ακόμα γίνεται μία αναφορά στους καταλύτες των αυτοκινήτων, ενώ στο κεφάλαιο 8 εστιάζουμε στην αντιμετώτηση των σωματιδιακών ρύπων με προτεινόμενα τα αντίστοιχα μέτρα και μεθόδους.

Στο τελευταίο κεφάλαιο που είναι το 9 παρουσιάζεται μία εναλλακτική αντιμετώπιση του προβλήματος με μία πρώτη επαφή και εικόνα του φυσικού αερίου που αποτελεί μία ελπιδοφόρα εξέλιξη.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ

ΣΕΑ

1.1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ............................................ 31.2. ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΠΗΓΕΣ............................................................................................ 31.3 ΜΙΑ ΠΡΩΤΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΑΗΜΑΤΟΣ: ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ.................................................................................. 61.3.1. ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΥΓΕΙΑ.......................................................61.3.2. ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΑΝΙΔΑ..... .71.3.3. ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΧΑΩΡΙΔΑ.... ..81.3.4. ΜΕΤΕΩΡΟΑΟΓΙΚΕΣ ΠΡΟΒΑΕΨΕΙΣ ..8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

2.1. ΠΡΙΝ ΤΗΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ....2.2. ΜΕΤΑ ΤΗΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ...2.3. ΠΕΡΙΟΔΟΣ 1900-1925...................................2.4. ΠΕΡΙΟΔΟΣ 1925-1950...................................2.5. ΠΕΡΙΟΔΟΣ 1950-1980...................................2.6. ΠΕΡΙΟΔΟΣ 1980 ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ.............

101011

ΚΕΦ.Λ.ΑΑΙΟ 3 ΡΥΠΟΓΟΝΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ

3.1. ΚΑΥΣΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ............................................................................................133.2. ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ............................................133.3. ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚ A (CO2) 133.4. ΥΔΡΑΤΜΟΣ (Η2Ο)............. 143.5. ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ 153.6. ΑΚΑΥΣΤΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΚΑΙ ΠΟΑΥΚΥΚΑΙΚΟΙ ΑΡΩΜΑΤΙΚΟΙΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ................................................................................................153.7. ΑΙΘΑΑΗ................................................................................. 153.8. ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ.......................................................... 163.9. ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΠΟ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ..............163.9.1. ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ 173.9.2. ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ 193.9.3. ΤΕΦΡΑ, ΣΤΕΡΕΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 203.9.4. ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΑΑΑ 223.9.5. ΑΕΡΟΑΥΜΜΑ 233.9.6. ΧΑΩΡΙΟ (CL2) 233.9.7. ΦΘΟΡΙΟ (F2) 233.10. ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΡΥΠΟΙ 24

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.....................................................................4.2 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΦΡΟΥΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΧΑΝΙΚΏΝ.....4.3 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΓΑΛΑΚΤΟΣ......................................4.4 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΚΡΕΑΤΟΣ ΠΟΥΛΕΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΙΧΘΥΩΝ...4.5 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΠΟΤΩΝ4.6 ΕΛΑΙΟΤΡΙΒΕΙΑ......4.7 ΥΦΑΝΤΟΥΡΓΕΙΑ-ΒΑΦΕΙΑ4.8 ΒΥΡΣΟΔΕΨΕΙΑ......4.9 ΧΑΡΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ4.10 ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΙ ΚΑΙ ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΕΙΑ...................................4.11 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ4.12 ΔΙΥΛΙΣΗ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ-ΠΕΤΡΟΧΗΜΙΚΑ...........................

2616η

3132

...34

...35

ΚΕΦ.\ΑΑΙΟ 5 ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ........................................................................................................5.2 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΠΤΑ...5.3 ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ...........................................5.3.1. ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ-ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ...........................5.3.2. ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ΤΑΦΗ ΑΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ5.3.3. ΛΙΠΑΣΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ................................................................................5.3.4. ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΦΡΩΣΗ.......5.3.5. ΠΥΡΟΛΥΣΗ...................................5.4 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

394141

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.........................................6.2 ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ-ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ...................6.3 ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΜΟΛΥΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ6.3.1. ΦΥΤΙΚΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ..6.3.2. ΖΩΙΚΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ....6.3.3. ΠΑΘΟΓΟΝΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ6.3.4. ΣΑΠΡΟΦΥΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ.6.4. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ6.4.1. ΔΙΑΛΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ-DO (DISSOLVED OXYGEN)6.4.2. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ- BOD (BIOLOGICALOXYGEN DEMAND).........................................................

4948494950

6.4.3. ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ-COD (CHEMICAL OXYGENDEMAND).................................................................................................................... 576.4.4. ΟΑΙΚΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΣ ΑΝΘΡΑΚΑΣ -TOC (TOTAL ORGANICCARBON).....................................................................................................................576.4.5. ΑΑΑΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΚΦΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ....... 576.5. ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ 586.6. ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΣ.... 596.7 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΑ ΥΑΙΚΑ 606.8 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ......... 616.9 ΑΥΤΟΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ I ΟΥ ΝΕΡΟΥ 61

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ

7.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ..............................................................................................................637.2 ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ...................................................................... 637.3 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΤΡΙΟΔΙΚΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ.................... 687.4 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΟΔΙΚΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ................. 707.5. ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΟΔΙΚΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ.......................................................................................................... 727.6. ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΚΑΤΑΛΥΣΗ.................................................................................................................. 737.7. ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΕΣ ΠΗΓΕΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ...................737.8. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΗΓΩΝ.......................................................................... 747.8.1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΡΥΠΩΝ........................................ 747.8.2. ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 747.8.3. ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 757.8.4. ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΕΣ............ 767.8.5. ΧΗΜΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕ ΜΗ ΡΥΠΟΓΟΝΑ ΥΛΙΚΑ (ΚΑΥΣΤΗΡΕΣ ΚΑΙΚΑΤΑΛΥΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ)............................................................................................ 767.9. ΒΑΣΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ: ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ................................................................................................ 777.10. ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ, ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣΚΑΙ ΑΠΟΤΕΦΡΩΣΗ............................................................ 777.11. ΧΗΜΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ 797.1.1.1. ΧΗΜΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ.................................. 797.1.1.2. ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ............... 827.1.1.3. ΜΗ ΣΙΔΗΡΟΥΧΕΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ 837.1.1.4. ΣΙΔΗΡΟΥΧΕΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ 84

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΣΩΜΑΤ1ΔΙΑΚΩΝ ΡΥΠΩΝ

8.1. ΓΕΝΙΚΑ..............................................................................................................868.2. ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ...............................................................................868.2.1. ΒΑΡΥΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ..............................................................................878.2.2. ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΕΚΤΡΟΠΗΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ................................... 88

8.2.3. ΚΥΚΛΩΝΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ 898.3. ΦΙΛΤΡΑ ΑΠΟ ΥΦΑΣΜΑ (ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ) 958.4. ΕΚΠΛΥΤΕΣ (ΥΓΡΑ ΦΙΛΤΡΑ)........ 988.5. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ (ESP s ) 1018.5.1. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ................................................................................1018.5.2. ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΑΕΡΙΟΥ, ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΩΜΑΉΔΙΩΝ ΚΑΙΣΥΝΕΠΑΚΟΛΟΥΘΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ........................................................... 1038.5.3. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝΦΟΡΤΙΩΝ................................................................................................................. 104

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Η ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

9.1. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ, ΜΙΑ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 10 59.2. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΑΑΑΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ........... 1069.2.1. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ................................................................ 1069.2.2. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΣΤΗΝ ΕΑΑΑΔΑ................................... 1109.2.3. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 1129.3. ΦΙΑΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΑΑΟΝ ΤΕΧΝΟΑΟΓΙΕΣ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΟΥΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ.................................................................................................... 1179.3.1. ΚΑΤΑΑΥΤΙΚΗ ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝΠΑΡΑΓΩΓΗ Η2 ή ΑΕΡΙΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗΣ (CO+H2)...............................................1179.3.2. ΔΙΜΕΡΙΣΜΟΣΉ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΘΑΝΙΟΥ (METHANE COUPLING)...... 122

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ

1.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

Η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει οριστεί με πολλούς και διαφορετικούς τρόπους. Κατά μία έννοια είναι προσθήκη κάθε υλικού (μοριακής ή σωματιδιακής φύσης) στην ατμόσφαιρα που μας περιβάλλει, η οποία θα έχει σαν αποτέλεσμα τη δηλητηρίαση της ζωής (βραχυπρόθεσμα ή μακροπρόθεσμα) πάνω στο πλανήτη. Το υλικό μπορεί να είναι ένα τοξικό αέριο με κάποια μακροχρόνια αποτελέσματα σε ένα οργανισμό που δεν είναι κατ’ ανάγκη άμεσα αντιληπτά. Μπορεί ακόμη να είναι ένα μη ορατό ραδιενεργό το οποίο έχει καταστρεττηκά αποτελέσματα στην εξέλιξη της ζωής. Ρύποι θεωρούνται επίσης οτιδήποτε υλικά είναι δυνατόν να εισέλθουν στην ατμόσφαιρα, είτε εσκεμμένα είτε διαμέσου κάποιας φυσικής διαδικασίας και να έχουν έστω και έμμεσα αποτελέσματα όπως για παράδειγμα μείωση της ατμόσφαιρας ή κάποια άλλη αλλαγή της σύστασης του αέρα.

Ένας ατμοσφαιρικός ρύπος δεν είναι απαραίτητα ανθυγιεινός με την έννοια ότι προκαλεί άμεσα αποτελέσματα στους ζώντες οργανισμούς. Η δημιουργία από διάφορα μόρια ή μικροσωματίδια ενός καλύμματος που συγκρατεί ορισμένα μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας πολύ απαραίτητα για τη ζωή στη Γη είναι επίσης μία μορφή ρύπανσης της ατμόσφαιρας. Το επικάλυμμα αυτό μπορεί επίσης να αποτρέψει την αντανάκλαση θερμότητας από τη Γη στον ουρανό με αποτέλεσμα την ενίσχυση του ήδη υπάρχοντος φαινομένου του θερμοκηπίου (Global Warming) πράγμα που θα συμβάλλει στην αλλαγή του καιρού και της θερμοκρασίας του πλανήτη, με τις επακόλουθες επιδράσεις στους ζώντες οργανισμούς. Ουσίες που καταφέρνουν να φθάσουν στο στρατοσφαρικό στρώμα του όζοντος που προστατεύει τον πλανήτη μας από την επικίνδυνη για τη ζωή υπεριώδη (UV) ακτινοβολία και να το καταστρέψουν αφορούν επίσης το θέμα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης

1.2 ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΠΗΓΕΣ

Ως κύριες πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης μπορούμε να θεωρήσουμε: α) τα μέσα μεταφοράς, β) την οικιακή θέρμανση, γ) τις διεργασίες παραγωγής ηλεκτρικής ενεργείας, δ) τις ανετηθύμητες καύσεις και ε) τις βιομηχανικές καύσεις καυσίμων και γενικότερα τις υπόλοιπες βιομηχανικές εκπομπές. Είναι δύσκολο να καθοριστεί το ποσοστό ευθύνης που αναλογεί σε κάθε μία από αυτές τις πηγές. Μία χονδρική κατανομή θα χρέωνε την συνεισφορά όλων των τύπων εσωτερικής καύσης για την κίνηση των αυτοκινήτων στο 60% της συνολικής ετήσιας εκπομπής. Οι γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνεισφέρουν κατά 10-15%, η οικιακή θέρμανση περίπου 10%, οι βιομηχανικές καύσεις και βιομηχανικές εκπομπές περίπου 20% και οι ανεπιθύμητες καύσεις περίπου 5%. Εφόσον η κοινωνία μας είναι εξελίξιμη αυτά τα προσεγγιστικά ποσοστά δεν είναι σταθερά. Μία από τις κύριες πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι οι ποίκιλες εκπομπές της Χημικής Βιομηχανίας. Εδώ παρατίθεται μία πολύ μικρή λίστα βασικών βιομηχανιών με τα επίπεδα εκπομπών ρύπων σε ετήσια βάση που πς συνοδεύουν.

• Διυλιστήρια Πετρελαίου:3,8 δισεκατομμύρια kg σωματιδιακής ύλης οξειδίων του θείου, υδρογονανθράκων, και μονοξειδίου του άνθρακα.

• Διαδικασίες τήξεως αλουμινίου, χαλκού, μολύβδου, ψευδαργύρου.3,8 δισεκατομμύρια kg σωματιδιακής ύλης και οξειδίων του θείου.

• Χυτήρια σιδήρου:3,4 δισεκατομμύρια kg σωματιδιακής ύλης και μονοξειδίου του άνθρακα

• Πολτοποίηση και επεξεργασία χαρτιού:3 δισεκατομμύρια kg σωματιδιακής ύλης μονοξειδίου του άνθρακα και οξειδίων του θείου

• Παραγωγή κωκ (χρησιμοποιείται στη χαλυβουργία): 2 δισεκατομμύρια kgσωματιδιακής ύλης, οξειδίων του θείου και μονοξειδίου του άνθρακα

• Τσιμεντοβιομηχανίες: 0,8 δισεκατομμύρια kg σωματιδιακής ύλης.• Μονάδες παρασκευής φωσφορούχων λιπασμάτων: 284 εκατομμύρια kg σωματιδιακής

ύλης και ενώσεων του φθορίου.

Είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι το 1970 ο μέσος όρος των δαπανών των βιομηχανιών για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ήταν μόλις σε ποσοστό 1,7% των συνολικών δαπανών τους. Το ποσοστό αυτό αυξήθηκε σημαντικά την επόμενη δεκαετία. Σήμερα πολλές βιομηχανίες ξετιερνούν το ετιίπεδο του 5-10%. Μία πρόχειρη κατηγοριοποίηση των ρύπων που εκπέμπονται καθημερινά στο περιβάλλον, με σκοπό την ευχερέστερη αξιολόγηση του συνολικού προβλήματος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι η ακόλουθη:

• Μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα (CO, CO2)• Οξείδια του θείου (SO, SO3) και ενώσεις που τιεριέχουν θείο (OCS, CH3SCH3)• Οξείδια του αζώτου (Ν2Ο και ΝΟχ: NO, ΝΟ2) και ΝΗι• Οργανικές ενώσεις που περιέχουν άνθρακα (CH4 υδρογονάνθρακες και γενικότερα

τηητικές οργανικές ενώσεις VOCs).• Σωματιδιακή ύλη.

Οι ρύποι αυτοί χαρακτηρίζονται ως πρωτογενείς υπό την έννοια ότι έτσι ακριβώς εκπέμπονται από τις ττηγές.

Πίνακας 1: Οι κυριότεροι ρύποι και οι ττηγές τους

ΠΗΓΗ ΡΥΠΟΣ (εκατομμύριο τόνοι/έτος)

CO S02, S03 NO, ΝΟ2 H/C Σωματίδια ΣύνολαΜΕΤΑΦΟΡΕΣ:

Αυτοκίνητο 67,3 0,3 7,0 12,7 0,7 88,0Αλλα 3,9 0,1 1,0 1,0 0,5 6,6

Σύνολο 71,2 0,4 8,0 13,8 1,2 94,6

ΚΑΥΣΕΙΣΠαρ. Ηλεκτρικής

Ενέργειας 0,1 14,0 3,5 2,3 19,9Βιομηχανία 0,3 5,5 3,1 0,1 3,0 12,0

Οικιακή θέρμανση 1,3 1,8 0,5 0,6 0,4 4,6Αλλα 0,2 0,7 0,4 0,3 1,6

Σύνολο 1,9 22,0 7,5 0,7 6,0 38,1

ΕπεξεργασίαΣτερεών

Αποβλήτων 4,5 0,1 0,7 1,4 1,2 77,9Διάφορες κατεργασίες 7,8 7,2 0,2 3,5 5,9 24,6

Διάφορα 1,2 0,6 0,2 4,2 0,4 6,6Σύνολα 86,6 30,3 16,6 23,6 14,6 172,8

Οι τρεις πρώτες κατηγορίες αφορούν συγκεκριμένους ρύπους ενώ οι δύο τελευταίεε περιλαμβάνουν ένα πολύ μεγάλο αριθμό διαφορετικών ενώσεων και υλικών. Από τον πίνακα 1 μπορούμε να δούμε ότι το περισσότερο μονοξείδιο του άνθρακα παράγεται από τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Η μεγαλύτερη ποσότητα των οξειδίων του θείου (S02. S O i) προέρχεται από τις μονάδες παραγωγής ενέργειας και βιομηχανίες. Το μεγαλύτερο ποσοστό οξειδίων του αζώτου (ΝΟ2ΝΟ) προέρχεται από τις μηχανές εσωτερικής καύσης ενώ η καύση καυσίμων κατέχει τη δεύτερη θέση. Το μεγαλύτερο ποσοστό σωματιδιακών εκπομπών και εκπομπών υδρογονανθράκων οφείλεται επίσης στις μηχανές εσωτερικής καύσης αλλά μεγάλες εκπομπές παρατηρούνται και σε βιομηχανικές μονάδες .Η εκπομπή σωματιδίων είναι κυρίως συνδεδεμένη με χημικές βιομηχανίες και διεργασίες καύσης. Έχει υπολογιστεί ότι 200.000.000 kg μολύβδου εκπέμπονται ετησίως μόνο από τα αυτοκίνητα των Η.Π.Α. στην ατμόσφαιρα. Δεδομένης της σημερινής μας γνώσης για τις σοβαρότατες επιδράσεις του μολύβδου στην ανθρώπινη υγεία μιπορεί κάποιος να πάρει μία πρώτη γεύση της σοβαρότητας του προβλήματος.

1.3 MIA ΠΡΩΤΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ TOY ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ; ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

1.3.1 Επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία

Το μονοςείδιο τοτ) άνθρακα: Είναι ένας βέβαιος συντελεστής για καρδιακά προβλήματα. Σε ήπιες συγκεντρώσεις προκαλεί δημιουργία λιπαρού σώματος στα αιμοφόρα αγγεία. Σε μεγαλύτερες ακαριαία το θάνατο. Η δράση του είναι προσθεηκή. Επιδρά στο κεντρικό σύστημα ακόμα και σε συγκεντρώσεις της τάξης των λίγων ppm (10 ppm).

Οι τέσσερις κυριότερες πηγές μονοξειδίου του άνθρακα για το αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου είναι το κάπνισμα οι εξατμίσεις των αυτοκινήτων και γενικότερα οι διεργασίες καύσης. Είναι μέχρι στιγμής ο σημαντικότερος ρύπος της ατμόσφαιρας και ίσως ο πιο δύσκολος να απομακρυνθεί. Υπολογίζεται ότι 94.000.000 τόνοι μονοξειδίου του άνθρακα ανά έτος παράγονταν στις Η.Π.Α. τα μέσα της δεκαετίας του 60.Οι 67.000.000 τόνοι από αυτούς προέρχονταν από τα αυτοκίνητα. Πυρκαγιές δασών και μη τεχνικές πηγές προσθέτουν 8,6 εκατομμύρια τόνους στο συνολικό πρόβλημα.

Το μονοξείδιο του άνθρακα επιδρά στο κεντρικό νευρικό σύστημα ακόμα και σε συγκεντρώσεις της τάξης των λίγων ppm (lOppm). Αυτό το εττίπεδο αντιστοιχεί στο σχηματισμό περίπου 2% καρβοξυ-αιμοσφαιρίνης (κατεστραμμένης αιμοσφαιρίνης) στο κυκλοφοριακό σύστημα, μετά από παρατεταμένη έκθεση πάνω από οκτώ ώρες. Υπάρχουν στοιχεία ότι η κυκλοφορία του οξυγόνου στο αίμα επηρεάζεται όταν το εττίπεδο της καρβοξυ- αιμοσφαιρίνης φτάσει περίπου το 5%, και αυτό προκαλείται όταν η συγκέντρωση του μονοξειδίου του άνθρακα στον αέρα είναι 30 ppm. Τα εττίπεδα του μονοξειδίου του άνθρακα σε αστικές περιοχές συχνά φτάνουν τα 50 ppm και μπορεί να αυξηθούν μέχρι και 140 ppm για μικρό χρονικό διάστημα σε περίπτωση έντονης κυκλοφοριακής δραστηριότητας. Το κάπνισμα μπορεί να δημιουργήσει πάνω από το 15% της καρβοξυ-αιμοσφαιρίνης στο αίμα. Τα οςείδια του θείου: (S02 και SOi), τα οποία γενικά παράγονται από την καύση ορυκτών καυσίμων με μεγάλες περιεκτικότητες σε θείο συμβάλλουν με περίπου 24.000.000 τόνους κατά έτος στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Το φυσιολογικό κατώτατο όριο έκθεσης σε διοξείδιο του θείου σε διάστημα πάνω από οκτώ ώρες είναι περίπου 5 ppm.

Στις διεργασίες τήξεως των μεταλλευμάτων της βαριάς μεταλλουργικής βιομηχανίας το εττίπεδο του S02 μπορεί να αυξηθεί έως και 30 ή 40 φορές πάνω από το όριο για μικρά χρονικά διαστήματα, και αν αυτές οι υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου παγιδευτούν με μία αντιστροφή της ροής των εκπομπών όταν αυτές εξέλθουν από τις καμινάδες σε ένα στάσιμο ετηφανειακό στρώμα αέρα τα αποτελέσματα μπορεί να είναι σοβαρά ετηκίνδυνα. Υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου είναι τοξικές για τον ανθρώπινο οργανισμό και μπορούν να προκαλέσουν το θάνατο. Συνηθέστερες είναι οι περιπτώσεις σοβαρών αναπνευστικών νοσημάτων όπως το εμφύσημα.

Τα οξείδια του αζώτου: Συμβάλλουν κατά 10.000.000 τόνους ετησίως (μόνο στις Η.Π.Α.) στην ατμοσφαιρική ρύπανση και γενικά βρίσκονται σε πολύ χαμηλότερες συγκεντρώσεις από το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του θείου. Ενώ τα άμεσα αποτελέσματα τους στην ευζωία του ανθρώπου δεν είναι εντελώς ξεκάθαρα αυτό που είναι τηο ατττό είναι το γεγονός της πρόκλησης δυσχερειών στη λειτουργία της αναπνοής και στον ερεθισμό των ματιών. Τα οξείδια του αζώτου είναι από τους κύριους συντελεστές στο σχηματισμό του φωτοχημικού νέφους εξαιτίας φωτοχημικών ανπδράσεων στην ατμόσφαιρα στις οποίες συμμετέχει. Τα τελευταία χρόνια ειηρρίπτονται στα ΝΟ.χ (=ΝΟ + Ν θ 2) όλο και

περισσότερες ευθύνες για αλλοιώσεις του οργανισμού και ως εκ τούτου ο έλεγχος τους γίνεται αυστηρότερος. Από την άλλη πλευρά το θεωρούμενο αθώο Ν2Ο τουλάχιστο σε λογικές συγκεντρώσεις βρέθηκε να συμβάλλει σημαντικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου επιδρώντας έτσι έμμεσα στον παράγοντα ζωή στον πλανήτη.

Οι υδρογονάνθρακε;: Εφόσον υπάρχουν εκατοντάδες πτητικών υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα, προερχόμενοι τόσο από εκπομπές της βιομηχανίας της αυτοκίνησης ή άλλων εφαρμογών, όσο και από την ίδια τη φύση είναι δύσκολο να γενικευθούν οι ετηδράσεις τους στον ανθρώτηνο οργανισμό. Εντούτοις οι υδρογονάνθρακες είναι γνωστό ότι έχουν πολλές και ποικίλες αρνητικές επιδράσεις στους ζώντες οργανισμούς. Πολλοί υδρογονάνθρακες είναι καρκινογόνοι και πρέτιει να αποφεύγεται η με οποιονδήποτε τρόπο εισαγωγή τους στους ζώντες οργανισμούς είτε δια μέσου της αναπνοής είτε δια μέσου της τροφικής αλυσίδας.

Τα σωαατίδια τη; ύλ,ης: Είναι βλαβερά για το αναττνευστικό σύστημα του ανθρώπου και γενικότερα των ζώντων οργανισμών, Η άμεση τοξικότητα ή μη κάποιου σωμαπδιακού ρύπου σχετίζεται με την πηγή προέλευσης του.

Η λήψη τοξικών ουσιών όπως οι ατμοί υδραργύρου ή ενώσεις υδραργύρου σε σωματιδιακή μορφή μπορούν να προκαλέσουν απευθείας βιοχημικές αντιδράσεις στον οργανισμό. Η πιο συνηθισμένη μορφή σωματιδιακής ύλης στην ατμόσφαιρά είναι ανόργανη και μη τοξική (σκόνη). Αυτό βέβαια δε σημαίνει ότι είναι και μη βλαβερή. Τέτοιες ουσίες λαμβάνονται μέσω του ανατινευστικού σωλήνα και ετηκάθονται στους ττνεύμονες προκαλώντας σταδιακά συσσώρευση.

Η πνευιιονοκονίαση: Είναι μία συνηθισμένη αρρώστια για αυτούς που δουλεύουν στα ορυχεία και στις τσιμεντοβιομηχανίες. Το οίδημα των μαύρων πνευμόνων που είναι μία μορφή πνευμονοκονίασης συνηθίζεται στους εργαζόμενους στα ορυχεία άνθρακα. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα σωματίδια ύλης έχουν το κατάλληλο μέγεθος ώστε να ενσφηνώνονται στις μεμβράνες των πνευμόνων, μειώνοντας έτσι τη δυνατότητα αποβολής τους είτε μέσω της εκτινοής είτε μέσω των υγρών του σώματος. Ως αποτέλεσμα οι ττνεύμονες εμφανίζουν μειωμένη ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου στο κυκλοφοριακό σύστημα, προκαλώντας δυσκολία της αναπνοής και πρόωρο θάνατο.

1.3.2. Επιδράσεις στην πανίδα

Εάν αναλογιστούμε ότι όλοι οι συνηθισμένοι ρύποι έχουν αρνητικά αποτελέσματα στην ευημερία και στη ζωή του ανθρώπου είναι απλό να υποθέσουμε ότι θα έχουν παρόμοια επίδραση και στα ζώα που έχουν παραπλήσια φυσιολογία με τον άνθρωπο. Θα πρέπει να δεχτούμε αξιωματικά ότι τα ζώα που ζουν σε πυκνοκατοικημένες περιοχές έχουν πιο σύντομη ζωή από αυτά που ζουν μακριά βιομηχανικές περιοχές και πυκνοκατοικημένες περιοχές της Γης. Η ελάττωση του πληθυσμού ή ακόμα και αυτή η πλήρης εξαφάνιση διαφόρων άγριων ζώων και πουλιών συνδέονται πολλές φορές με το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ίσως η πιο επιβλαβής δραστηριότητα που σχετίζεται άμεσα με τη ετηβίωση των ζώων είναι η αδιάκριτη χρήση των θανατηφόρων εντομοκτόνων. Και αν ακόμη οι αέριοι ρύποι δεν απορροφηθούν άμεσα από το δέκτη εισέρχονται στον οργανισμό διαμέσου της τροφικής αλυσίδας εφόσον αυτοί θα επικαθήσουν στην βλάστηση ή θα απορροφηθούν από αυτήν. Η ατμοσφαιρική ρύπανση μολύνει και τους υδάτινους ορίζοντες και μάλιστα σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από τις πηγές της.

1.3.3. Επιδράσεις στην χλωρίδα

Η ατμοσφαιρική ρύπανση ετηδρά στα φυτά με δύο τρόπους. Άμεσα υπό την επίδραση κάποιου σοβαρού επεισοδίου ρύπανσης ή μακροπρόθεσμα εξαιτίας μακρόχρονης έκθεσης της χλωρίδας σε αυξημένα επίπεδα ρύπων. Η σταδιακή αλλαγή των κλιματολογικότν παραγόντων λόγω ατμοσφαιρικής ρύπανσης ετηφέρει ετήσης τις δικές της ετηδράσεις: Μετατόπιση των εύκρατων ζωνών, δημιουργία παρατεταμμένης ξηρασίας ή έντονιον καταστροφικών βροχοπτώσεων και τυφώνων. Βασικοί πρωτογενείς ρύποι που σχετίζονται με σοβαρές επιδράσεις στην χλωρίδα είναι το διοξείδιο του θείου (SO2) και το υδροφθόριο (HF). Οι κυριότεροι δευτερογενείς ρύποι είναι το όζον (Οι) και το νιτρικό υπεροξείδιο του αζώτου, CH3COO2NO2 (PAN). Η ζημιά που προκαλείται από το διοξείδιο του θείου στα φυτά ή στα δέντρα μπορεί να είναι οξεία ή χρόνια. Οξεία ζημιά συμβαίνει όταν ο ρύπος απορροφάται από το φυτό με γρήγορο ρυθμό και χρόνια όταν το φυτό μένει εκτεθειμένο για μεγάλο διάστημα σε χαμηλά επίπεδα ρύπου Η βλάστηση επηρεάζεται όταν τα επίπεδα του διοξειδίου του θείου υπερβούν τα 0,5 ppm. Συχνά η βλάστηση καταστρέφεται ολοσχερώς σε περιοχές οπού λειτουργούν μονάδες φρύξης ορυκτών οπού οι συγκεντρώσεις του διοξειδίου του θείου είναι υψηλές. Στην πραγματικότητα στην γειτονία τέτοιων μονάδων υπάρχουν ελάχιστα αν όχι καθόλου φυτά. Η ύπαρξη S02 στην ατμόσφαιρα συνδέεται άμεσα και με το φαινόμενο της όξινης βροχής που είναι αιτία μαζικών καταστροφών της βλάστησης κυρίως των δασών.

Το φθόριο το οποίο προέρχεται από διάφορες πηγές αλλά κυρίως από την παρασκευή φθοριούχων λιπασμάτων και την βιομηχανία αλουμινίου έχει προσθετικού τύπου καταστρεπτικά αποτελέσματα στα φυτά. Το φθόριο στην ατμόσφαιρα βρίσκεται συνήθως με τη μορφή υδροφθορίου (HF) ή τετραφθοριούχου ττυριτίου (SiF4) και αυτό απορροφάται αμέσως από τα φύλλα του φυτού προκαλώντας το νέκρωμα των ιστών των φύλλων. Το πρόβλημα με το φθόριο είναι ότι ακόμα και συγκεντρώσεις πολύ μικρότερες των 0,5 ppm μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές βλάβες.

Το όζον της τροπόσφαιρας είναι ένας τυπικός δευτερογενής παράγοντας. Η κύρια αιτία υψηλών συγκεντρώσεων σε όζον στην κατώτερη ατμόσφαιρα σχετίζεται με τη φωτοχημική αντίδραση των οξειδίων του αζώτου και των υδρογονανθράκων που εκπέμπονται από τα αυτοκίνητα και τις βιομηχανίες. Ο βαθμός σχηματισμού του εξαρτάται από το τύπο και τη συγκέντρωση του υδρογονάνθρακα στην ατμόσφαιρα καθώς επίσης από τη συγκέντρωση του οξειδίου του αζώτου και το χρόνο έκθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία. Το όζον πλήττει τα φυτά τόσο έντονα όσο και το διοξείδιο του θείου. Τα κωνοφόρα δέντρα είναι ιδιαίτερα επιρρεπή στις επιδράσεις του όζοντος εφόσον οι συγκεντρώσεις ακόμα και κάτω από 0,5 ppm προκαλούν αλλοιώσεις.

Ο άλλος δευτερογενής ρύπος το νιτρικό υπεροξείδιο του αζώτου (PAN) είναι ένα μέλος μίας σειράς ενώσεων οι οποίες παράγονται αρχικά από αντιδράσεις μη κορεσμένων υδρογονανθράκων με οξείδια του αζώτου παρουσία φωτός. Όπως συμβαίνει και με το όζον ο χρόνος έκθεσης στην ττηγή ακπνοβολίας ελέγχει την ποσότητα του PAN που θα παραχθεί. Φυσικές πηγές υδρογονανθράκων όπως τα τερπένια που εκπέμπονται από κωνοφόρα δέντρα όταν βρίσκονται σε γειτονικές περιοχές με πηγές οξειδίων του αζώτου (αστικές περιοχές) μπορούν να παράγουν PAN. Συγκεντρώσεις PAN 0,2 ppm και ο χρόνος έκθεσης μερικών ωρών είναι ικανοί παράγοντες για πρόκληση έντονης ζημιάς στη βλάστηση.

1.3.4. Μετεωρολογικές επιδράσεις

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα που σχετίζονται με την ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η επίδραση της στις κλιματολογικές συνθήκες. Μακρόχρονες προσεκτικές παρατηρήσεις αποδεικνύουν το γεγονός τέτοιων εκτεταμένων μετεωρολχιγικών επιδράσεων. Η βροχή, το χαλάζι και το χιόνι είναι αποτέλεσμα υγροποίησης και κρυστάλλωσης υδρατμών τιάνω σε ττυρήνες μικροσωματιδιακής ύλης. Αυξανόμενης λοιπόν της μόλυνσης του αέρα από σωματιδιακούς ρύπους στις αστικές περιοχές προκαλεί σημαντική αύξηση των βροχοπτώσεων στις περιοχές αυτές. Έχει αποδειχθεί ότι η υπερβολική εττιβάρυνση της ατμόσφαιρας με σωματιδιακή ύλη μπορεί να προκαλέσει και τα ακριβώς αντίθετα αποτελέσματα. Φαινόμενα δηλαδή λειψυδρίας. Πυκνές ομίχλες αλλά και βίαιες καταιγίδες καθώς και θύελλες είναι άμεσα συνδεδεμένες σε πολλές περιοχές με την ατμοσφαιρική ρύπανση. Σε αστικές περιοχές μία παρατηρούμενη σημαντική επαύξηση της μέσης ελάχιστης θερμοκρασίας (μέχρι 5 βαθμούς ) έχει αποδοθεί στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Το νέφος των ρύπων δρα σαν κουβέρτα πάνω από μία πόλη. Παράλληλα έχουμε και μία σοβαρή μείωση της ηλιοφάνειας σε αυτές τις περιοχές.

ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

2.1 ΠΡΙΝ ΤΗΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ

Αναφορές για ανυπόφορες καταστάσεις σχετιζόμενες με την ατμοσφαιρική ρύπανση βρίσκουμε από πολύ παλιά. Ο Ρωμαίος φιλόσοφος Σενέκας περιγράφει με αποστροφή την κατάσταση της ατμόσφαιρας της Ρώμης που ετηβάρυναν οι καπνοδόχοι και άλλες δυσάρεστες εκπομπές. Η ατμοσφαιρική ρύπανση που προερχόταν από τη καύση ξύλων θεωρήθηκε πολύ σοβαρή στην Αγγλία και παρακινούμενος από την κατάσταση αυτή ο John Evelyn το 1661 υπέβαλε μία σειρά μέτρων που είναι εφαρμόσιμα μέχρι και σήμερα. Οι πρώτες βιομηχανίες που συνδέθηκαν με το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ήταν η μεταλλουργία τα κεραμικά και η συντήρηση ζωικών προϊόντων. Η εξόρυξη χαλκού και χρυσού και το ψήσιμο πυλού χρονολογείται πριν το 4000 π.Χ. Αργότερα περίπου το 1000 π.Χ. μπήκε στη ζωή του ανθρώπου και το επεξεργασμένο δέρμα.

2.2 ΜΕΤΑ ΤΗΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2

Η βιομηχανική επανάσταση ήρθε ως επακόλουθο της χρήσης του ατμού στην παραγιογή ενέργειας και την κίνηση μηχανών. Αυτό ξεκίνησε στα πρώτα χρόνια του 18°” αιώνα όταν ο Savery, ο Papin και ο Newcomen σχεδίασην αντλίες οι οποίες το 1784 τελειοποιήθηκαν στην παλινδρομική ατμομηχανή η οποία κυριάρχησε μέχρι που αντικαταστάθηκε από τις τουρμτιίνες ατμού του 20°“ αιώνα

Κατά τη διάρκεια του μεγαλύτερου μέρους του 20°“ το κυρίαρχο καύσιμο ήταν το κάρβουνο παρότι χρησιμοποιήθηκε και κάποια ποσότητα πετρελαίου στο τέλος του αιώνα. Το σοβαρότερο πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης του 19°“ αιώνα ήταν ο κατινός και ιπτάμενη τέφρα από την καύση του κάρβουνου και του πετρελαίου στους καυστήρες των μονάδων παραγωγής ενέργειας στους ατμοκινητήρες στα πλοία και στα τζάκια των στητιών. Στη μεγάλη Βρετανία το 1856 ψηφίστηκαν νόμοι για επιβολή ποινών στην περίπτωση εκπομπής καπνού από φούρνους ή άλλες πηγές, ενώ στις Η.Π.Α. οι πρώτοι εθνικοί νόμοι και κανόνες για περιορισμό του καπνού εμφανίζονται στα 1880 και επικεντρώνονται στις βιομηχανικές και ναυτιλιακές παρά στις οικιακές ττηγές.

2.3 ΠΕΡΙΟΔΟΣ: 1900-1925

Κατά την περίοδο 1900-1925 υπήρξαν μεγάλες αλλαγές σε τεχνολογία και παραγωγή ρύπων. Βασική αλλαγή ήταν η ανηκατάσταση της ατμομηχανής από τον ηλεκτρικό κινητι'ιρα που ουσιαστικά μετέφερε τις εκπομπές καπνού και ιπτάμενης τέφρας από τον καυστιίρα του κάθε ενός εργοστασίου και των δρόμων πόλης στον χώρο σταθμού

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αντικατάσταση σε πολλές συσκευές και διεργασίες του κάρβουνου από το πετρέλαιο μείωσε τις εκπομπές της ιπτάμενης τέφρας , ενώ σημαντική αλλαγή ήταν η ραγδαία αύξηση στον αριθμό των αυτοκινήτων

Οι βασικές τεχνολογικές αλλαγές της περιόδου 1900-1925 στην ανάπτυξη της Μηχανικής για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ήταν; α) η βελτιστοποίηση συσκευών ετιεξεργασίας των καυσαερίων στην έξοδο των τιηγών που επέτρεψε την δημιουργία μεγάλης κλίμακας συστημάτων επεξεργασίας καπναερίων β) η ανακάλυψη του ηλεκτροστατικού φίλτρου (ESP) και γ) η ανάπτυξη της Χημικής Μηχανικής στον τομέα της ανάλυσης του σχεδιασμού και ελέγχου των διεργασιών.

2.4 ΠΕΡΙΟΔΟΣ: 1925-1950

Σε αυτήν την περίοδο προέκυψαν τα προβλήματα της ατμοσφαιρικής ρύτιανσης όπως περίπου τα γνωρίζουμε και σήμερα αλλά αναπτύχθηκαν και μέθοδοι αντιμετώπισής τους. Στα 1940 πρωτοεμφανίζεται το φωτοχημικό νεφρό στο Λος Αντζελες το οποίο μετέτιειτα παρατηρήθηκε σε πολλές μεγαλουπόλεις μη εξαιρετέας της Αθήνας. Το πρώτο εθνικό συνέδριο ατμοσφαιρικής ρύπανσης στις Η.Π.Α. έγινε στην Καλιφόρνια το 1949 και η πρώτη Τεχνολογική Συνδιάσκεψη για την ατμοσφαιρική ρύπανση έγινε στην Ουάσιγκτον το 1950. Ένα σοβαρό τεχνολογικό άλμα της περιόδου αυτής ήταν η μεταφορά του φυσικού αερίου με αγωγούς και όπου έγινε αυτό οδήγησε στην ραγδαία αντικατάσταση του κάρβουνου και του πετρελαίου που χρησιμοποιούνταν για την θέρμανση των σπιτιών με σημαντική βελτίωση του αέρα. Τα πετρελαιοκίνητα τραίνα άρχισαν να αντικαθιστούν αυτά του ατμού. Τα λεωφορεία με μηχανές εσωτερικής καύσης άρχισαν να αντικαθίστανται από τα λεωφορεία που κινούνταν με ηλεκτρισμό. Το αυτοκίνητο συνέχισε να πολλαπλασιάζεται.

2.5 ΠΕΡΙΟΔΟΣ: 1950-1980

Κατά την διάρκεια αυτών των δεκαεπών σχεδόν όλες οι Ευρωπαϊκές Χώρες καθώς επίσης η Ιαπωνία, η Αυστραλία και η Νέα Ζηλανδία γνώρισαν σοβαρή ρύπανση της ατμόσφαιρας των μεγαλουπόλεων τους. Έτσι αυτές οι χώρες πρωτοστάτησαν στην θέσπιση εθνικών νομοθεσιών για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το 1964 ιδρύθηκε η διεθνής οργάνωση για την πρόληψη της ατμοσφαιρικής ρύπανσης (IUAPPA: the Union of Air Pollution Prevention Associations). To τεχνολογικό ενδιαφέρον κατά την διάρκεια αυτών των 30 χρόνων επικεντρώθηκε στην ατμοσφαιρική ρύπανση που προκαλείται από τα αυτοκίνητα και τον έλεγχο της, στην ρύπανση από τα οξείδια του θείου και την απομάκρυνση τους, στον έλεγχο αερίων που εκλύονται από σταθερές πηγές, στην αποθείωση των καυσίμων καθώς επίσης και στον έλεγχο των οξειδίων του αζώτου που παράγονται από διεργασίες καύσης. Οι προβλέψεις για την ατμοσφαιρική ρύπανση και την αλληλεπίδραση της με τα καιρικά φαινόμενα ήρθε μεταγενέστερα. Το 1980 αναπτύχθηκαν και άρχισαν να εξελίσσονται μαθηματικά μοντέλα για την πρόβλεψη της εξέλιξης της μόλυνσης και των επιδράσεων της σε καιρικά φαινόμενα, ενώ δόθηκαν και οι βάσεις για τον προσδιορισμό της φωτοχημείας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

2.6 ΠΕΡΙΟΔΟΣ: 1 3 ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ

Το αξιοσημείωτο της δεκαετίας του 1980 ήταν η κατανόηση της ανάγκης για ανάτττυξη οικολογικής ή τιεριβαλλοντικής συνείδησης και ουσιαστικής προσέγγισης του προβλήματος. Η πιο μεγάλη αλλαγή στις Η.Π.Α. στην δεκαετία του 1990 ήταν η ψήφιση των βελτιώσεων για τον καθαρό αέρα (Clean Air Act Amendements). Στα 1990 τονίστηκε από τα μέσα μαζικής ενημέρωσης η ανάγκη για εττίλυση δύο ξεχωριστών αλλά με άμεση σχέση παγκοσμίων προβλημάτων: ϊ) το πρόβλημα των ανεξέλεγκτων παγκόσμιων κλιματολογικών αλλαγών και ϋ) το πρόβλημα της καταστροφής του όζοντος της στρατόσφαιρας. Η συνδιάσκεψη Κορυφής για τον πλανήτη τον Ιούνιο του 1992 απλοί υπέδειξε το μέγεθος της ανησυχίας. Το άλλο παγκόσμιο περιβαλλοντικό πρόβλημα η καταστροφή του όζοντος της στρατόσφαιρας ήταν λιγότερο αμφιλεγόμενο και πιο επίκαιρο. Η καταστροφή του στρώματος του όζοντος προκαλείται κυρίως από την έκλυση στην ατμόσφαιρα των χλωροφθορανθράκων (CFCS) και παρόμοιων χημικών ουσιών που ανεβαίνουν στην στρατόσφαιρα και καταλύουν την καταστροφή του όζοντος. Η μείωση στο στρατοσφαιρικό όζον θα επιτρέπει την διέλευση μεγαλύτερων ποσοτήτων υπεριώδης ακτινοβολίας (UV) προς την Γη, με αποτέλεσμα την αύξηση των ποσοστών ασθενείας των ανθρώπων συμπεριλαμβανομένης της αύξησης των περιπτώσεων καρκίνου του δέρματος του καταρράκτη και της πιθανής καταστολής του ανοσοποιητικού συστήματος. Το πρωτόκολλο του Μόντρεαλ τον Ιούλιο του 1987 κατέληξε σε μία διεθνή συνθήκη στην οποία τα αναπτυγμένα βιομηχανικά κράτη συμφώνησαν να μειώσουν την παραγωγή των περισσοτέρων καταστροφικών για το όζον χλωροφθορανθράκων μέχρι το 2000.

ΡΥΠΟΓΟΝΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3

3.1 ΚΑΥΣΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

Αν εξαιρέσουμε τα πυρηνικά καύσιμα όλα σχεδόν τα συμβατικά καύσιμα αποτελούνται κυρίως από χημικές ενώσεις δύο στοιχείων, του άνθρακα και του υδρογόνου δηλαδή από υδρογονάνθρακες . Για να καεί ένα καύσιμο πρέπει να βρεθεί σε μία υψηλή θερμοκρασία που είναι απαραίτητη για την ανάφλεξη του και να υπάρχει αρκετό οξυγόνο (02). Η ανάφλεξη ενός καυσίμου είναι τόσο ευκολότερη όσο μεγαλύτερο είναι το μέρος του Η2 που περιέχει. Το απαραίτητο 02 για την καύση μόνο σε ειδικές περιπτώσεις προσφέρεται σαν αυτούσιο 02. Σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιούμε αέρα για την καύση (πού περιέχει 02 σε αναλογία όγκου 21%). Κατά την καύση ενός καυσίμου εκτός από τη θερμότητα δημιουργείται και μία σειρά ρύπων.

3.2 ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ

Ρύποι που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα διεισδύουν άμεσα στον ανθρώτηνο οργανισμό κατά ένα μικρό ποσοστό μέσω των βλεννογόνων των ματιών και μέσω του δέρματος. Κατά κύριο τρόπο όμως οι ρύποι διεισδύουν στον ανθρώπινο οργανισμό μέσω του αναττνευστικού συστήματος δηλαδή μέσω της μύτης ή και μέσω του στόματος, του λάρυγγα, της τραχείας, των βρόγχων και των πνευμόνων. Όσο μικρότερο είναι το σωματίδιο τόσο πιο βαθιά εισχωρεί. Αν ο ρύπος είναι αέριο τότε το πόσο βαθιά εισχωρεί και εναποτίθεται στο αναπνευστικό σύστημα εξαρτάται από την διαλυτότητα του αερίου στο νερό. Αέριοι ρύποι που διαλύονται εύκολα στο νερό, διαλύονται στα υγρά των βλεννογόνων οργάνων του ανώτερου αναπνευστικού συστήματος και απορροφώνται εκεί προσβάλλοντάς τα. Αντίθετα αέριοι ρύποι που δεν διαλύονται στο νερό εισχωρούν μέχρι τα όργανα του κατώτερου αναπνευστικού προσβάλλοντάς τα. Φθάνοντας μέχρι τους πνεύμονες και ειδικά στις πνευμονικές κυψελίδες είναι δυνατόν να περάσουν μέσω της μοριακής διάχυσης στο λεμφικό σύστημα και στο κυκλοφοριακό σύστημα του αίματος. Αέριοι ρύποι που αντιδρώντας με νερό δημιουργούν διάφορα οξέα πιστεύεται ότι διαλυόμενοι στα υγρά των βλεννογόνων τοιχωμάτων των αναπνευστικών οργάνων διεγείρουν νευρικά κύτταρα που προξενούν ποικίλες ανπδράσεις όπως φτέρνισμα, βήχα και λαχάνιασμα.

3.3 ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (C02)

Το C02 αν και όχι άμεσα τοξικό αποτελεί ένα τεχνολογικό εκτεταμένης κλίμακας απόβλητο με έμμεσες ετηδράσεις στην εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη και ως εκ τούτου θα το κατατάξουμε στους αέριους ρύπους. Τα αποτελέσματα της εκπομπής C02 είναι μιακροπρόθεσμα.

Εκτιμάται μία ετήσια εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα της τάξης των 10” τόνων ανά έτος από διεργασίες βιολογικής αποσύνθεσης, που έχουν ως αρχή την παραγωγή μεθανίου. Στο ποσό αυτό συνεισφέρουν ανθρωπογενείς δραστηριότητες με ένα ετήσιο ποσό της τάξης

των 10‘“ τόνων. ‘Έτσι έχουμε μία σταθερή αύξηση της ατμόσφαιρας που τιαράγεται από τις ποικίλες διεργασίες καύσης. Σύμφωνα με μερικούς επιστήμονες το C02 της ατμόσφαιρας μπορεί και να διπλασιαστεί στο άμεσο μέλλον. Το προβλεπόμενο αποτέλεσμα της αύξησης αυτής είναι η ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηττίου. Το φαινόμενο αυτό συνεπάγεται μία σταδιακή αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης που θα προκαλέσει ευρείας κλίμακας κλιματολογικές αλλαγές με τηθανό λιώσιμο των πάγων, πλημμυρίζοντας παράκτιες περιοχές και γενικότερα μεταβάλλοντας την ισορροπία στον πλανήτη.

Ωστόσο πρέπει να αναφέρουμε και ένα άλλο φαινόμενο που είναι ετήσης συνέτιεια της καύσης των στερεών καυσίμων και πετρελαιοειδών και το οποίο δημιουργεί αντίθετα αποτελέσματα από αυτά του θερμοκηπίου. Η ατμοσφαιρική καττνομίχλη και η σωματιδιακή ύλη, προϊόντα και αυτά της καύσης, μπορούν να προκαλέσουν ελαφρά ψύξη της ατμόσφαιρας λόγω παρεμπόδισης της ηλιακής ακτινοβολίας προς την Γη. Ποιος από τους δύο παράγοντες θα επικρατήσει είναι θέμα επιστημονικής αναζήτησης. Στις μέρες μας υπάρχει συστηματική παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών ετηπέδων του C02 σε παγκόσμια κλίμακα και έως σήμερα κυρίως ακαδημαϊκής φύσεως συζητήσεις για τον περιορισμό των εκπομπών του αρχίζουν να παίρνουν μέρος σε τραπέζια διαπραγματεύσεων των χωρών μελών του ΟΗΕ με σκοπό την λήψη σοβαρών μέτρων.

Από την άλλη πλευρά είναι γνωστή η σημασία του C02 για την ζωή σε αυτόν τον πλανήτη. Τα φυτά χρειάζονται το C02 για την φωτοσύνθεση. Με άλλα λόγια ολόκληρη η τροφική αλυσίδα από την οποία εξαρτάται ο άνθρωπος βασίζεται σε αυτό. Ετησης αν και είναι προϊόν απόρριψης κατά την ανατινοή των ζώων και συνεπώς τοξικό σε υψηλές συγκεντρώσεις, ένα ορισμένο ποσοστό του διεγείρει την αναπνοή.

Το φυηκό βασίλειο δείχνει να ωφελείται με αυξήσεις του C02 και ορισμένοι το χρησιμοποιούν στα θερμοκήπια για να αυξήσουν την σοδειά τους. Φαίνεται λοιπόν να υπάρχουν και άμεσα οφέλη από την αύξηση του ατμοσφαιρικού C02 δεν θα πρέπει να παρασυρόμαστε όμως. Μία περαιτέρω ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη κατά 1-2 Κ εξαιτίας του φαινομένου του θερμοκηττίου ενδέχεται να έχει τρομακτικές συνέπειες στο παγκόσμιο κλίμα.

3.4 ΥΔΡΑΤΜΟΣ (Η2θ)

Κατά την καύση του καυσίμου όπως ο άνθρακας C έτσι και το υδρογόνο (Ηι) ενώνεται με το οξυγόνο (02) και δημιουργεί ένα νέο αέριο τον υδρατμό (Η2θ) ελευθερώνοντας έτσι ένα επιπλέον ποσό θερμότητας, κάτι που ήταν βέβαια ο σκοπός της καύσης. Ο υδρατμός στις ποσότητες που δημιουργείται δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Αν οι συνέπειες της καύσης ήταν μόνο το C02 και ο Η2θ δεν θα υπήρχε πρόβλημα. Δυστυχώς όμως υπάρχουν τρεις λόγοι για τους οποίους κατά την καύση εκτός από το C02 και τον Η2θ δημιουργείται μία σειρά ρύπων. Ο πρώτος λόγος είναι ότι σχεδόν ποτέ η καύση δεν είναι τέλεια. Ο δεύτερος λόγος είναι ότι ανεξάρτητα από το αν η καύση είναι τέλεια ή όχι μόνο επειδή ο αέρας που χρησιμοποιείται για την καύση θερμαίνεται δημιουργούνται οξείδια του αζώτου. Ο τρίτος λόγος είναι ότι τα καύσιμα μπορούν να περιέχουν εκτός από τον C και το Η2 και άλλες προσμίξεις οι οποίες όπως ο C και το Η2 ενώνονται κατά την καύση με το 02 του αέρα σχηματίζοντας μία σειρά ρύπων.

3.5 ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ TOY ΑΝΘΡΑΚΑ

To μονοξείδιο του άνθρακα (CO) είναι ένα άχρωμο και άοσμο αέριο ελάχιστα διαλυτό στο νερό και αναφλέξιμο. Είναι ένας από τους μαζικότερα παραγόμενους ρύπους. Υπολογίζεται ότι 102 εκατομμύρια τόνοι παρήχθησαν στις Η.Π.Α. μονάχα το 1968 που ισούται με το άθροισμα όλων των άλλων ρύπων που παρήχθησαν εκείνη την χρονιά. Περίπου οι 60 εκατομμύρια τόνοι από αυτό το ποσό προέρχονται από τα οχήματα.

Γενικά στις αστικές περιοχές η κύρια ποσότητα του CO προέρχεται από την ατελή καύση των υδρογονανθράκων που χρησιμοποιούνται ως καύσιμα στα αυτοκίνητα σε ποσοστό περίπου 71% ενώ κατά κάποιο μικρότερο ποσοστό συνεισφέρουν οι βιομηχανικές κατεργασίες και η καύση των στερεών αποβλήτων. Αυτή η ατελής καύση συμβαίνει όταν υπάρχει ανεπαρκής ποσότητα οξυγόνου ή χρόνου για την πλήρη μετατροπή τιον υδρογονανθράκων και ανθράκων σε C02 (πλήρη καύση). Οι βενζινοκινητήρες (μηχανές εσωτερικής καύσης) βασίζονται στην σχεδόν στιγμιαία καύση (υπό μορφή έκρηξης) ενός μίγματος αέρα.

Η παραγωγή CO αντί για C02 κατά τις καύσεις έχει ετιίσης ως αποτέλεσμα την απώλεια των % της διαθέσιμης θερμικής ενέργειας. Οι οικιακές μονάδες θέρμανσης παράγουν συγκριτικά περισσότερο CO ανά ποσότητα καταναλισκόμενου καυσίμου, αλλά εντούτοις όλες οι στάσιμες πηγές καύσης προσθέτουν μόνο κατά 10% στο συνολικό CO που παράγεται. Η παγκόσμια έκλυση CO την προηγούμενη δεκαετία ανερχόταν σε περίπου 300 εκατομμύρια τόνους/ημέρα αποκλειστικά σχεδόν παραγόμενη στο βόρειο ημισφαίριο.

3.6 ΑΚΑΥΣΤΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΚΑΙ ΠΟΛΥΚΥΚΛΙΚΟΙ ΑΡΩΜΑΤΙΚΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ

Τα περισσότερα καύσιμα αποτελούνται από ενώσεις του άνθρακα (C ) και του υδρογόνου (Η) δηλαδή από υδρογονάνθρακες CxHy όπου χ και y παίρνουν διάφορες τιμές (π.χ. μεθάνιο CH4, βενζόλιο ΟόΗό). Όταν η ανάμειξη του καυσίμου και του αέρα στη φλόγα δεν είναι ικανοποιητική μπορεί να διαφύγει ένα μέρος του καυσίμου με τα καυσαέρια δίχως να καεί. Έτσι μπορεί να καταλήξουν στην ατμόσφαιρα άκαυστοι υδρογονάνθρακες. Ο πλέον επικίνδυνος αντιπρόσωπος είναι το βενζόλιο (CaHe) που αποδεδειγμένα μπορεί να προκαλέσει καρκίνο .Όταν ένα καύσιμο καίγεται με έλλειψη του απαραίτητου οξυγόνου τότε μπορεί κατά την καύση να δημιουργηθούν μετά από θερμική διάσπαση (πυρόλυση) του καυσίμου νέοι υδρογονάνθρακες που δεν υπήρχαν αρχικά στο καύσιμο. Μία ομάδα από αυτούς οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) είναι επικίνδυνοι γιατί ένα μέρος αυτών είναι γνωστοί ως καρκινογενείς όπως το Βενζοπυρένιο (C20H12).

3.7 ΑΙΘΑΛΗ

Όταν ένα καύσιμο καίγεται με έλλειψη του απαραίτητου οξυγόνου και επικρατούν συγχρόνως υψηλές θερμοκρασίες στην βάση της φλόγας τότε μπορεί να δημιουργηθεί αιθάλη (καττνός) που αποτελείται από στοιχειώδη άνθρακα και εν μέρει από υδρογονάνθρακες. Ό σχηματισμός αιθάλης υπό τις ανωτέρω συνθήκες είναι πιο τηθανός όσο η σχέση άνθρακα/υδρογόνου (C/H) του καυσίμου είναι μεγαλύτερη. Η αιθάλη που σχηματίζεται στις μηχανές ντίζελ είναι σωματιδιο-φορέας για τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες που σχηματίζονται επίσης στις μηχανές ντίζελ. Ως εκ τούτου η αιθάλη των μηχανών ντίζελ είναι ύποπτη για τη δημιουργία καρκίνου αφού είναι φορέας πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων που όπως αναφέρθηκε είναι καρκινογόνοι.

3.8 ΟΞΕΙΔΙΑ TOY ΑΖΩΤΟΥ

Ο αέρας αποτελείται κυρίως από 78% άζωτο (Ν2) και 21% οξυγόνο (Ο2) κατ’όγκο. Το υπόλοιπο 1% είναι ίχνη άλλων ουσιών. Όταν ο αέρας ζεσταθεί (έστω και μόνος του μέσα σε ένα δοχείο) στους περίπου 1100“ C ενώνονται με το Ν2 και το 02 σε ένα αέριο το μονοξείδιο του αζώτου (NO). Αν λοιπόν κατά τη διάρκεια της καύσης ενός καυσίμου έχουμε θερμοκρασίες άνω των περίπου 1100“ C τότε δημιουργείται από το Ν2 και το 02 του αέρα NO. Το NO αυτό ονομάζεται θερμικό NO εν αντιθέσει με το NO του καυσίμου. Το NO αυτό καθαυτό δεν μπορεί να δημιουργήσει ιδιαίτερα προβλήματα στο περιβάλλον. Κύρια αρνητική ιδιότητα του είναι ότι αν με την αναττνοή καταλήξει μέσω των τινευμόνων στο αίμα ενώνεται πιο εύκολα απ’ότι το θ 2 με την αιμοσφαιρίνη του αίματος αλλά πιο δύσκολα απ’ότι το μονοξείδιο του άνθρακα CO. Το πρόβλημα με το NO είναι κυρίως ότι σταδιακά μετατρέπεται όλο σε διοξείδιο του αζώτου (Νθ2) το οποίο μπορεί να δημιουργήσει περισσότερα προβλήματα στο περιβάλλον.

Η μεταβολή του NO σε Ν θ2 μπορεί να αρχίσει από το τέλος της καύσης και ολοκληρώνεται μετά την πάροδο ωρών έως και ημερών στην ατμόσφαιρα. Αν το Ν θ 2 έχει ήδη σχηματιστεί περί το τέλος της καύσης το αναγνωρίζουμε από το καφετί χρώμα των καυσαερίων στην έξοδο της καμινάδας.

Το άθροισμα του NO και του Ν θ 2 ονομάζεται ΝΟχ. Επειδή δε αργά ή γρήγορα όλο το NO μεταβάλλεται στην ατμόσφαιρα σε Ν θ 2 η ποσότητα του αθροίσματος του NO και του Ν θ2 δηλαδή του ΝΟχ καθορίζεται σαν Ν θ2. Τα προβλήματα που μπορεί να δημιουργήσει το Ν θ2 στον άνθρωπο και στο περιβάλλον είναι:

• Ερεθισμός των ματιών και των αναπνευστικών οργάνων. Επειδή έχει μικρή διαλυτότητα στο νερό φτάνει όταν το εισπνεύσει κάποιος μέχρι τα όργανα του κάτω αναπνευστικού συστήματος δηλαδή τους βρόγχους και τους πνεύμονες. Εκεί διαλυόμενο στο υγρό που εκκρίνεται από τους βλεννογόνους δημιουργεί νιτρικό οξύ και μπορεί να τα προσβάλει. Ιδιαίτερα κινδυνεύουν ασθματικοί και μικρά παιδιά.

• Είναι μία από τις κύριες αιτίες της δημιουργίας της όξινης βροχής. Το Ν θ 2 στην ατμόσφαιρα ενώνεται με τους υδρατμούς και σχηματίζεται νιτρικό ο ^ το οποίο αν δεν απορροφηθεί από επιφάνειες απορροφάται από τις σταγόνες της βροχής καθιστώντας την βροχή όξινη.

• Στην ατμόσφαιρα υπό την επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να παίξει ιδιαίτερο ρόλο κατά τον σχηματισμό της φωτοχημικής ρύπανσης.

• Σε μεγάλες ποσότητες μπορεί να προξενήσει ευτροφία του εδάφους όπου πολλές φορές παρατηρούνται μεγάλες αλλαγές των συστημάτων χλωρίδας.

3.9 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΠΟ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

Τα προϊόντα της καύσης από προσμίξεις του καυσίμου συναντώνται κυρίως σε μεγάλες εγκαταστάσεις όπου καίγονται φτηνά καύσιμα όπως π.χ. λιγνίτης λιθάνθρακας πετρέλαιο αλλά με διάφορες προσμίξεις.

Όταν ο άνθρωπος καίει ένα καύσιμο επιθυμεί τη δημιουργία θερμότητας η οποία προέρχεται από την καύση των στοιχείων κυρίως άνθρακα (C ) αλλά και υδρογόνου (Η2). Τα καύσιμα όμως μπορούν να περιέχουν και άλλα στοιχεία εκτός του C και του Η2 όπως το π.χ. θείο δηλαδή θειάφι (S) άζωτο (Ν2) τα οποία δίχως αυτός να είναι ο σκοπός της καύσης

καίγονται εττίσης δημιουργώντας καινούριες ουσίες που μπορούν να βλάψουν τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Οι ουσίες αυτές είναι;

3.9.1. Ενώσεις του θείου

Σχεδόν όλα τα καύσιμα περιέχουν άλλα περισσότερο και άλλα λιγότερο ένα στοιχείο το θείο (S) κοινώς θειάφι. Η ποσότητα του S που υπάρχει στα καύσιμα εξαρτάται από το είδος του καυσίμου και τον τρόπο προέλευσης του. Στον πίνακα 1 αναγράφεται το ποσοστό του θείου που υπάρχει σε διάφορα καύσιμα ( σε βάρος εττί τοις εκατό). Οι τιμές αυτές είναι μέσοι όροι. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του S που περιέχεται στα καύσιμα το συναντάμε στα καυσαέρια στις εξής μορφές.

α) Διοξείδιο του θείου (SOz)

Όπως κατά την τέλεια καύση του C ενός καυσίμου προκύπτει COz έτσι και κατά την τέλεια καύση του S προκύπτει διοξείδιο του θείου (SOz). Το SOz είναι ένα άχρωμο αέριο με οξεία οσμή. Αν λάβουμε υπόψη τόσο τις ποσότητες SOz που εκπέμπονται στον αέρα όσο και τις επιπτώσεις που έχει το SOz τόσο στον άνθρωπο όσο και στο περιβάλλον μπορεί να θεωρηθεί ως κυριότερος ρύπος στην ατμόσφαιρα. Οι κυριότερες ετηπτώσεις του SOz:

1. Λόγω της μεγάλης διαλυτότητας του στο νερό (μεγαλύτερη από την διαλυτότητα του ΝΟζ) διαλύεται στις εκκρίσεις των βλεννογόνων σχηματίζοντας το ελαφρύ θειώδες οξύ (HzSOi). Έτσι μπορεί να προσβάλλει τους βλεννογόνους των ματιών και των οργάνων του άνω αναπνευστικού συστήματος δηλαδή της μύτης του στόματος του λάρυγγα της τραχείας και των πρωτευόντων βρόγχων. Οι εξογκωμένοι βλεννογόνοι έχουν σα συνέπεια την αύξηση της αντίστασης της ροής του αέρα που ανατινέουμε με αποτέλεσμα τη δύστινοια. Η βλαβερή αυτή ενέργεια του SOz ενασχύεται αν το SOz συνυπάρχει με ένα άλλο ρύπο τα ψιλά αιωρούμενα σωματίδια. Τότε το SOz με τις εκκρίσεις των βλεννογόνων και προσκολλημένο στα ψιλά αιωρούμενα σωματίδια φτάνει μέχρι τα όργανα του κάτω αναπνευστικού, τους τερματικούς βρόγχους και πνεύμονες έχοντας όμως μεταβληθεί στο ισχυρότερο (σε σχέση με το θειώδες) θειικό οξύ (HzS04). Μέχρι τα όργανα του κάτω αναπνευστικού συστήματος (τερματικούς βρόγχους και πνεύμονες) μπορεί να εισχωρήσει το SOz είτε όταν υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση στον αέρα είτε μετά από βαθιά εισπνοή.

Πίνακας 1: ΠΟΣΟΣΤΟ ΘΕΙΟΥ ΚΑΙ ΤΕΦΡΑΣ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΙ ΥΓΡΑ ΚΑΥΣΙΜΑ

Καύσιμο(Προέλευση) Θείο (S)

Βάρος επί τοις εκατό ΤέφραΒάρος ετή τοις εκατό

ΛιγνίτηςΕλλάδα: Πτολεμαΐδα 0,43 16,0

Μεγαλούπολη 1,95 14,5

Γερμανία: 1,3 6,8

ΛιθάνθρακαςΕλλάδαΓερμανία 1,7 8.8

ΠετρέλαιοΗ.Π.Λ., Ρωσία, Ρουμανία 1,0Βενεζουέλα, Μεξικό, Περού 2,0Εγγύς και Μέση Ανατολή 3,75

2. Είναι μία από τις κύριες της Όξινης Βροχής η οποία δημιουργείται από το S02 με δύο τρόπους. Με τον ένα τρόπο το αέριο SCh αντιδρά υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με άλλα αέρια σχηματίζοντας θεϊκό οξύ (H2SO4). Με τον άλλο τρόπο το αέριο S02 οξειδώνεται απ’ευθείας στις σταγόνες της βροχής σχηματίζοντας θεϊκό οξύ (H2S04).

3. Το S02 είναι ο ρύπος του οποίου η τοξικότητα στα φυτά έχει ερευνηθεί τιερισσότερο από οποιοδήποτε άλλο. Έτσι είναι γνωστό ποια είναι η συγκέντρωση του SCh στην ατμόσφαιρα πάνω από την οποία δημιουργούνται προβλήματα στα διάφορα είδη φυτών. Το S02 σε μικρή συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα προκαλεί ελάττωση της δραστηριότητας του μεταβολισμού των φυτών. Σε μεγαλύτερη συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα φτάνει μέχρι και την νέκρωση των φύλλων των φυτών.

β) Τριοξείδιο του Θείου (SOs)

Κατά την διάρκεια της καύσης των καυσίμων ή και στα κανάλια των εγκαταστάσεων που περνούν τα καυσαέρια μέχρι να φτάσουν στην ατμόσφαιρα μπορεί ένα μέρος του διοξειδίου του θείου (SO2) να οξειδωθεί σε τριοξείδιο του θείου (SOs). Το S03 μαζί με τον υδρατμό (Η2Ο) δημιουργεί το ισχυρό θεϊκό οξύ (H2SO4) γι’αυτό και είναι τοξικότερο του S02. Περίπου το 1 ως 4% του S02 μεταβάλλεται σε S03.

Στη ρύπανση της ατμόσφαιρας σπάνια έπαιξε ρόλο το S03. Πρέπει να είναι πολύ προβληματική η καύση ενός καυσίμου για να έχουμε « βροχή θεϊκού οξέως » στο περιβάλλον μίας καπνοδόχου. Αν ασχολούμαστε με το S03 αυτό έχει σχέση κυρίως με το ότι διαβρώνει τα κανάλια από τα οποία περνούν τα καυσαέρια.

γ) Υδρόθειο (H2S)Όταν η καύση δεν είναι τέλεια ( π.χ. επειδή δεν υπάρχει ο απαιτούμενος αέρας ) τότε από τις ενώσεις του θείου μπορεί να προκόψει στα καυσαέρια σκέτο θείο (S) ή υδρόθειο (IfcS). Όι ποσότητες του H2S που παράγονται κατά την καύση είναι σε σύγκριση με το παραγόμενο SO2 πολύ μικρές. Το χαρακτηριστικό του H2S είναι η μυρωδιά του που μοιάζει με αυτή του κλούβιου αυγού. Έτσι επειδή η ενοχλητική μυρωδιά του γίνεται αντιληπτή σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις στον ατμοσφαιρικό αέρα, μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα και σε πολύ μικρές εκπομπές (από 0,002 mg H2S/m αέρα) Το H2S είναι η αιτία για την ενοχλητική μυρωδιά από αυτοκίνητα με καταλύτη. Η εκπομπή H2S στα καυσαέρια αυτοκινήτου μπορεί να περιορισθεί μειώνοντας το ήδη μικρό ποσοστό θείου (S) στη βενζίνη.

3.9.2. Ενώσεις του Αζώτου (ΝΌχ)

Τόσο το πετρέλαιο όσο και το κάρβουνο περιέχουν οργανικές ενώσεις του αζώτου (Ν2). Το άζωτο (Ν2) αυτών των οργανικών ενώσεων ενώνεται με το οξυγόνο (Ό2) κατά την καύση του καυσίμου δημιουργώντας μονοξείδιο του αζώτου (ΝΌ)

Το (ΝΌ) αυτό ονομάζεται «ΝΌ του καυσίμου» για να το ξεχωρίζουμε από το «θερμικό ΝΌ» που σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες από το άζωτο (Ν2) και το οξυγόνο (Ό2) του αέρα κατά την καύση των καυσίμων.

Εν αντιθέσει με το «θερμικό ΝΌ» το «ΝΌ του καυσίμου» σχηματίζεται ήδη σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πλην όμως μόνο ένα μέρος του αζώτου (Ν2) που υπάρχει στο καύσιμο υπό την μορφή οργανικών ενώσεων του αζώτου μετατρέπεται σε «ΝΌ του καυσίμου».

Καύσιμα με μεγαλύτερο ποσοστό αζώτου (Ν2) (υπό την μορφή οργανικών ενώσεων του αζώτου) δημιουργούν περισσότερο «ΝΌ του καυσίμου» απ’ότι τα καύσιμα με μικρότερο

ποσοστό (Ν2). Έτσι εξηγείται γιατί το « NO του καυσίμου» είναι τκρισσότερο όταν καίμε κάρβουνο απ’ότι όταν καίμε τιετρέλαιο και όταν καίμε πετρέλαιο τιερισσότερο, απ’ότι όταν καίμε αέριο.

Βεβαίως και το «ΝΟ του καυσίμου» μεταβάλλεται γρήγορα (όπως το «θερμικό ΝΟ») σε διοξείδιο του αζώτου (Νθ2) και τα δύο αυτά αέρια ( ΝΟ και ΝΟ2) ονομάζονται αθροιστικά ΝΟχ.

Το «ΝΟ του καυσίμου» μπορεί να δημιουργείται διαφορετικά απ’ότι το «θερμικό ΝΟ» δεν παύουν όμως τα δύο αυτά ΝΟ να είναι η ίδια χημική ένωση. Έτσι οι επιπτώσεις των ΝΟ είναι ίδιες όπως ίδιες είναι και οι ετατιτώσεις των δύο Ν θ 2

3.9.3. Τέφρα. Στερεά σωματίδια

Ορισμένα καύσιμα (κυρίως τα στερεά) περιέχουν ορυκτά συστατικά ( κυρίως αλουμίνιο, σίδηρο, ασβέστιο, πυρίτιο και μαγνήσιο).Αυτά τα συστατικά δεν καίγονται κατά την καύση του καυσίμου αλλά τα συναντάμε στα προϊόντα της καύσης υπό την μορφή της τέφρας (στάχτης).

Οι μεγαλύτεροι σε ηλικία θα θυμούνται σίγουρα ότι όταν έκαιγαν κάρβουνο σε «μαγκάλια» ή «σόμπες» έπρεπε κάθε τόσο να απομακρύνουν μία μεγάλη ποσότητα τέφρας. Στον πίνακα 1 αναγράφεται και το ποσοστό της τέφρας που προέρχεται από την καύση διαφόρων καυσίμων (σε βάρος επί τοις εκατό). Έτσι αν π.χ. κάψουμε 100 κιλά λιγνίτη Γερμανίας θα δημιουργηθούν 6,8 κιλά τέφρας. Οι τιμές του πίνακα 1 είναι μέσοι όροι.

Το μεγαλύτερο μέρος της τέφρας που παράγεται κατά την καύση κάρβουνου στα λεβητοστάσια μεγάλης ισχύος πέφτει στο κάτω μέρος του λέβητα απ’ όπου απομακρύνεται. Ένα άλλο μέρος οδεύει προς την καπνοδόχο μέσω των ηλεκτροστατικών φίλτρων τα οποία συγκρατούν το μεγαλύτερο μέρος της τέφρας. Τέλος ένα μικρό μέρος εγκαταλείπει την εγκατάσταση μέσω της καπνοδόχου σαν <απτάμενη τέφρα» δηλαδή υπό την μορφή στερεών σωματιδίων.

Μέχρι τώρα περιγράψαμε τους ρύπους σαν προϊόντα της καύσης των καυσίμων και αναφέραμε τις επενέργειες τους στο περιβάλλον ανεξάρτητα από την προέλευση τους. Και πράγματι οι επενέργειες τους στο περιβάλλον π.χ. του αέριου ρύπου του θείου (SCh) είναι ανεξάρτητες από το εάν το S02 προήλθε από την καύση ενός καυσίμου ή από μία άλλη διαδικασία της χημικής βιομηχανίας ή από μία έκρηξη ηφαιστείου.

Λίγο διαφορετική είναι η περίπτωση των στερεών ρύπων π.χ. της ιπτάμενης τέφρας που όπως αναφέρθηκε παραπάνω αποτελείται από στερεά σωματίδια και επομένως ανήκει στην ειδική κατηγορία ρύπων των «στερεών σωματιδίων» (κοινώς σκόνης). Τα στερεά σωματίδια στην ατμόσφαιρα προέρχονται από μία μεγάλη κατηγορία ρυπαντών. Παραδείγματα είναι: Καύση καυσίμων (ιπτάμενη τέφρα και αιθάλη), τρόχισμα μετάλλων και γυαλιού, επεξεργασία ξύλου, ανθρακωρυχεία, λατομεία, για την εξόρυξη και επεξεργασία πέτρας μαρμάρου, εργοτάξια και μεταφορά μπαζών, διακίνηση υλικών, κυκλοφορία οχημάτων με αποτέλεσμα την εκπομπή στερεών σωματιδίων από τα ελαστικά, το οδόστρωμα, τα φρένα τους συμπλέκτες, γεωργικές εργασίες. Υπάρχουν όμως και φυσικοί ρυπαντές στερεών σωματιδίων όπως π.χ. ηφαίστεια φυτά (πόλοι γύρης) διάβρωση του εδάφους υπό την επίδραση του ανέμου. Επιπλέον σε μία χώρα σαν την Ε3Ϊλάδα με περίοδο ξηρασίας περισσοτέρων μηνών είναι πολύ σημαντική η «επαναιώρηση» στερεών σωματιδίων» δηλαδή η επιστροφή στην ατμόσφαιρα (υπό την επίδραση είτε του ανέμου είτε της κυκλοφορίας οχημάτων) σκόνης που είχε ήδη αποτεθεί στο έδαφος.

Τα στερεά σωματίδαχ (σκόνη) γενικά τα διακρίνουμε ανάλογα με το μέγεθος τους σε δύο κατηγορίες. Ο διαχωρισμός έχει σχέση με το αν τα σωματίδια αιωρούνται στην ατμόσφαιρα ή γρήγορα αποτίθενται στο έδαφος.

Τα σωματίδια μεγάλου μεγέθους (σαν μέγεθος αναφέρεται απλοποιημένα η διάμετρος τους) τα ονομάζουμε «αποτιθέμενα σωματίδια». Το χαρακτηριστικό αυτών των σωματιδίων είναι ότι γρήγορα αποτίθενται στο έδαφος και οπωσδήποτε δεν περνούν με την αναπνοή στον οργανισμό του ανθρώπου και των ζώων. Έτσι τα σωματίδια αυτά αποτιθέμενα τιάνω σε απλωμένα ρούχα , στα αυτοκίνητα στα μπαλκόνια το πολύ-πολύ να προκαλέσουν ενόχληση στον άνθρωπο.

Τα σωματίδια μικρού μεγέθους συμπεριφέρονται στην ατμόσφαιρα περίπου σαν αέριο δηλαδή αιωρούνται. Για το λόγο αυτό τα σωματίδια μικρού μεγέθους ονομάζονται «αιωρούμενα σωματίδια». Μετρήσεις έχουν δείξει ότι μπορούν να αιωρούνται πολλές μέρες. Είναι φανερό όη ανάλογα με το μέγεθος τους μπορούν να αιωρούνται λιγότερες ή περισσότερες μέρες .Δεν εκπλήσσει λοιπόν όη το μέγεθος (απλοποιημένα) της διαμέτρου των σωματιδίων κάτω από το οποίο τα σωματίδια θεωρούνται αιωρούμενα διαφέρει ανάλογα με τον ορισμό. Ένας συνήθης ορισμός είναι ότι τα αιωρούμενα σωματίδια έχουν διάμετρο μικρότερη των 30μπι. Αναττνέοντας λοιπόν αέρα που περιέχει αιωρούμενα σωματίδια είναι δυνατόν αυτά να περάσουν από τη ρινική κοιλότητα ,τον φάρυγγα, τον λάρυγγα,την τραχεία και να φτάσουν μέχρι τους βρόγχους και τους πνεύμονες. Τα μικρότερα σωματίδια μπορούν να φτάσουν μέχρι τις πνευμονικές κυψελίδες να διαπεράσουν τα τοιχώματα τους και να εισέλθουν στην κυκλοφορία του αίματος και στο λεμφικό σύστημα.

Ευτυχώς όμως το αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου διαθέτει στις άνω αναπνευστικές οδούς ένα σύστημα φιλτραρίσματος του αέρα. Έτσι αιωρούμενα σωματίδια διαμέτρου 5-10μπι προσκολλώνται στους βλεννογόνους της ρινικής ή και στοματικής κοιλότητας και μπορούν να απομακρυνθούν με απόχρεμψη ή με τις ρινικές εκκρίσεις. Βλεννογόνο διαθέτουν και οι βρόγχοι έτσι ώστε τα μικρότερα αιωρούμενα σωματίδια που φτάνουν εκεί προσκολλώνται στους βλεννογόνους. Στους βρόγχους όμως υπάρχει μία διαρκής κίνηση βλέννας που προωθεί τα προσκολλημένα σωματίδια προς τα επάνω οπότε φτάνοντας μέχρι το φάρυγγα καταπίνονται και απομακρύνονται από τον οργανισμό μέσω του πεπτικού συστήματος.

Αν τα αιωρούμενα σωματίδια περιέχουν μόνο ορυκτά συσταηκά που προαναφέρθηκαν δεν είναι υποχρεωτικό να δημιουργήσουν προβλήματα στην υγεία του ανθρώπου δηλαδή στο αναπνευστικό σύστημα ή και σε άλλα όργανα μέσω της κυκλοφορίας του αίματος ή του λεμφικού συστήματος. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις που τα αιωρούμενα σωματίδια είναι πολύ επικίνδυνα για την υγεία του ανθρώπου. Μερικά παραδείγματα είναι;

• Αν τα σωματίδια περιέχουν ραδιενεργά στοιχεία που μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο.• Αν τα σωματίδια είναι ιννώδη όπως τα σωματίδια αμιάντου μπορούν να δημιουργήσουν

σε αντίστοιχες συγκεντρώσεις καρκίνο κυρίως των βρόγχων αλλά και του περιτοναίου των πλευρών και του στομάχου καθώς και του πεπτικού συστήματος.

• Αν τα σωματίδια έχουν εναποθηκεύσει πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAHs) π.χ. σωματίδια αιθάλης με βενζοπυρένιο μπορούν να δημιουργήσουν καρκίνο.

• Αν τα σωματίδια έχουν αποθηκεύσει διοξίνες και φουράνια.• Αν τα σωματίδια περιέχουν βαρέα μέταλλα.

Βαρέα ονομάζονται αυτά τα μέταλλα που έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη ή ίση των 4,5 γραμμαρίων ανά κυβικό εκατοστό. Τα βαρέα μέταλλα τα συναντάμε στην ιπτάμενη τέφρα που προκύπτει από την καύση των καυσίμων αλλά και στα σωματίδια που προέρχονται από άλλες διαδικασίες όπως π.χ. μεταλλουργία, βιομηχανία τσιμέντου. Ευρίσκονται δε κυρίως στα σωματίδια με πολύ μικρή διάμετρο αποκτώντας έτσι ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μεγαλώνει η τηθανότητα να φτάσουν αναττνεόμενα μέχρι τους πνεύμονες.

Ορισμένα βαρέα μέταλλα σε μικρές ποσότητες (ίχνη) είναι απαραίτητα για τη ζωή π.χ. σίδηρος, χαλκός ψευδάργυρος, και μαγγάνιο. Αλλά όμως δρουν τοξικά στον άνθρωπο στα ζώα και στα φυτά όπως μόλυβδος, κάδμιο, αρσενικό, νικέλιο, υδράργυρος.

Ο αόλυβδος (Pb) παρεμποδίζει στον άνθρωπο και στα ζώα τη σύνθεση της αιμοσφαιρίνης του αίματος και έχει άμεση ετήδραση στα ερυθρά αιμοσφαίρια έτσι ώστε μεγάλες συγκεντρώσεις μολύβδου έχουν σαν συνέτιεια αναιμία. Μεγάλη επιβάρυνση με μόλυβδο δημιουργεί στα παιδιά προβλήματα στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Ο μόλυβδος εν ανπθέσει με άλλες τοξικές ουσίες υπεισέρχεται μέσω του πλακούντα (όργανο μέσω του οποίου τρέφεται και αναπνέει το έμβρυο) στην κυκλοφορία του αίματος του εμβρύου.

Μεγάλες συγκεντρώσεις σε κάδαιο (Cd) έχουν ετυιπτώσεις κυρίως στα νεφρά. Σε εργαζόμενους που επαγγελματικά αντιμετωτήζουν μεγάλες συγκεντρώσεις καδμίου παρατηρήθηκαν συχνότερα καρκίνος του προστάτου των ουρογεννητικών οργάνων και των βρόγχων.

Τρόφιμα μολυσμένα με αρσενικό (As) έχουν οδηγήσει σε μαζικές δηλητηριάσεις μέχρι και με θανατηφόρα κατάληξη. Αρσενικό μπορεί να διαπεράσει τον πλακούντα και σε μεγάλες συγκεντρώσεις να οδηγήσει σε αποβολή παραμορφώσεις, μειωμένο βάρος του νεογέννητου.

Η επιβάρυνση εργαζομένων σε ατμόσφαιρα που περιέχει σωματίδια νικελίου οδήγησε συχνά σε καρκίνο των πνευμόνων της μύτης του λάρυγγα του στομάχου και των νεφρών. Η λήψη νικελίου με την τροφή δεν οδήγησε εμφάνιση καρκίνου.

Ο άνθρωπος παίρνει υδράργυρο (Hg) κυρίως μέσω της τροφής του (ιδιαίτερα από ψάρια και προϊόντα ψαριών). Βρέφη που θηλάζουν από βεβαρημένες με υδράργυρο μητέρες παρουσιάζουν μεγάλες συγκεντρώσεις υδραργύρου. Συμπτώματα μίας δηλητηριάσεως από υδράργυρο είναι παραισθήσεις μείωση της ακοής και διαταραχή του συντονισμού των κινήσεων.

Τα στερεά σωματίδια καταλήγουν είτε από ανθρωπογενείς παράγοντες είτε από φυσικά φαινόμενα στην ατμόσφαιρα. Εξ αυτών τα «αποτιθέμενα σωματίδια» αποτίθενται γρήγορα ενώ τα «αιωρούμενα σωματίδια» μετά από παρέλευση ημερών στο έδαφος. Έτσι τα φυτά δέχονται τα βαρέα μέταλλα είτε από τα αιωρούμενα σωματίδια μέσω της αναπνοής τους είτε από τα αποτιθέμενα σωματίδια στο έδαφος μέσω της ρίζας τους. Τα βαρέα μέταλλα μπορούν ανάλογα με τη δόση που δέχτηκαν τα φυτά να δημιουργήσουν προβλήματα στα ίδια τα φυτά. Μπορούν όμως να δημιουργήσουν προβλήματα και στον άνθρωπο μέσω της τροφικής αλυσίδας πάλι ανάλογα με την δόση που θα πάρει ο άνθρωπος τρώγοντας αυτά τα φυτά. Η συσσώρευση των βαρέων μετάλλων στα φυτά εξαρτάται από το είδος των φυτών. Σημαντική όμως για την τροφικι'·| αλυσίδα είναι και η γνώση για το εάν τα βαρέα μέταλλα

3.9.4. Βαρέα μέταλλα

συσσωρεύονται σε αυτά τα μέρη του φυτού τα οποία προορίζονται για την κατανάλωση από τον άνθρωπο. Για παράδειγμα οι σαλάτες το σπανάκι και τα αντίδια συσσωρεύουν στα φύλλα τους δηλαδή σε αυτά ακριβώς τα μέρη των φυτών που τρώει ο άνθρωτως μεγάλες ποσότητες βαρέων μετάλλων. Αντίθετα όσπρια και δημητριακά συσσωρεύουν συγκριτικά μικρότερες ποσότητες βαρέων μετάλλων.

Ο εμπλουτισμός των φυτών με βαρέα μέταλλα συντελείται λιγότερο μέσω των μερών τους πάνω από την επιφάνεια της Γης (κυρίως μέσω των φύλλων τους) απ’ότι μέσω της ρίζας τους. Αυτό εξηγείται από το ότι στην πρώτη τιερίπτωση το δυναμικό από το οποίο παίρνει τα βαρέα μέταλλα το φυτό είναι τα αιωρούμενα σωματίδια, που βρέθηκαν στην περιοχή του φυτού μόνο κατά τη διάρκεια της ζωής του. Αντίθετα το δυναμικό από το οποίο αντλεί τα βαρέα μέταλλα το φυτό μέσω της ρίζας του είναι τα στερεά σωματίδια που συσσωρεύτηκαν στο έδαφος για πολλές δεκαετίες.

3.9.5. Αερόλυμα

Συγγενική με την έννοια «αιωρούμενα σωματίδια» αλλά ευρύτερη από αυτήν είναι η έννοια αερόλυμα ή αεροζόλ ή αεροσόλ. Αερόλυμα (για τους σκοπούς μας) είναι αιώρημα πολύ μικρών (σταγονιδίων) ή στερεών σωματιδίων. Τα υγρά ή στερεά αυτά σωματίδια μπορούν να είναι τα ίδια ρύποι (π.χ. σωματίδια αιθάλης, τέφρας, αμιάντου, μολύβδου) αλλά και όχι (π.χ. σταγονίδια νερού σωματίδια σκόνης) Μπορούν όμως να μην είναι τα ίδια ρύποι (π.χ. σταγονίδια νερού) που έχουν όμως ενσωματώσει ρύπους (π.χ. διοξείδιο του θείου ενσωματωμένο στα σταγονίδια του νερού). Τα υγρά και στερεά αυτά σωματίδια παίζουν μεγάλο ρόλο στην διαμόρφωση του καιρού αφού αποτελούν πυρήνες γύρω από τους οποίους σχηματίζονται σταγόνες βροχής, νιφάδες χιονιού ή κόκκοι χαλαζιού. Σημαντική είναι και η συμμετοχή τους σε χημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα.

3.9.6. Χλώριο (Ch)

Ορισμένα καύσιμα περιέχουν χλώριο (Ch) το οποίο συναντάμε στα καυσαέρια κυρίως σαν υδροχλώριο (HC1) Τόσο το (Ch) όσο και οι ενώσεις του καταλήγουν με τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα όπου (σε αντίστοιχες δόσεις) μπορούν να προξενήσουν προβλήματα τόσο στον άνθρωπο όσο και στο περιβάλλον. Παραδείγματα τέτοιων προβλημάτων είναι;

ί. Επειδή διαλύονται εύκολα στο νερό ενώνονται γρήγορα με τα υγρά των βλεννογόνων των οργάνων του ανώτερου αναττνευστικού συστήματος ερεθίζοντας τα και δημιουργώντας σπασμωδικό βήχα και βρογχική καταρροή. Μπορούν όμως να δημιουργούν και προβλήματα στους πνεύμονες αν φτάσουν εκεί,

ϋ. Το υδροχλώριο (HC1) είναι μία από τις αιτίες δημιουργίας της «όξινης βροχής». Η σειρά σπουδαιότητας των ουσιών που δημιουργούν την «όξινη βροχή» είναιιοξείδια του θείου (π.χ. διοξείδιο του θείου SO2), οξείδια του αζώτου (διοξείδιο του αζώτου Ν θ 2) και ενώσεις του χλωρίου (π.χ. υδροχλώριο HCI)

ίϋ. Τα φυτά αντιδρούν ιδιαίτερα ευαίσθητα στο χλώριο και τις ενώσεις του. ίν. Το χλώριο και οι ενώσεις του διαβρώνουν μέταλλα και ξεθωριάζουν βαφές.

3.9.7. Φθόριο (F2)

Ορισμένα καύσιμα περιέχουν φθόριο (Ρς) το οποίο συναντάμε στα καυσαέρια κυρίως σαν υδροφθόριο (HF) Το HF καταλήγει με τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα όπου σε αντίστοιχες δόσεις μπορεί να προξενήσει προβλήματα τόσο στον άνθρωπο όσο και στο περιβάλλον. Παραδείγματα τέτοιων προβλημάτων είναι:

To HF προξενεί στον άνθρωπο ερεθισμό των βλεννογόνων του αναπνευστικού συστήματος. Αν η επιβάρυνση του ανθρώπου με HF είναι χρόνια τότε επειδή προξενεί διαταραχή στο μεταβολισμό του ασβεστίου μπορεί να προκαλέσει βλάβη στα οστά και στα δόντια.Η φθορίαση είναι μία ασθένεια των βοοειδών και άλλων μηρυκαστικών ζώων που την αποκτούν αν η τροφή τους για περισσότερο χρόνο περιέχει πολύ Fa. Η φθορίαση εκδηλώνεται κυρίως με αλλαγή στα οστά βλάβες στα δόντια και διαταραχή των κινήσεων Τα φυτά παίρνουν HF κυρίως μέσω των φύλλων τους και πολύ λιγότερο μέσω της ρίζας τους. Επειδή το HF μεταφέρεται μέσα στα φυτά μόνο προς τα επάνω τα πρώτα βλαβερά συμπτώματα παρουσιάζονται στις άκρες των φύλλων ή και των βελονών τους. Η ευαισθησία των φυτών στο φθόριο εξαρτάται από το είδος των φυτών. Μεγαλύτερη ευαισθησία παρουσιάζουν κυρίως τα κηπευτικά.

3.10 ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΡΥΠΟΙ

Οι ρύποι που έχουν περιγραφεί μέχρι τώρα δημιουργούνται κατά την διάρκεια της καύσης γι’αυτό και λέγονται πρωτογενείς. Από τους πρωτογενείς ρύπους δημιουργούνται όταν αυτοί καταλήξουν στην ατμόσφαιρα και άλλοι ρύποι τους οποίους ονομάζουμε δευτερογενείς οι σπουδαιότεροι των οποίων είναι:

Διοξείδιο του Αζώτου (NOa)

Όταν περιγράψαμε τους πρωτογενείς ρύπους αναφερθήκαμε στα οξείδια του αζώτου και εξηγήσαμε ότι κατά τη διάρκεια της καύσης δημιουργείται κυρίως μονοξείδιου του αζώτου (NO) ως πρωτογενής ρύπος. Ορισμένες φορές δημιουργείται κατά τη διάρκεια της καύσης και διοξείδιο του αζώτου (NOa) το οποίο τότε είναι εξ ορισμού πρωτογενής ρύπος. Όταν καταλήξουν τα οξείδια του αζώτου (NO και NOa) με τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα τότε όπως ήδη αναφέραμε όλο το NO μεταβάλλεται αργά ή γρήγορα σε NOa και τότε το NOa είναι δευτερογενής ρύπος.

• Φωτοχημικά Οξειδωτικά

Όταν τα καυσαέρια καταλήξουν στην ατμόσφαιρα και περιέχουν άκαυστους υδρογονάνθρακες (CxHy) και διοξείδιο του αζώτου (NOa) τότε υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργείται μία ομάδα ουσιών που ονομάζονται φωτοχημικά οξειδωτικά. Η σπουδαιότερη εξ αυτών είναι το Όζον (Os) το οποίο εκτός της σπουδαιότητας του υπερτερεί και ποσοτικά.

Τα φωτοχημικά οξειδωτικά είναι ένα μέρος αυτών των ουσιών που απαρτίζουν την φωτοχημική ρύπανση

Τα φωτοχημικά οξειδωηκά μπορούν να δημιουργήσουν ερεθισμούς στους βλεννογόνους του ανθρώπου βλάβες στα φυτά και διάβρωση στα υλικά.

• Οζον(θ3)

Αν ενωθούν 2 άτομα οξυγόνου (Ο) δημιουργούν ένα μόριο οξυγόνου (Oa) ενώ αν ενωθούν 3 άτομα οξυγόνου (Ο) δημιουργούν ένα μόριο όζοντος (Os). Το όζον δηλαδή είναι μία αλλότροπος μορφή του οξυγόνου και πήρε το όνομα του από τα ε)Αηνικά (όζειν) επειδή μυρίζει και μάλιστα σε πολύ μικρή περιεκτικότητα στον αέρα. Αν πάρουμε 500.000 ίσους όγκους από τους οποίους οι 499.999 είναι αέρας και ο 1 είναι όζον και τους ανακατέψουμε

τότε θα μυρίσουμε το όζον. Το όζον είναι ένα αέριο που παίζει πρωταρχικό ρόλο στα προβλήματα του περιβάλλοντος.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι μέθοδοι επεξεργασίας καθαρισμού των βιομηχανικών αποβλήτων εφαρμόζονται είτε κάθε μία χωριστά , είτε με κατάλληλο συνδυασμό ανάλογα με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά τους τον τελικό αποδέκτη με τις επιθυμητές χρήσεις και τα διαθέσιμα τεχνικά και οικονομικά μέσα.

Για την μελέτη της επεξεργασίας που θα εφαρμοστεί απαραίτητη είναι η γνώση της παραγωγικής διαδικασίας τα σημεία και ο τρόπος που δημιουργούνται τα απόβλητα τα βασικά ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά τους και οι δυνατότητες τελικής διάθεσης. Στη συνέχεια θα γίνει αναφορά στους τρόπους αντιμετώπισης των ρυπαντών που προέρχονται από τις ακόλούθες πηγές.

• Βιομηχανίες φρούτων και λαχανικών• Βιομηχανίες γάλακτος• Βιομηχανίες κρέατος, πουλερικών και ιχθύων• Βιομηχανίες ποτών• Ελαιοτριβεία• Υφαντουργεία-Βαφεία• Βυρσοδεψία• Χαρτοβιομηχανίες• Υψικάμινοι και χαλυβουργεία• Παραγωγή αλουμινίου• Διύλιση πετρελαίου-Πετροχημικά

4.2 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΦΡΟΥΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΧΑΝΙΚΩΝ

Στις βιομηχανίες κονσερβοποίησης φρούτων και λαχανικών εμφανίζονται τα στάδια αποθήκευσης και έκπλυσης. Τα φρούτα και τα λαχανικά προ της κονσερβοποίησης εκπλύνονται με διάφορους τρόπους (νερό υπό πίεση, βούρτσισμα). Τα απόνερα περιέχουν συνήθως υπολείμματα φυτοφαρμάκων (εντομοκτόνα). Το ακατέργαστο προϊόν υφίσταται κάποιες διεργασίες όπως διαλογή, τεμαχισμό, εμβάπτιση σε άλμη, επίδραση ατμού υπό πίεση και ακολουθεί βρασμός, αφυδάτωση ή πάγωμα και τοποθέτηση σε επικασσιτερωμένα δοχεία με αφαίρεση του αέρα και σφράγισμα. Τα τελικά υγρά απόβλητα των παραπάνω διεργασιών περιέχουν επιπλέοντα στερεά, BOD και υπολείμματα φυτοφαρμάκων.

Πίνακας 1: Ρυπαντικό φορτίο αποβλήτων βιομηχανιών φρούτων και λαχανικών (mg/L)

Λλκαλικότητα 150-200Ν 4-20Ρ 0,5-20

Αιωρούμενα στερεά 0-4500Διαλελυμένα στερεά 1300-3000

Εντομοκτόνα 0,2-0,9

Η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων περιλαμβάνει τα εξής στάδια:

• Εσχάριση• Κατακάθιση• Ρύθμιση του Ph• Χημική επεξεργασία με Αΐ2(8θ4) ή Fe2(S04)3• Προσθήκη CL· ή άλλου οξειδωτικού για την απολύμανση

Η δευτερογενής επεξεργασία περιλαμβάνει βιολογικό καθαρισμό με ενεργοποιημένη ιλύ που μειώνει το BODs κατά 90-95%. Χρησιμοποιούνται κλίνες κατιονισμού, δεξαμενές αερισμού ή περιστρεφόμενα τύμπανα.

4.3 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΓΑΛΑΚΤΟΣ

Οι βιομηχανίες επεξεργασίας γάλακτος μπορούν να καταταχθούν στα ακόλουθα είδη: Μονάδες παστερίωσης και εμφιάλωσης, παραγωγή τυριών, κρέμα και βουτύρου, συμπυκνωμένου γάλακτος, σκόνης γάλακτος, γιαουρτιού και παγωτών.

Το κυριότερο πρόβλημα που παρουσιάζουν τα απόβλητα τους είναι ο ορός γάλακτος (τυρόγαλα) που παρουσιάζει υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες και οξέα Υπάρχει δυνατότητα να αποξηρανθεί και να διατεθεί σαν σκόνη σε ζωοτροφές, με αμφισβητούμενο όμως οικονομικό κέρδος. Άλλοι σημανπκοί ρυπαντές είναι τα αιωρούμενα στερεά, όπως ΡΟ" 4 CI ■ και τα αζωτούχα.

Πίνακας 2: Ρυπαντικό φορτίο Βιομηχανιών γάλακτος (mg/L)

BOD5 100-4000Αιωρούμενα στερεά □2000Ph 6-9Θερμοκρασία αποβλήτων 8-38° CΡ 12-210CL 50-2500Ν 1-14

Στην διεργασία με δραστική λάστιη σε αεριζόμενη δεξαμενή διοχετεύονται □60m- αέρα/kg BOD και προστίθενται Ν και Ρ για θρεπτικό υλικό των μικροοργανισμών αν το κλάσμα BOD:N:P είναι μικρότερο του 100:5:1. Ο αφρός που σχηματίζεται απομακρύνεται και αν η θερμοκρασία κατέλθει διοχετεύεται ατμός ώστε να μην επιβραδυνθεί η διεργασία βιοξείδωσης.

4.4 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΚΡΕΑΤΟΣ ΠΟΥΛΕΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΙΧΘΥΩΝ

Τα υποπροϊόντα των βιομηχανιών αυτών περιέχουν αίμα, λίπη, αζωτούχες ενώσεις, αιωρούμενα στερεά και ιόντα που είναι ανεπιθύμητα.

Πίνακας 3: Ενδεικτική απόδοση διαφόρων μεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Βιομηχανιών γάλακτος

Αιωρούμενα στερεά(88) (mg/L)

BODs(mg/L)

1 .Λεπτό κοσκίνισμα 0,32-0,64mm άνοιγμα

55-80 0-10

2.Καθίζηση απλή 50-80 10-303. Επίπλευση 50-90 10-30

4.Χημική κατακρήμνιση 70-90 40-905.Χαλικοδιύλιση 85-90 35-99

6.Δραστική λάσπη 90-95 60-977. Δεξαμενή σταθεροποίησης 50-99 85-99

8.Άρδευση με διαβροχή □ 100 □ 1009.Αμμοδιυλιστι'ΐριο □ 100 15-85

Πίνακας 4: Ρυπαντικό φορτίο βιομηχανιών κρέατος (mg/L)

Παράμετροι

Ν2 κατά Kjendahl

Η πρωτογενής επεξεργασία των υγρών αποβλήτων περιλαμβάνει κατ’αρχην έλεγχο στην διαδικασία παραγωγής για τον περιορισμό των ρυπαντών που απορρίπτονται στα απόνερα. Κατότην τα επιπλέοντα στερεά συλλέγονται σε πλέγματα απομακρύνονται και θάβονται.

Ο δευτεροβάθμιος καθαρισμός συνήθως περιλαμβάνει αναερόβιες δεξαμενές απονέρων, βόθρους χώνεψης και άλλες παρόμοιες τροποποιημένες μορφές βιολογικής δράσης. Η αναερόβια επεξεργασία μειώνει μέχρι 97% το BOD για φορτία 1 kg/3m^ με χρόνο παραμονής 5-1Θ ημέρες. Ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας εώς 32-35°C αυξάνει τον ρυθμό αποικοδόμησης του οργανικού φορτίου. Αεριζόμενες δεξαμενές βιολογικής λάσττης χρησιμοποιούνται επίσης με βάθος l-3m και μειώνουν το BOD κατά 40-60% για χρόνους παραμονής 2-10 ημέρες.

4.5 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΠΟΤΩΝ

Τα ζυθοποιεία και αποστακτήρια (καθώς και η παραγωγή ζύμης) ανήκουν στην κατηγορία των βιομηχανικών ποτών που επεξεργάζονται πρώτες ύλες που περιέχουν υδατάνθρακες (άμυλο ή σάκχαρα) τα οποία υφίστανται ζύμωση και μετατροπή σε CH3CH2OH.

Τα υγρά απόβλητα των διαφόρων βιομηχανιών ποτών περιέχουν αιωρούμενα στερεά, BOD καθώς και διαλυμμένα στερεά.

Πίνακας 5: Ρυπαντικά φορτία βιομηχανίας ζύθου (mg/L)

Αιωρούμενα στερεά 700 mg/L

BOD 1600 mg/L

COD 3000 mg/L

Η επεξεργασία των αποβλήτων από παρόμοιες βιομηχανίες περιλαμβάνει την απομάκρυνση των επιπλέοντων στερεών με πλέγματα και βιολογική μείωση του BOD σε

αεριζόμενες δεξαμενές, αβαθείς υπαίθριους χώρους και φίλτρα κατιονισμού. Η μείωση του BOD φτάνει μέχρι 85%. Ακολουθεί διόρθωση του ph και οξείδωση με Ch ή 0 3 .

Ενδεικτικά αναφέρεται ότι για απόβλητα της τάξης 1000 tn/ημέρα με 500 kgBOD/ημέρα απαιτούνται δύο υπαίθριες δεξαμενές αερισμού στη σειρά με διαστάσεις □ 100X25X3 m για 6-9 ημέρες παραμονή, εφοδιασμένες με 1-2 αντλίες διοχέτευσης αέρα ισχύος 0150 HP.

Η μέθοδος της δραστικής λάσπης έχει χρησιμοποιηθεί με ετητυχία για την ετιεξεργασία των αποβλήτων με απόδοση στην ελάττωση του BOD πάνω από 90% Ειδικά για τα ζυθοποιεία χρησιμοποιείται το διβάθμιο χαλικοδιυλιστήριο υψηλού βαθμού με (φορτίο 1,4 kg BODs/m^ μέσου και R=Qr/Q='/2)

" k n a___ ~Ζ — *ί| I ΑνακυκλοφορίοΥιερκείμενα υγρό Χίινευοη Κλίνες ίήρανοης

Σχήμα 1 Διβάθμιο χαλικοδιυλιστήριο

4.6 ΕΛΑΙΟΤΡΙΒΕΙΑ

Ο ελαιόκαρπος περιέχει περίπου 50% νερό 22% λάδι και 25% υδατάνθρακες και καταρχήν πλένεται και αλέθεται μηχανικά σε τριβεία. Ακολουθεί μάλαξη με νερό και διαχωρισμός των υγρών είτε με συμπίεση (κλασσικά στγκροτήματα) είτε με διαχωριστήρα (φυγόκεντρα συγκροτήματα). Το λάδι που εκθλίβεται ή διαχωρίζεται μαζί με άλλα υγρά καθαρίζεται με φυγοκεντρικούς διαχωριστήρες.

Ο όγκος των αποβλήτων για τα μικρά κλασσικά ελαιοτριβεία που αποτελούν την πλειονότητα στην Ελλάδα υπολογίζεται σε Im^/tn ελαιόκαρπου ή περίπου σε 5m^/tn ελαιόλαδου. Τα ρυπανηκά φορτία δίνονται στον πίνακα 6.

Πίνακας 6: Ρυπαντικά φορτία αποβλήτων ελαιοτριβείων

Παράμετρος ΜονάδεςΤιμές σε συγκρότημα

Κλασσικό___________ Φυγοκεντρικό

mg/L 22.000-62.000 13.000-14.000

59.000-162.000

Αιωρούμενα στερεά mg/L

Μονάδες

Οξύτητα( σε ελαϊκά)

Η μέθοδος που συνήθως εφαρμόζεται για τον καθαρισμό των αποβλήτων περιλαμβάνει εξουδετέρωση της οξύτητας σε συνδυασμό με κροκύδωση και στην συνέχεια καθίζηση. Η εξουδετέρωση συνήθως γίνεται με προσθήκη ασβέστη. Η απαιτούμενη ποσότητα ασβέστη υπολογίζεται σε 5kg CaO/t ελαιόλαδο ή ακόμη σε ποσοστό 2% CaO στα απόβλητα.

Η καθίζηση πρέπει να είναι πάνω από 2 ώρες με συνεχή αφαίρεση της λάσπης και άμεση διάθεση στους αγρούς ή χώνευση και στράγγιση σε κλίνες ξήρανσης. Σαν εναλλακτική λύση καθίζησης και χώνευσης χωρίς εξοπλισμό σαρώσεως συνιστάται η δεξαμενή 1MHOFF που είναι κατάλληλη για μικρές εγκαταστάσεις αν και σχετικά δαπανηρή.

4.7 ΥΦΑΝΤΟΥΡΓΕΙΑ-ΒΑΦΕΙΑ

Οι βιομηχανίες αυτές χρησιμοποιούν σαν πρώτη ύλη μαλλί, βαμβάκι ή συνθετικά νήματα και απαιτούν μεγάλες ποσότητες νερού για πλύσιμο, βάψιμο και τύπωμα των υφασμάτων

Το Βαιιβάκι εκπλύνεται με αραιό διάλυμα οξέος για να φύγει το άμυλο που καλύπτει τις ίνες και υφίσταται χημική επεξεργασία λεύκανσης με NaOCL ή Η2Ο2 και μερσερισμό με ισχυρό διάλυμα αλκάλεως (ΝΗ40Η) προ της βαφής. Το ααλλί πλένεται αρκετά με νερό και με διάλυμα αραιού H2SO4 ή και με αραιό διάλυμα NaOCL ή Η2Ο2 για λεύκανση. Οι πλαστικές ίνες λευκαίνονται και βάφονται όπως και το βαμβάκι.

Τα απόβλητα των βιομηχανιών αυτών περιέχουν σημαντικά ποσά λίπους, διαλυμένα στερεά, διάφορες ίνες ανόργανα άλατα ή οργανικά χημικά (χρώματα) καθώς και βαρέα μέταλλα. Στον πίνακα 7 δίνονται τα στοιχεία για τα παραγόμενα απόβλητα και το φορτίο αυτών.

Για την επεξεργασία των αποβλήτων χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι ενώ το λίπος και το άμυλο απομακρύνονται με οξίνηση και φυγοκέντρηση. Δεξαμενές καταβύθισης χρησιμεύουν για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Στο στάδιο αυτό προστίθεται πολυηλεκτρολύτες. Ακολουθεί καθίζηση σε δεξαμενές εξισορρόπησης.

Ειδικά για τα βαφεία μεσολαβεί η διόρθωση του ΡΗ και η απομάκρυνση των χρωστικών ενώσεων με προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα. Η βιολογική επεξεργασία αποτελεί συνήθως το τελευταίο στάδιο και γίνεται αερόβια με χρήση της δραστικής λάσπης.

Πίνακας 7: Χαρακτηριστικά αποβλήτων υφαντουργικών βιομηχανιών

Σχήμα 2 Σχηματική διάταξη μονάδας καθαρισμού αττοβλήτων από βιομηχανία επεξεργασίας ^μβακιού

Τέλος η προσθήκη CL2 ή Οτ απολυμαίνει τα λύματα και διασπά επιπλέον ης παραμένουσες χρωστικές ουσίες.

4.8 ΒΥΡΣΟΔΕΨΕΙΑ

Το δέρμα των ζώων αποτελείται σχεδόν εξολοκλήρου από πρωτεΐνη, από την οποία το 85% είναι καλλογόνο. Η επεξεργασία των δερμάτων ακολουθεί τις εξής διεργασίες. Καταρχήν τα δέρματα αλατίζονται και αποθηκεύονται για 10-30 ημέρες. Ακολουθεί πλύσιμο και μούσκεμα με κορεσμένο διάλυμα NaCL για 2-3 μέρες και στην συνέχεια καθαρίζονται από σάρκες τρίχες και τεμαχίζονται. Για την αποτρίχωση προστίθενται Na2S ή μίγμα NaOH και

Na2S καν ακολουθεί τράβηγμα κάψιμο ή άλλη μέθοδος. Τα αποτριχωμένα δέρματα βυθίζονται σε διάλυμα αλάτων ΝΗι και ένζυμων για την προετοιμασία προς την δέψη. Προστίθεται άλμη σε όξινο διάλυμα και φυσικές ταννίνες ή βασικό Cn(S04) ή Ab(S04)3 που αντιδρά με τις πρωτεΐνες του δέρματος (δέψη). Ακολούθως τα δέρματα χωρίζονται σε δύο μέρη το εσωτερικό και το εξωτερικό που ετιεξεργάζονται ξεχωριστά.

Τα απόβλητα των βυρσοδεψείων περιέχουν τρίχες, λίπη, αίμα NaCL σουλφίδια, ταννίνες, απορρυπαντικά, χρώματα, διαλύτες και χρώμιο (πίνακας 8)

Η επεξεργασία των αποβλήτων περιλαμβάνει (σχήμα 3):

• Πλέγματα για την απομάκρυνση των ετηπλεόντων στερεών• Εξισορρόπηση για την ομογενοποίηση του μίγματος σε διάστημα περίπου 24 ωρών• Κατακάθιση και χημική καταβύθιση με προσθήκη Fe2(S04)3 ή Ab(S04)3 για την

απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματιδίων• Τα Cr+6 ανάγονται με προσθήκη Fe+2 (θειικός υποσίδηρος) κατά προτίμηση πριν

συνενωθούν με άλλα απόνερα• Αν το νερό είναι ελαφρώς αλκαλικό τότε το ΡΗ διορθώνεται με απορρόφηση• Η δευτεροβάθμια επεξεργασία περιλαμβάνει αερόβιες δεξαμενές ζύμωσης όπου

απομακρύνεται το 90-95% του BODs• Ετιειδή τα απόνερα παρουσιάζουν συχνά υψηλή περιεκτικότητα σε αζωτούχες ενώσεις

χρησιμοποιούνται και αναερόβια νιτροβακτήρια σε κατάλληλους χώρους που οξειδώνουν τα ΝΗ+4 σε ΝΟ'3 και στη συνέχεια σε Ν2.

Πίνακας 8: Χαρακτηριστικά αποβλήτων βυρσοδεψείων

Παράμετρος Μονάδες Μέσες τιμές φορτίων

1. Όγκος mVt 52

2. BODs _______ S L_______ 89

3. COD 8/L 258

4. Αιωρούμενα στερεά _______ __________ 138

5. Cr ολικό g/L 3,5

6. Αίπη 20

7. Θειούχα g/L 7

8. Αλκαλικότητα (CaCOs) g/L 99

9. ΡΗ g/L 1-13

Σχήμα 3 Διάγραμμα επεξεργασίας των αποβλήτων βυρσοδεψίου με θειικό υποσίδηρο και αερισμό

4.9 ΧΑΡΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ

Η λειτουργία της χαρτοβιομηχανίας περιλαμβάνει δύο βασικά στάδια λειτουργίας;

• Την παραγωγή και κατεργασία χαρτοπολτού (paper pulp) από διάφορες πρώτες ύλες (ξύλο, άχυρο, βαμβακερά κουρέλια, λινάρι, σπαρτό, κάνναβι, και παλιά χαρτιά). Από τα υλικά αυτά αποχωρίζονται με χημικό τρόπο ή μηχανικό τρόπο οι ίνες της κυτταρίνης, κατεργάζονται, λευκαίνονται και ξηραίνονται.

• Την παραγωγή χαρτιού με συνδυασμό διαφόρων ειδών χαρτοπολτού και με την προσθήκη υλικών πλήρωσης (fillers) όπως π.χ. καολίνη σαν συνδετικού μέσου, τάλκη, γύψου, βαριάς κόλλας.

Τα απόβλητα των χαρτοβιομηχανιών περιέχουν λιγνίτη, ταννίνες, σάκχαρα, κυτταρίνη και ανόργανα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται κατά την παρασκευή του πολτού. Τα αντιδραστήρια αυτά είναι ανάλογα με τη μέθοδο επεξεργασίας.

Κατά την μέθοδο Sulfite -CaSOi, (NH4)2S03, Na2S03, MgS03 Κατά την μέθοδο Kralft-NaOH, NaaS

Κυρίως εφαρμόζεται η δεύτερη μέθοδος (2NaOH+2Na2S, 170-175°C, Ρ= 100-110 psig, 2-3 hrs, βάρος ξύλου=4:1).Τα δραστικά χημικά που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία του χαρτοπολτού δεν απορρίπτονται αλλά ξαναχρησιμοποιούνται αφού ληφθούν από τα απόνερα με εξάτμιση των τελευταίων.

Τα απόνερα που δεν περιέχουν δραστικά ανόργανα χημικά υφίσταται κακάθιση σε μεγάλες δεξαμενές διαμέτρου 10-100m ανάλογα με το μέγεθος της μονάδας όπου ο χρόνος παραμονής είναι 4h και το φορτίο στερεών Itn στερεών/lOOm την ημέρα. Το BOD μειώνεται εδώ κατά 30%

Περαιτέρω επεξεργασία μπορεί να μειώσει περαιτέρω το BOD (5 ημερών) κατά 25- 90% σε δεξαμενές αερισμού που μπορεί ανάλογα με τη μονάδα να φτάσουν έκταση 0,5 στρέμματα/lOOOtn υγρών απόβλητων την ημέρα (χρόνος παραμονής 5-15 ημέρες). Χρησιμοποιούνται διάφοροι τρόποι αερισμού (αντλίες, τουρμπίνες).

Πίνακας 9: Χαρακτηριστικά αποβλήτων χαρτοποιίας ανά τόννο παραγόμενου χαρτιού

Είδος χαρττούΑπόβλητα BODs

Kg/tΑιωρούμενα στερεά (kg/t)

1 .Δημοσιογραφικό

2.Περιτυλίγματος

3 .Τσιγαρόχαρτο

4.Γ κλασσέ

5.Χαρτοκιβωτίων

Ενεργοποιημένη ιλύς χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις με φορτίο 10-100 kg DOB/30m^ δεξαμενής και χρόνο παραμονής 3-8 ώρες. Η ιλύς ή τα προϊόντα κατακάθισης απορρύττονται σε κατάλληλους χώρους.

4.10 ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΙ ΚΑΙ ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΕΙΑ

Η παραγωγή του σιδήρου γίνεται από σιδηρομετάλλευμα (ή και παλιοσίδερα) και εκκαμινεύονται σε υψικάμινο μαζί με μεταλλουργικό κωκ και ασβεστόλιθο. Ο χάλυβας παράγεται από το χυτοσίδηρο με κατάλληλη ελάττωση του περιεχόμενου άνθρακα σε κλίβανο.

Νερό χρησιμοποιείται για την ψύξη και το σβήσιμο καθώς και για το πλύσιμο των απαερίων της υψικαμίνου. Οι κυριότεροι ρυπαντές των μονάδων αυτών είναι οι φαινόλες, ΝΗτ και τα κυανιούχα. Στα απόβλητα των μονάδων παραγωγής χάλυβα περιέχεται επίσης αυξημένη οξύτητα και ιόντα Fe και CL.

Οι φαινόλες απομακρύνονται κυρίως με εκχύλιση. Τα αιωρούμενα στερεά απομακρύνονται με φιλτράρισμα και κατακάθιση μετά από χημική κατεργασία με πολυηλεκτρολύτες. Τα έλαια ψύξης διαχωρίζονται με επίπλευση για να επαναχρησιμοποιηθούν.

4.11 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ

Η παραγωγή του αλουμινίου γίνεται κυρίως από το ορυκτό βωξίτης που είναι ένυδρο οξείδιο του αργιλίου (ΑΠΟτ.ΧΙοΟ), με ξένες προσμίξεις Fc203, SiO: και Τ ίθ2. Η διαλυτοποίηση του μεταλλεύματος γίνεται με Ca(OH)2 και NaOH για την παραγωγή της αλουμίνας (ΑΠΟτ). Ακολουθεί η παραγωγή του αργιλίου από την αλουμίνα με ηλεκτρόλυση

Στην μονάδα της ηλεκτρόλυσης απομένει τελικά το μίγμα των υπολοίπων οξειδίων που ονομάζεται « κόκκινη λάσπη» (red mud).

Η «κόκκινη λάσπη» παρουσιάζει αρκετά προβλήματα λόγω του όγκου της. Οι κόκκινες λάσπες που παράγονται κατά την εττεξεργασία κυμαίνονται ανάλογα με το είδος του βωξίτη από 1,0-2,0 τόννοι ανά τόννο παραγόμενης αλουμίνας.

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται συνήθως για την διάθεση των «κόκκινων λασπών» περιλαμβάνουν απόθεση στο έδαφος σε φυσικά κοιλώματα με στεγανοποιημένο πυθμένα είτε απ’ευθείας απόρριψη στην θάλασσα με υποβρύχιο αγωγό ή με ειδικό πλωτό μέσο στ'ανοιχτά. Στη μονάδα παραγωγής μεγάλη σημασία έχει η δέσμευση των παραγόμενων φθοριούχων τα οποία αποβάλλονται μαζί με τα αέρια καύσης του άνθρακα όταν το ΑΙ+^ ανάγεται σε ΑΙ. Τα φθοριούχα εκπλύνονται με νερό το οποίο αποτελεί σημαντική πηγή ρύπανσης. Ο καθαρισμός του νερού γίνεται με χημική καταβύθιση των φθοριούχων με την χρήση Ca(OH)2 ή CaCL2. Οι παραμένουσες ποσότητες μπορούν να μειωθούν με προσρόφηση από στήλες ενεργοποιημένης ΑΙ203.

4.12 ΔΙΥΑΙΣΗ ΠΕΤΡΕΑΑΙΟΥ-ΠΕΤΡΟΧΗΜΙΚΑ

Η βιομηχανία πετρελαίου περιλαμβάνει πολλά στάδια κατεργασίας τα οποία είναι δυνατόν να ρυπάνουν το υδάτινο περιβάλλον:

Αφολάττωση: Το αργό πετρέλαιο κατά την άντληση του συνήθως περιέχει και ορισμένες ποσότητες άλμης. Ο διαχωρισμός αυτής επιδιώκεται στον τύπο της άντλησης αλλά παρ’όλα αυτά απαιτείται έκπλυση και στα διυλιστήρια. Το νερό αυτό φορτίζεται με σημαντικά ποσά υδρογονανθράκων.

Κ/.ασαάτωση\ Στο στάδιο αυτό ρυπαίνεται κυρίως το νερό ψύξης εξ’επαφής με ποσότητα υδρογονανθράκων.

Κατα/.υτική διάσπαση (crackins): Τα απόνερα περιέχουν κυρίως υδρογονάνθρακες.

MeracjynuaTiauoc (reformim): Τα απόνερα ττεριέχουν υδρογονάνθρακες και καυστικά διαλύματα που χρησιμοποιούνται στην εξουδετέρωση των οξέων.

Διεονασΐεα (refmim): Οι διεργασίες αυτές περιλαμβάνουν υδρογόνωση, αποχωρισμό της ασφάλτου, ξήρανση, διαχωρισμό του διαλύτη και απομάκρυνση των κηρωδών ουσιών. Οι υδρογονάνθρακες και εδώ είναι οι κυριότεροι ρυπαντές των αποβλήτων. Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι κατά την αποθήκευση και την μεταφορά του αργού πετρελαίου και των υγρών προϊόντων δημιουργούνται σοβαρά προβλήματα ρύπανσης από διαρροές και εκπλεύσεις των δεξαμενών.

Πίνακας 10; Ρυπαντές ανά βαρέλια (-150m^) αργού πετρελαίου (mg/L)

ΔιεργασίαΟγκος

αποβλήτων(Ε) BOD Φαινόλες ΣουλφίδιαΜεταφορά-

Αποθήκευση 1.600 0,5Αφαλάτωση 1.800 1,4 0,1 1,0Κλασμάτωση 260.000 4,0 1,0 1,0

Cracking 20.000 7,0 8,0 3,0Reforming 280.000 0,1 0,1 1,0Refining 140.000 27 3,0 0,5Σύνολο 540.000 40 □ 11 □6

Η απομάκρυνση των υδρογονανθράκων μπορεί να γίνεν σε διαχωριστικές δεξαμενές με βαρύτητα. Παραμένει όμως μία ποσότητα γύρω στα 5-35mg/L κυρίως σε γαλακτοποιημένη μορφή, τα οποία μπορούν να απομακρυνθούν με επίπλευση. Τα αιωρούμενα στερεά απομακρύνονται με καταβύθιση με προσθήκη πολυηλεκτρολυτών. Με την χρήση αεριζόμενων δεξαμενών και δραστικής λάσπης το παραμένον BODs απομακρύνεται κατά 80-90%.

Γενικά τα γαλακτώματα των υδρογονανθράκων με Η2Ο διασπώνται με οξίνιση ή θέρμανση. Για πλήρη όμως καθαρισμό των απόνερων συνιστάται συνδυασμός και προσρόφηση από ενεργό άνθρακα.

Πίνακας 11: Ρυπαντικά φορτία αποβλήτων διυλιστηρίου

Παράμετροι Μονάδα Τιμή

1. BOD mg/L 100-1000

2.Αιωρούμενα στερεά mg/L 150-4000

3. Πτητικά στερεά mg/L 150-4000

4. Αλκαλικότητα mg/L 120-3000

5. Αμμωνία mg/L 5-80

6. Ενώσεις θείου mg/L 20-80

7.ΡΗ mg/L 6,5-8,4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η διάθεση των στερεών αποβλήτων είναι ένα οξύ πρόβλημα στις χώρες μεγάλης ανάπτυξης και οι κυριότεροι παράγοντες που συμβάλλουν σε αυτό είναι:

α) Η ανάπτυξη μεγάλων αστικών κέντρων που συμβάλλει στην αυξημένη συγκέντρωση στερεών απορριμμάτων.

β) Η αυξημένη χρήση τοξικών ουσιών και των παραγώγων τους.

Πίνακας 1: Κατηγορίες στερεών αποβλήτων

Τύπος αποβλήτων Kg/κάτοικο/ημέρα ( κατά προσέγγιση)Οικιακά απορρίμματα 4Βιομηχανικά απόβλητα 1,6Απόβλητα ορυχείων 18Γ εωργικά απόβλητα 12Αποσυρόμενα αυτοκίνητα 0,1

Τα αστικά απορρίμματα είναι τα μεγαλύτερα σε όγκο παραγόμενα στερεά απόβλητα και αποτελούνται από οικιακά στερεά (υπολείμματα φαγητών, υλικά συσκευασίας και υλικά νοικοκυριού), άχρηστα δημοτικά υλικά από υλικά υπαίθριων αγορών και εμπορίου.

Τα βιομηχανικά στερεά απόβλητα προέρχονται από τα διάφορα στάδια της παραγιογικής διαδικασίας των βιομηχανιών και η ποσότητα καθώς και η σύσταση τους παρουσιάζουν πολύ μεγάλη ποικιλία. Με βάση την σύσταση τους διακρίνονται σε:

• Αδρανή μη τοξικά• Τοξικά• Εύφλεκτα υλικά• Διαθρωτικά υλικά και χημικώς ενεργά• Επικίνδυνα και εκρηκτικά υλικά• Ραδιενεργά υλικά

Τα στερεά απόβλητα από την γεωργία και τα ορυχεία είναι συνήθως αδρανή μη τοξικά (χρώματα, ορυκτά μπάζα, φυηκή βιομάζα).

5.2 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

Η διάθεση των στερεών αποβλήτων στο περιβάλλον είτε είναι ανεξέλεγκτη είτε είναιελεγχόμενη αρκετές φορές δημιουργεί σοβαρά προβλήματα τα κυριότερα από τα οποία είναι;

1· Κίνδυνοι ττυρκαγιών και εκρήξεων: Η διάθεση εύφλεκτων υλικών ή υλικών που με διάφορες φυσικές διεργασίες δημιουργούν εκρηκτικά μείγματα τιερικλείει σοβαρούς κινδύνους.

2. Μεταφορά το£ικών στερεών αποβλήτων στο περιβάλλον: Η διάθεση τοξικών στερεών αποβλήτων στο περιβάλλον τα οποία μπορούν να παρασυρθούν υπό μορφή σκόνης από τον αέρα περικλείει σοβαρούς κινδύνους ρύπανσης των επιφανειακών νερών, των γειτονικών καλλιεργειών και των κατοικημένων περιοχών.

3. Εκπομπή τοξικών αερίων που σχηματίζονται από βιοχημικούς παράγοντες. Τα στερεά απόβλητα που περιέχουν οργανικές ενώσεις (αστικά απορρίμματα, κτηνοτροφικά απορρίμματα) αποτελούν την κυριότερη πηγή εκπομπής αερίων μεθανίου, και διοξειδίου του άνθρακα τα οποία είναι προϊόντα αποσύνθεσης. Στο σχήμα 1 φαίνονται τα στάδια και τα προϊόντα αποσύνθεσης οργανικών ενώσεων.

Σχήμα 1 Στάδια και προϊόντα αποσύνθεσης των οργανικών ενώσεων που περικλείονται ο αστικά απορρίμματα

Μεταφορά το£ικών ουσιών στα υπόγεια και επιφανειακά νερά μετά την απελευθέρωση τους από τα στερεά απόβλητα. Η μεταφορά γίνεται είτε με έκλυση των τοξικών ουσιών από τα νερά της βροχής είτε από τα στραγγίσματα των ημίρρευστων αποβλήτων. Η ρύπανση αυτής της μορφής είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη και είναι άγνωστη πότε θα εμφανιστεί. Στο σχήμα 2 δίνεται παραστατικά η ρύπανση των υπόγειων νερών από εκπλεύσεις στερεών αποβλήτων. Ο ρυθμός μεταφοράς και η κατανομή των εκπλυνόμενων τοξικών ουσιών καθορίζεται από πολλούς παράγοντες οι κυριότεροι των οποίων είναι η διαλυτότητά τους, τα χαρακτηριστικά του εδάφους, η τοπογραφία του υδροφόρου ορίζοντα και οι κλιματολογικές συνθήκες. Οι κίνδυνοι από την έκλυση των στερεών αποβλήτων εξαρτώνται από την σύσταση και την προέλευση των αποβλήτων. Η σύσταση των εκπλυμάτων από τα αστικά απορρίμματα δίνεται στον πίνακα 2. Από τον παρακάτω πίνακα φαίνεται πόσο μεγάλοι είναι οι κίνδυνοι για την ρύπανση των νερών από τις εκπλύσεις των στερεών αποβλήτων.

Σχήμα 2 Ρύπανση των υπόγειων νερών από εκπλύσεις (leaching) στερεών αποβλήτων

Πίνακας 2: Σύσταση εκπλυμάτων από αστικά απορρίμματα χωματερών

Συγκέντρωση mg/LΣυστατικό

Διακύμανση ΤυτηκήB O D 5

2.000-30.000 10.000TOC

1.500-20.000 6.000COD

3.000-45.000 18.000Αιωρούμενα

200-1.000 500Οργανικό άζωτο

10-600 200Αμμωνία

10-800 200Νιτρικά

5-40 25Ολικός Ρ

10-70 30Αλκαλικότητα

1.000-10.000 3.000Ολική

Σκληρότητα 300-10.000 3.500Ασβέστιο 200-3.000 1.000Μαγνήσιο 50-1.500 250

Χλωριούχα

ΣίδηροςΜόλυβδος

ΡΗ

5.3 ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ

5.3.1 Αια~/ωρισιχός-ανακΰκλωση: Ο διαχωρισμός των στερεών αποβλήτων μπορεί να επιτευχθεί είτε σε μία κεντρική μονάδα ή με την οργάνωση συστήματος συλλογής των επί μέρους υλικών όπως γυαλί, μέταλλα, χαρτί. Η δεύτερη μέθοδος είναι περισσότερο χρησιμοποιούμενη στην ανακύκλωση του χαρτιού. Στο σχήμα 3 δίνεται το τυπικό διάγραμμα ροής στο εργοστάσιο του Franklin (Ohio). Μετά από υγρή άλεση των στερεών αποβλήτων διαχωρίζονται το χαρτί, το γυαλί, ο σίδηρος και τα άλλα μέταλλα. Το παραμένον μέρος των αποβλήτων χρησιμοποιείται για την παραγωγή θερμότητας.

ΕΙΓΛΓΠΓΗ ♦0PJ10Y.1K9)

1

i i / i i i r l ’ i

Σχήμα 3 Μονάδα διαχωρισμού

5.3.2. Υγειονοαική ταφή αστικών απορριααάτων: Είναι μία ελεγχόμενη εναπόθεση και τα απορρίμματα μετά από συμπίεση εναποτίθενται σε οριζόντια στρώματα πάχους μέχρι 2m.

Τα στρώματα αυτά διαχωρίζονται και στεγανοποιούνται μεταξύ τους με ένα στρώμα πάχους 30cm περίπου που αποτελείται από διάφορα υλικά όπως μπάζα, τέφρα ή χώμα. Για την στεγανοποίηση χρησιμοποιούνται επίσης πλαστικά φύλλα. Τα διαχωριστικά αυτά στρώματα εμποδίζουν τις πυρκαγιές των σκουπιδιών και συγκρατούν το μεγαλύτερο μέρος του νερού των βροχοπτώσεων.

Η υγειονομική ταφή των απορριμμάτων είναι η μέθοδος με το μικρότερο κόστος αλλά παρουσιάζει μία σειρά μειονεκτημάτων σε σχέση με την ρύπανση του περιβάλλοντος

Ρύπανση και μόλυνση των υπόγειων νερών Ανάπτυξη δυσοσμίας Συγκέντρωση εντόμων και ποντικών

Τα νερά έκπλυσης στις ελεγχόμενες εναποθέσεις συγκεντρώνονται και κατεργάζονται σε ειδικές εγκαταστάσεις καθαρισμού, γιατί ττεριέχουν υψηλές συγκεντρώσεις οργανικών ενώσεων και ανόργανων τοξικών ενώσεων. Όταν γεμίσει ο χώρος εναπόθεσης καλύπτεται με στρώμα πηλού και χώματος και δενδροφυτεύεται ή καλλιεργείται. Στους χώρους εναπόθεσης είναι δυνατόν να λειτουργήσουν μονάδες συλλογής και αξιοποίησης των παραγόμενων αερίων.

5.3.3. ,λιπασιιατοποίικηι: Η λιπασματοποίηση αξιοποιεί τα αστικά απορρίμματα με μεγάλο περιεχόμενο σε οργανική ύλη για την παραγωγή λιπάσματος. Η μέθοδος αυτή είναι η τηο κατάλληλη για τα γεωργικά απόβλητα. Η περιεχόμενη οργανική ύλη αποσυντίθεται με την επίδραση μικροοργανισμών με συνδυασμό αερόβιων και αναερόβιων συνθηκών. Το προκύπτουν υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν βελτιωτικό του εδάφους. Οι παράγοντες που καθορίζουν την διαδικασία της λιπασματοποίησης είναι:

1. Ο λόγος αερόβιας και αναερόβιας διεργασίας που καθορίζεται με το διαθέσιμο οξυγόνο2. Η θερμοκρασία που καθορίζει την τάξη των μικροοργανισμών που ευνοείται ( πίνακας 3

σχήμα 4)3. Η περιεχόμενη υγρασία που συνήθως κυμαίνεται σε 40-60% συμβάλλει στην καλύτερη

βιοδιάσπαση των οργανικών ενώσεων.4. Η περιοχή του ΡΗ οπού οι μικροοργανισμοί έχουν την μέγιστη απόδοση είναι 6-8.

Συνήθως οι μεγαλύτερες τιμές του ΡΗ αυξάνουν την βιοδιάσπαση. Εάν το ΡΗ των αποβλήτων είναι χαμηλό τότε διορθώνεται με προσθήκη C a(O H )2 και αν είναι υψηλό με προσθήκη S. Το προστιθέμενο θείο ενεργοποιεί τα βακτήρια του θείου τα οποία παράγουν H2SO4.

Πίνακας 3: Κατάταξη μικροοργανισμών

Βέλτιστη θερμοκρασίαςΠεριοχή

θερμοκρασίας

Ψυχρόφιλα 15-20”C 0-30“C

Μεσόφιλα 25-35°C 10-40"C

Θερμόφιλα 35-50"C 25-80Χ

Ημέρες

4 Απόδοση της λιπασματοποίησης σε σχέση με την θερμοκρασία

5.3.4. Καύση και αποτέφρωση: Η καύση των αστικών απορριμμάτων είναι από τις τηο αποτελεσματικές μεθόδους διάθεσης τους αλλά έχει σημαντικό κόστος και αρκετά προβλήματα ρύπανσης του περιβάλλοντος .Τα καυσαέρια που εκπέμπονται από μία εγκατάσταση καύσης απορριμμάτων περιέχουν τα παρακάτω συστατικά;

• Σκόνη• Υδρατμούς• Βαρέα μέταλλα• Διοξείδιο του άνθρακα• Μονοξείδιο του άνθρακα• Υδροχλώριο• Οξείδια του αζώτου• Οξείδια του θείου• Υδροφθόριο• Υδρογονάνθρακες (πολυκυκλικοί αρωμαπκοί υδρογονάνθρακες, παλυχλωριωμένα

διφαινύλια)• Διοξίνες

Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες σχηματίζονται κατά την καύση απορριμμάτων ενώ τα παλυχλωριωμένα διφαίλώλια που συνυπάρχουν στα υλικά των απορριμμάτων εξατμίζονται στις υψηλές θερμοκρασίες καύσης και διασπείρονται στο περιβάλλον.

Υπολογίζεται ότι το 10-20% της συνολικής ρύπανσης από βαρέα μέταλλα στο περιβάλλον προέρχεται από τις εγκαταστάσεις καύσης απορριμμάτων. Για τον περιορισμό της διασποράς στο περιβάλλον των εκλυόμενων υλικών χρησιμοποιούνται σήμερα συστήματα καθαρισμού των καυσαερίων.

Η βέλτιστη θερμοκρασία καύσης είναι 800-1050°C. Εάν η θερμοκρασία είναι μικρότερη τότε η καύση είναι ατελής ενώ αν είναι υψηλότερη τότε οι παραγόμενες σκωριές λιώνουν και διασπείρονται στο περιβάλλον. Η σύσταση των στερεών απορριμμάτων αν είναι η κατάλληλη θερμοκρασία καύσης μπορεί να επιτευχθεί χωρίς την χρήση επιπρόσθετων καυσίμων. Συνήθως επιπρόσθετα καύσιμα δεν απαιτούνται αν η παραγόμενη τέφρα είναι λιγότερη από 6Θ% το περιεχόμενο νερό λιγότερο από 50% και τα καιόμενα υλικά πάνω από 25%.

Στο σχήμα 5 δίνεται μία τυτηκή εγκατάσταση καύσης στερεών απορριμμάτων.Γενικά τα κυριότερα πλεονεκτήματα από την καύση των απορριμμάτων είναι:

1. Ελάττωση του όγκου τους μέχρι 85%2. Ελάττωση του βάρους τους μέχρι 35%3. Εξάλειψη της δυσοσμίας και καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών.

Σχήμα 5 μονάδα καύσης χωρητικότητας 12,5 τόννοι/ώρα

5.3.5. Πυρόλυστι: Η πυρόλυση είναι μέθοδος αποσύνθεσης της οργανικής ύλης με θέρμανση χωρίς την παρουσία οξυγόνου. Για την πυρόλυση των στερεών απορριμμάτων που εφαρμόζεται η θερμοκρασία είναι 850-1000°C. Με την διαδικασία αυτή παράγονται αέρια και σκωριά από τα οποία περιεχόμενα μέταλλα μπορούν εύκολα να διαχωριστούν λόγω ανοξικών συνθηκών.

Τα παραγόμενα αέρια είναι της ίδιας σύστασης με τα παραγόμενα από την πυρόλυση του άνθρακα χωρίς να χρειάζεται ετηπλέον κατεργασία πριν την διάθεση τους. Υπολογίζεται ότι 50θπι αερίων παράγονται από την πυρόλυση ενός τόνου στερεών απορριμμάτων και από αυτά 400-400ιη^χρησιμοποιούνται για την διατήρηση της θερμοκρασίας στην μονάδα.

5.4 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ

• Προκαταρκτικός έλεγχος σύστασης και τοξικότητας

α) Χηιιική ανάλυση: Η γνώση της ποιοτικής σύστασης των αποβλήτων είναι απαραίτητη για την επιλογή της μεθόδου και εργασίας και ασφαλούς διάθεσής τους στο περιβάλλον

β) ΈλεΥΎοε τοΕικόττιταε των αποβλήτων: Ο έλεγχος των αποβλήτων με τυποποιημένες μεθόδους στηρίζεται στην εκχύλιση των περιεχόμενων τοξικών ουσιών σε καθορισμένες πειραμαηκές συνθήκες: Η τηο διαδεδομένη μέθοδος είναι αυτής της ΕΡΑ (Rule 261.24)

To στερεό απόβλητο τεμαχίζεται ώστε να διέρχεται από κόσκινα διαμέτρου 9,5cm. Εκατό γραμμάρια (100 g) από αυτά τοποθετούνται σε διαχωριστική χοάνη και προστίθενται 1 όπλάσιο βάρος απεσταγμένου νερού. Μετά την ανακίνηση ελέγχεται το ph του διαλύματος. Αν το ph είναι μεγαλύτερο από 5 προστίθεται οξικό οξύ 0,5 Ν έτσι ώστε να γίνει 5,0±0,1. Ο έλεγχος αυτός του ΡΗ επαναλαμβάνεται έτσι ώστε το ΡΗ να διατηρείται στα παραπάνω όρια χωρίς προσθήκη οξικού οξέος. Το μίγμα ανακινείται για 24 ώρες στους 20-30°C. Στο τέλος αυτού του χρόνου γίνεται διαχωρισμός των φάσεων. Στην υδατική φάση γίνεται ο προσδιορισμός των μετάλλων π.χ. As, Cd, Cr, Pb, Hg, Se και διαφόρων οργανοχλωριομένων ενώσεων.

Αν η συγκέντρωση μίας από τις ουσίες αυτές ξεπερνάει 100 φορές τα επιτρεπόμενα όρια για το πόσιμο νερό τότε το εξεταζόμενο απόβλητο χαρακτηρίζεται σαν τοξικό.

γ) AoKiuii έκπλυσυς (leaching testl: Η δοκιμή έκπλυσης γίνεται σε στήλες κατακόρυφες με πληρωτικό υλικό τα εξεταζόμενα απόβλητα. Οι στήλες εκπλύνονται με προκαθορισμένες ταχύτητες ροής. Τα διαδοχικά κλάσματα που συλλέγονται ελέγχονται για το ΡΗ την αγωγιμότητα και γίνονται προσδιορισμοί τοξικών ουσιών. Με τους ελέγχους αυτούς αποκτάται μία σαφής εικόνα για το ρυπαντικό φορτίο των εκπλυμάτων και εκπμάται η πιθανή επιβάρυνση του υπεδάφους των χωματερών.

δ) Έ>.εΎγος συμβατόττιτας: Ο έλεγχος αυτός γίνεται στις περιπτώσεις συναπόθεσης διαφορετικιδν αποβλήτων για να διαπιστωθεί ότι δεν υπάρχουν κίνδυνοι σχηματισμού από αλληλεπιδράσεις πιο επιβλαβών προϊόντων.

• Κατεργασία των στερεών αποβλήτων

Η κατεργασία των στερεών βιομηχανικών αποβλήτων έχει σαν στόχο την μείωση του όγκου τους και τον περιορισμό των εκπλυμάτων με όσο το δυνατόν μικρότερα φορτία τοξικών ουσιών. Αυτό επιτυγχάνεται με χημική κατεργασία και σταθεροποίηση των αποβλήτων,

α) .Χηαική αετατροπύ: Η χημική κατεργασία καθορίζεται από τον όγκο και την σύσταση των αποβλήτων. Στον πίνακα 4 δίνονται χαρακτηρισηκά παραδείγματα κατεργασίας τοξικών συστατικών για διάφορα βιομηχανικά στερεά απόβλητα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην χημική κατεργασία που επιτυγχάνεται με την συναπόθεση των αποβλήτων.

Πίνακας 4: Μέθοδος χημικής κατεργασίας τοξικών στερεών αποβλήτων

Κατεργασία Τοξικές ουσίες

υγρή οξείδωση οργανικές ενώσεις κυανιούχα, φαινόλες

καύση οργανικές ενώσεις

ηλεκτροχημική οξείδωση κυανιούχα, θειοκυανιούχα, και φαινόλες

κατεργασία με φορμαλδεΰδη χρωμικά ιόντα, κυανιούχα, σύμπλοκες ενώσεις

καταλυτική αναγωγή με μέταλλα οργανοχλωριωμένες ενώσεις σε λάσπες

καταλυτική υδρογόνωση οργανοχλωριωμένες ενώσεις

διάσπαση με πλάσμα μικροκυττάρων εντομοκτόνα (οργανοχλωριωμένες ενώσεις)

υδρόλυση εντομοκΓτόνα (οργανοφωσφορικά)

εξουδετέρωση ισχυρά οξέα και βάσεις

β) Σταθεροποίτιστι: Η σταθεροποίηση περιλαμβάνει μεθόδους που συμβάλλουν στον περιορισμό τοξικών ουσιών από τα απόβλητα.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6

ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ι το ζωτικό στοιχείο για την ζωή και βασική πρώτη ύλη για την ανθρώπινηΤο νερό είν οικονομία.

Το σώμα του ανθρώπου αποτελείται κατά σημαντικό μέρος από νερό (57% περίπου) μπορεί να εξυπηρετηθεί με πολύ μικρή ποσότητα για πόση (περίπου 35ml/kg βάρους την ημέρα) αλλά ο άνθρωπος έχει ανάγκη πολύ μεγαλύτερες ποσότητες για την κάλυψη ατομικών αναγκών οικιακής καθαριότητας και λειτουργιών των πόλεων (100-500Ι7ατ.ημ.). Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες του νερού (πίνακας 1) και κυρίως η μεγαλύτερη πυκνότητα στους 4° C, η διαλυτική ικανότητα, η μεγάλη θερμική αγωγιμότητα και η επιφανειακή τάση του το καθιστούν ρυθμιστικό παράγοντα του κλίματος της Γης και πολλών φυσικών, χημικών και βιολογικών φαινομένων. Για τις ιδιότητες του αυτές χρησιμοποιείται σε πολλές οικονομικές δραστηριότητες οπού και καταναλώνονται μεγάλες ποσότητες νερού.

Πίνακας 1; Χαρακτηριστικές ιδιότητες του νερού

Ιδιότητα Σύγκριση με άλλες ιδιότητεςΣημασία για το φυσικό

περιβάλλον

ΘερμοχωρητικότηταΜεγαλύτερη από όλα τα

στερεά και υγρά (εκτός της ΝΗι)

Εμποδίζει μεγάλε διακυμάνσεις της

θερμοκρασίας

Θερμική διαστολή

Η θερμοκρασία της μέγιστης πυκνότητας ελαττώνεται με την αύξηση της αλατότητας

(καθαρό νερό 4°C)

Σημαvuκός ρόλος στην κατανομή της θερμοκρασίας

και στην διαστρωμάτωση των υδάτινων μαζών σης

λίμνες

Επιφανειακή τάση Μεγαλύτερη όλων των υγρών

Ελέγχει ορισμένα επιφανειακά φαινόμενα και το σχηματισμό σταγόνων

Διαλυτική ικανότηταΔιαλύει τις περισσότερες

ενώσεις

Αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση διαφόρων φυσικών

βιολογικών φαινομένων

Λιηλεκτοική σταθερά Μεγαλύτερη από όλα τα υγρά

Μεγαλύτερη διάσταση των ανόργανων ενώσεων σε

διάλυση

Ηλεκτρολυτική Διάσταση Πολύ μικρήΤο νερό είναι ουδέτερη

ένωση

Το χημικώς καθαρό νερό δεν υπάρχει στη φύση γιατί είναι ισχυρό διαλυτικό μέσο και εμπλουτίζεται κατά την επαφή του με το περιβάλλον με διάφορες ουσίες που διαλύονται και εκπλύνονται από αυτό. Έτσι το φυσικό νερό παρουσιάζει μία μεγάλη ποικιλία ποιοτικών χαρακτηριστικών ανάλογα με τις περιεχόμενες ξένες προσμίξεις. Το διαθέσιμο νερό στον πλανήτη είναι φαινομενικά πάρα πολύ το μεγαλύτερο όμως μέρος αυτού είναι αλμυρό (θάλασσα 98,78%) και δεν προσφέρεται για τις περισσότερες χρήσεις ενώ το γλυκό νερό (1,22%) το πιο πολύ (1,195%) είναι παγιδευμένο στα πολικά καλύμματα των πάγων. Επομένως το τελικό διαθέσιμο γλυκό νερό είναι πολύ ασήμαντο ποσοστό του συνολικού (ποτάμια 0,0014%) που όταν ρυπαίνεται, γίνεται ακατάλληλο για τις επιθυμητές χρήσεις.

6.2 ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ-ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Η καθαρότητα των φυσικών νερών είναι σημαντική για το περιβάλλον αφού το νερό αποτελεί βασικό παράγοντα διατήρησης της ζωής. Η ικανότητα των φυσικών νερών να αυτοκαθαρίζονται δεν είναι απεριόριστη και στηρίζεται σε διάφορες χημικές και βιολογικές διεργασίες. Τα υγρά απόβλητα (λύματα) συνήθως περιέχουν αιωρούμενες και διαλυμένες ανόργανες και οργανικές ουσίες που προέρχονται από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Από υγειονομικής πλευράς ιδιαίτερη σημασία έχουν οι παθογόνοι μικροοργανισμοί που βρίσκονται δυνητικά στα λύματα σαν παράγοντες ασθενειών και οι οργανικές ουσίες που αν υποστούν σήψη (αναερόβια αποδόμηση) δημιουργούν δυσοσμία και ανθυγιεινές καταστάσεις.

Από πλευράς επεξεργασίας καθαρισμού των λυμάτων και συνεπειών για το περιβάλλον παίζουν σημαντικό ρόλο οι διάφοροι βιολογικοί παράγοντες (σαπροφυτικοί μικροοργανισμοί) που προκαλούν βιοαποδόμηση των οργανικών ενώσεων.

Κατά την αποικοδόμηση των ενώσεων καταναλώνεται το διαλυμένο οξυγόνο του νερού και η συγκέντρωση του μειώνεται. Όταν οι συγκεντρώσεις των οργανικών ενώσεων είναι μεγάλες και το οξυγόνο καταναλωθεί τότε σταματούν οι αερόβιες συνθήκες καθαρισμού και επικρατούν οι αναερόβιες Οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί αποικοδομούν τις οργανικές ενώσεις σε τελικά προϊόντα τοξικά και δύσοσμα. Σε αντίθεση με τα προϊόντα αερόβιας αποικοδόμησης που είναι αβλαβή. Η επικράτηση των αναερόβιων συνθηκών για μεγάλο χρονικό διάστημα έχει σαν αποτέλεσμα την έλλειψη οξυγόνου στα φυσικά νερά και τον σταδιακό θάνατο της υδροχαρούς ζωής.

• Παράμετροι ρύπανσης των νερών

Για την προστασία της ποιότητας των φυσικών νερών καθιερώθηκαν προδιαγραφές και ανώτατες ετητρεπόμενες συγκεντρώσεις των τοξικών και ετηβλαβών ουσιών. Οι ανώτατες ετητρεπόμενες τιμές των παραμέτρων ποιότητας των νερών ποικίλουν για τις διάφορες κατηγορίες νερού (πόσιμο, νερό άρδευσης) και για τις διάφορες κατηγορίες αποβλήτων (προέλευση αποβλήτων, όγκος αποβλήτων κατάσταση υδάτινου αποδέκτη, χρήσεις των νερών αυτών).

6.3 ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΜΟΛΥΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ

Τα λύματα και τα νερά ττεριεχουν διάφορους μικροοργανισμούς (μικρόβια-βακτήρια σε τυτηκές διαστάσεις 0,5-ΙΟμ) με σημαντικό ρόλο στην διάσπαση των οργανικών ουσιών συμβάλλοντας έτσι στον αυτοκαθαρισμό του νερού. Ένα μέρος από τους μικροοργανισμούς αυτούς που ζουν παρασιτικά στα φυτά και στα ζώα προκαλεί διάφορες παθήσεις και καλούνται παθογόνοι μικροοργανισμοί. Μία βασική κατάταξη των μικροοργανισμών είναι η διάκριση τους σε φυτικούς και ζωικούς μικροοργανισμούς αλλά αυτή η διαίρεση δεν είναι ακριβής και σε μερικές περιπτώσεις περιέχει λάθη.

6.3.1. Φ υ τ ικ ο ί μ ι κ ρ ο ο ρ ν α ν ισ μ ο ί

Οι φυτικοί μικροοργανισμοί χρειάζονται διαλυτή μορφή οργανικής ή ανόργανης μορφής. Οι κυριότεροι τύποι αυτών των μικροοργανισμών είναι:

• Ιοί (Viruses): Είναι μικρών διαστάσεων κάτω από 0,3μ. Είναι παρασιτικοί και αναπτύσσονται στα όρια των ζωντανών οργανισμών και του χημικού περιβάλλοντος. Πολλές ασθένειες όπως η γρίπη, πολυομελίτης προκαλούνται από ιούς. Λόγω του πολύ μικρού μεγέθους τους απομακρύνονται πολύ δύσκολα από το νερό και είναι ανθεκτικοί σε διάφορες μεθόδους απολύμανσης.

Κδκκος Βάκιλλος ΕπειρΰΧλκ

αίρεση

Κύλ ραΚυτόιιλοο α ^Κυτταρικό τείχωμα

^Μεμβράνη κυτοπλαομική

Λιπίδιο Ηαότίγιο

Σχήμα 1 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των βακτηρίων

• Βακτήρια (Bacter): Είναι μονοκύτταροι οργανισμοί που χρησιμοποιούν διαλυτή τροφή κυρίως οργανική αν και υπάρχουν πολλά είδη. Το μέγεθος τους είναι μεταξύ 0,5-5μπι και είναι διαφόρων σχημάτων. Τα περισσότερα βακτήρια είναι ευαίσθητα σε α>λ.αγές ΡΗ και προτιμούν την αλκαλική περιοχή αν και κάποια είδη όπως τα βακτήρια του θείου μπορούν να υπάρξουν και να αναπτυχθούν στην όξινη περιοχή. Είναι επίσης ευαίσθητα στις αλλαγές της θερμοκρασίας και κάθε είδος έχει μία ειδική θερμοκρασία βέλτιστης ανάπτυξης.

• Μύκητες (Fungi):Eivai πολυκύτταροι οργανισμοί και αντέχουν σε όξινο και ξηρό περιβάλλον περισσότερο από τα βακτήρια. Υπάρχουν πάνω από 100.000 διαφορετικά είδη και όλα τα είδη είναι χημειοσυνθετικοί αερόβιοι οργανισμοί. Οι μύκητες ανευρίσκονται σε όλες τις εγκαταστάσεις καθαρισμού λυμάτων και προκαλούν την δυσοσμία στα ρυπασμένα. νερά.

• Αλγη (Algae): Είναι πολυκυτταρικοί φωτοσυνθετικοί οργανισμοί που χρησιμοποιούν C02, ΝΗι και και παράγουν νέα κύτταρα και οξυγόνο. Τα άλγη και τα βακτήρια αναπτύσσονται στο ίδιο περιβάλλον χωρίς να ανταγωνίζονται για την τροφή.

6.3.2. Z o j iK o i u iK Q o o o v a v ia u o i

Οι ζωικοί μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν οργανική τροφή και δεν μπορούν να συνθέσουν πρωτόπλασμα από ανόργανα υλικά. Η τροφή τους είναι στερεάς κατάστασης αλλά μερικά είδη μπορούν να χρησιμοποιήσουν και διαλυτή τροφή. Όλα τα είδη χρειάζονται παρουσία οξυγόνου. Τα κυριότερα είδη είναι:

Σχήμα 2 Μερικοί τύποι αλγών

Πρωτόζωα (Protoza): Μονοκυτταρικοί οργανισμοί διαστάσεων 10-100 μιη που αναπαράγονται με σχάση και ζουν τρώγοντας κυρίως βακτήρια.

Trichocerca

Σχήμα 3 Μερικοί τύποι πρωτόζωων

• Τροχοζώα (Rotifers): Είναι οι πιο απλοί πολυκυτταρικοί οργανισμοί. Είναι πολύ ευαίσθητοι στις αλλαγές του περιβάλλοντος και έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν δείκτες του περιβάλλοντος.

Αλλα είδη μικροοργανισμών είναι τα οστρακόδερμα οι νύμφες και τα σκουλήκια.6.3.3. Παθονόνοι uiKOooovaviauoi

Τα λύματα περιέχουν διάφορους παθογόνους μικροοργανισμούς που προέρχονται κυρίως από τις κοπρανώδεις ουσίες. Σε αυτά περιλαμβάνονται η ομάδα τοιν κολοβακτηριοειδών ο εντερόκοκκος το διαθλαστικό κλωστρίδιο (τροφική δηλητηρίαση) και διάφορα τιαθογόνα εντεροβακτηρίδια. Τέλος είναι δυνατόν να περιέχονται εντερικά παράσιτα όπως αμοιβάδες ή αυγά σκουληκιών.

Η ανίχνευση της παρουσίας των διαφόρων παθογόνων μικροοργανισμών στο νερό απαιτεί επίπονη εργαστηριακή προσπάθεια και χρόνο. Έτσι σαν δείκτης μικροβιολογικής εξέτασης του νερού και των λυμάτων χρησιμοποιείται η ομάδα των κολοβακτηριοειδών και ειδικότερα για την μόλυνση με περιττωματικές ουσίες, τα κολοβακτηρίδια. Τα κολοβακτηρίδια ζουν στον εντερικό σωλήνα των θερμόαιμών ζώων χωρίς γενικά να είναι πάντα παθογόνα (συμβίωση). Ο άνθρωπος αποβάλλει καθημερινά μεγάλο αριθμό αυτών που κυμαίνεται ανάλογα με την εποχή. Τα κολοβακτηρίδια συμβάλλουν στην ομαλή λειτουργία του εντέρου και την κανονική διατροφή καθίστανται όμως παθογόνα όταν εγκατασταθούν σε άλλα όργανα όπως στους ουροφόρους αγωγούς και το περιτόναιο.

Ο μικροβιολογικός έλεγχος των νερών γίνεται για την ανίχνευση και την εκτίμηση του αριθμού των κολοβακτηριδίων ακολουθεί ορισμένες τυποποιημένες μεθοδολογίες και αναφέρεται στο πλήθος των μικροοργανισμών σε 100ml δείγματος νερού.

6.3.4. Σαποοφυτικοί ορνανισμοί

Εκτός από τους παθογόνους μικροοργανισμούς υπάρχει μία ποικιλία μικροοργανισμών με τυπικές διαστάσεις 0,5-10 μm που δεν είναι παθογόνοι, ζουν και αναπτύσσονται στα επιφανειακά νερά και τα λύματα και παίζουν καθοριστικό ρόλο στην φυσική διαδικασία καθαρισμού. Οι μικροοργανισμοί αυτοί συμβάλλουν στην μετατροττή των ασταθών οργανικών ενώσεων (ή και ανόργανων τοξικών ενώσεων ΝΗι) σε σταθερές ανόργανες και στην παράλληλη καταστροφή διαφόρων παθογόνων μικροβίων.

Οι βιολογικοί εργάτες χρησιμοποιούνται σήμερα για την επεξεργασία καθαρισμού των αποβλήτων και είναι μονοκύτταροι ή πολυκύτταροι οργανισμοί και ανήκουν στα φυτά και στα ζώα. Ανάλογα με την τιηγή άνθρακα που χρησιμοποιούν διακρίνονται σε αυτότροφους. αν διασπούν το C02 και συνθέτουν οργανικές ουσίες (φωτοσύνθεση ή χημειοσύνθεση) και σε ετερότροφους αν χρησιμοποιούν σαν πηγή άνθρακα τις οργανικές ενώσεις :

Πίνακας 2:

Κατηνορία οργανισμώνΠηγήΑνθρακα Ενέργειας

1 .Αυτότροφοι α) φωτοσυνθετικοί β) χημειοσυνθετικοί

C02C02

ΦωςΑνόργανηοξειδοαναγωγικήαντίδρκιση

2. Ετερότροφοι Οργανικός άνθρακαςΟργανικήοξειδοαναγωγικήαντίδραση

Οι μικροοργανισμοί αυτοί ανάλογα με την ικανότητα τους να χρησιμοποιούν ν διάφορες μορφές διακρίνονται σε:

οξυγόνο σε

Αεοόβιουα που μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο το ελεύθερο οξυγόνο ( μοριακό) για την λειτουργία της αναπνοής. Για αυτούς ένα περιβάλλον χωρίς ελεύθερο οξυγόνο είναι ασφυκτικό.A ναεοόβιονζ που μπορούν να χρησιμοποιούν δεσμευμένο οξυγόνο στα μόρια των οργανικών ενώσεων. Η παρουσία ελεύθερου οξυγόνου είναι απαγορευτική για αυτούς. ΕπαΗΦΟτερίζοντεζ που ζουν και στις δύο καταστάσεις.

6.4 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

Οι οργανικές χημικές ενώσεις που περιέχονται στα λύματα μαζί με ανόργανα θρεπτικά άλατα αποτελούν το υπόστρωμα ανάπτυξης μίας μεγάλης σειράς σαπροφυτικών οργανισμών. Με την σειρά τούς αυτοί αποδομούν βιοχημικά τις οργανικές ουσίες και τις μετατρέπουν σταδιακά σε σταθερά ανόργανα άλατα και αέρια. Η αποδόμηση διακρίνεται σε αερόβια αν γίνεται από αερόβιους οργανισμούς παρουσία διαλυμένου οξυγόνου και σε αναερόβια όταν δεν υπάρχει διαλυμένο ελεύθερο οξυγόνο. Τα τελικά προϊόντα της αερόβιας βιοχημικής αποδόμησης, Η2Ο, C02, NOs” δεν είναι ανθυγιεινά ή ενοχλητικά.

Η διαδικασία τής αερόβιας αποδόμησης των οργανικών ουσιών φαίνεται στο σχήμα 4 που παριστάνει τον κύκλο του αζώτου του άνθρακα και του θείου.

Οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της οργανικής ρύπανσης είναι:

• η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου (DO)• το βιοχημικό απαιτούμενο οξυγόνο (BOD)• το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD)• ο ολικός οργανικός άνθρακας (TOC)

6.4.1. Διαλυμένο οξυγόνο-DO (Dissolved oxygen)

To διαλυμένο οξυγόνο είναι χαρακτηριστική παράμετρος ποιότητας και καθαρότητας των επιφανειακών νερών. Οι μεγάλες τιμές συγκεντρώσεών του διαλυμένου οξυγόνου που βρίσκονται κοντά στην περιοχή κορεσμού, σημαίνει ότι το οργανικό φορτίο των νερών είναι περιορισμένο ή μηδενικό.

Ο προσδιορισμός του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό γίνεται χημικά ή ηλεκτροχημικά. Η χημική μέθοδος (κατά'ίνίιύτίοτ) βασίζεται στην προσθήκη στο δείγμα ιόντων Μη++ σε αλκαλικό περιβάλλον, τα οποία οξειδώνονται από το ελεύθερο οξυγόνο του νερού.

Μη+2 + 20Η· Μη(0Η)2

Μη(ΟΗ)2 + θ2 Μη0 (0 Η)2

Η ποσότητα του Μη που οξειδώνεται προσδιορίζεται ιωδιομετρικά:

ΜπΟ(ΟΗ)2 + 2|-+ 4Η+ ^ Μη+2 + Ι2 + 3Η2Ο

>2 + 2820-^ 21- + S4O6

Από την κατανάλωση του υπολογίζεται το διαλυμένο οξυγόνο. Στο ογήμα 5 φαίνεται η διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στα φυσικά νερά στην διάρκεια της ημέρας.

Σχήμα 5 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό παρουσία φυκιών (άλγη)

6.4.2. Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο BOD (Biological Oxygen Demand)

To οξυγόνο που απαιτείται για την βιοχημική αποδόμηση των οργανικών ουσιών των λυμάτων από αερόβιους οργανισμούς ονομάζεται βιοχημικώς απαιτούμενο οξυγόνο (ΒΟΑ ή BOD) και αποτελεί παράμετρο για την εκτίμηση του οργανικού φορτίου των λυμάτων. Σαν μέτρο χρησιμοποιείται το απαιτούμενο οξυγόνο των πρώτων 5 ημερών σε 20° C BODs που αντιπροσωπεύει το 68% του απαιτούμενου συνολικά οξυγόνου και εκφράζεται σαν συγκέντρωση είτε σαν φορτίο.

Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες οργανικών ενώσεων που οξειδώνονται βιοχημικά;

• Υδατάνθρακες με τυπικά παραδείγματα την γλυκόζη την κυτταρίνη και την κελλουλόζη

• Αζωτούχες ενώσεις με τυτηκά παραδείγματα πς πρωτεΐνες τα αμινοξέα και την ουρία.• Αίπη και έλαια.

Η ταχύτητα των βιοχημικών ανπδράσεων καθορίζεται από ένζυμα ή από οργανικούς διαλύτες που παράγονται από τους ζώντες οργανισμούς στα λύματα. Η ποσότητα του οξυγόνου που απαιτείται για την πλήρη οξείδωση των οργανικών ενώσεων μπορεί να υπολογισθεί από τη ανάλυση των δειγμάτων. Αυτό καθιστά τον υπολογισμό αρκετά δύσκολο και επίπονο. Έτσι έχουν προταθεί διάφοροι μέθοδοι θεωρητικού υπολογισμού του απαιτούμενου οξυγόνου που στηρίζονται στην γνώση των συγκεντρώσεων διαφόρων κατηγοριών οξειδούμενων ενώσεων.

Τελικό BOD (mg/L)= 2,61* (Οργανικός άνθρακας) (mg/L) + 4,57 (Οργανικό Ν+Αμμωνιακό Ν) (mg/L) +1,14 (ΝΟ2-Ν) (mg/L)

Στο σχήμα 6 φαίνεται η πορεία της αποικοδόμησης οικιακών λυμάτων. Η καμττύλη παριστάνει το οξυγόνο που καταναλώνεται για την αποδήμηση των οργανικών ενώσεων στο χρόνο. Η αποδόμηση αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο υποδομούνται κυρίως οι ενώσεις του άνθρακα ενώ στο δεύτερο που αρχίζει την δέκατη ημέρα όταν έχουν αναπτυχθεί ήδη αρκετά νιτροβακτήρια, οξειδώνονται οι αζωτούχες ενώσεις (νιτροποίηση) που έχουν απομείνει με τα υπολείμματα του άνθρακα.

Η βιοχημική οξείδωση θεωρείται πρώτης τάξης και για το πρώτο στάδιο ισχύει η εξίσωση:

dM/dt = -k.M ή M=Mo(1-e-kt)

ή Μ=Μο

οπού Μο=η αρχική συγκέντρωση οργανικών εvώσεωv(mg/L)

Μ= η τιμή του BOD σε χρόνο t (ημέρες) κ=2,303κ'=0,115-0,7 ημ. ή κ=0,4343=0,05-0,30/ημ.

(μέσες τιμές κ=0,39 κ'=0,17)

Σχήμα 6 Βιολογική αποδόμηση των οργανικών ουσιών (αερόβια)

Για κ=0,23 οξειδώνονται κάθε μέρα τα 20,6% των οργανικών ουσιών που απομένουν στα λύματα (20°C)

Η σταθερά κ και η τιμή του ολικού BOD (Μο) εττηρεάζονται από την θερμοκρασία. Η μεταβολή αυτή εκφράζεται από τις παρακάτω σχέσεις, που προκύπτουν προσεγγιστικά από την εξίσωση Vant Hoff-Arrhenious με θερμοκρασία αναφοράς 20°C.

Mj = Μ20 .e ^ ‘'n '-20) = Μ2ο-Θι ^·^°) (2-27)

Κτ = l<2o.eC2 (T-20) = ΐ<2 ο.0 2 ^ '^ ° ) (2-28)

όπου; Mj, Μ2 0 : ολικό BOD, σε θερμοκρασία Τ και 20°Ckj, k2o: σταθερά ταχύτητας αντίδρασης σε θερμοκρασία Τ και 20°0 1 .0 2 · χαρακτηριστικοί παράγοντες της θερμοκρασίας.© .,=60·'= e0.02= ηο20 στους 20°C ©2 = 0 0 2 = ι _135 για Τ = 4-20°C

1,056 για Τ = 20-30°CΗ πιο απλοποιημένη και σε χρήση μορφή της εξίσωσης 2.27 είναι;

Μτ = Μ2 ο [1 + 01 σ-20°0)] = Μ2 ο (0.02T-t-0,6) = M2o(1.02)f-20 (2 .29 )

Η μέση πμή του BODs για κάθε άτομο εκτιμάται σε 54-60§/ατ.ημ. Το BOD προσδιορίζεται κυρίως με τις παρακάτω μεθόδους; την ογκομετρική, την ηλεκτροχημική, τη βαρομετρική και τη μέθοδο της αραίωσης.

Πίνακας 3; Τιμές του BOD σε συνάρτηση του χρόνου (t) και της σταθερός κ σε 20°C.

Χρόνος/ημέρες Ποσοστό (%) ολικού BOD κ=0,23

Ποσοστό (%) ολικού BOD κ=0,35

Ποσοστό (%) ολικού BOD κ=0,46

BODt/BODsκ=0,23

t=l 21 29 37 0,30

2 37 50 60 0,54

3 50 64 75 0,73

4 60 75 84 0,88

5 68 82 90 1,00

6 75 87 94 1,10

10 90 97 99 1,33

1,46

6.4.3. Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο-COD (Chemical Oxygen Demand)

To χημικά απαιτούμενο οξυγόνο-COD παριστά το οξυγόνο που απαιτείται για την χημική οξείδωση των οργανικών ενώσεων που περιέχονται στο νερό. Ο υπολογισμός του COD καθίσταται αναγκαίος όταν οι περιεχόμενες οργανικές ενώσεις δεν βιοδιασπώνται (κυτταρίνη) ή είναι απαγορευτικές ή τοξικές για τους αερόβιους μικροοργανισμούς οπότε το BODs εμφανίζεται μειωμένο σε σχέση με τις περιεχόμενες οργανικές ενώσεις. Το COD προσδιορίζεται με καταλυτική οξείδωση των οργανικών ουσιών που περιέχονται στο νερό με διχρωμικό κάλιο σε θερμοκρασία βρασμού για δύο ώρες παρουσία καταλύτη (Ag2S).Zi^ συνθήκες του προσδιορισμού οξειδώνονται οι περισσότερες οργανικές ενώσεις σε C02 και Η2θ.

ΟχΗγΟζ + θΓ2θ·2 + 8Η+καταλύτης 2Cr+^+xC02 + (4+y/2) Η2Ο θερμότητα

Το προσδιοριζόμενο δείγμα νερού δεν πρέπει να περιέχει χλωριούχα ιόντα πάνω 2mg/L επειδή οξειδώνονται σε χλώριο και καταναλώνουν διχρωμικό κάλιο. Η οξείδωση των οργανικών ενώσεων είναι δυνατόν να γίνει και με υπερμαγγανικό κάλιο οπότε το COD χαρακτηρίζεται σαν τιμή υπερμαγγανικού.

Η σχέση του BODs/COD για τα οικιακά λύματα κυμαίνεται από 1:1,25 και για τα βιομηχανικά λύματα μπορεί να φτάσει σε 1:10ή και περισσότερο.

6.4.4. Ολικός οργανικός άνθρακας-TOC (Total Organic Carbon)

Ο δείκτης TOC είναι περίπου ίσος με το BODs και εκφράζει την ολική φόρτιση των νερών σε οργανικές ενώσεις. Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε mg/L νερού. Ο προσδιορισμός του TOC βασίζεται στην μετατροπή του άνθρακα σε C02. Το δείγμα του νερού ή του αποβλήτου αφού αερισθεί αρκετά για να απομακρυνθεί το τυχόν περιεχόμενο C02 εισάγεται σε κλίβανο σε υψηλή θερμοκρασία όπου οι περιεχόμενες οργανικές ενώσεις οξειδώνονται καταλυτικά και το παραγόμενο C02 προσδιορίζεται με υπέρυθρη φασματοσκοπία.

6.4.5. ‘Αλλες παράμετροι έκφρασης των οργανικών ενώσεων

Εκτός των παραμέτρων του διαλυμένου οξυγόνου, BODs, COD, και TOC το οργανικό φορτίο των λυμάτων μπορεί να εκφρασθεί με τις παρακάτω παραμέτρους.

• Συνολικά απαιτούμενο οξυγόνο (TOD)• Θεωρητικά απαιτούμενο οξυγόνο (Th. O.D.)• Θεωρητικά απαιτούμενος άνθρακας (Th.OC)

Στο σχήμα 7 φαίνεται η σχέση μεταξύ των παραμέτρων έκφρασης των οργανικών ουσιών σε αστικά λύματα.

Σχήμα 7 Η σχέση των τιμών των ποιοτικών παραμέτρων έκφρασης του οργανικού φορτίου σ αστικά λύματα.

6.5 ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ

Τα φυσικά νερά δέχονται μεγάλες ποσότητες αιωρούμενων σωματιδίων που προέρχονται κυρίως από την φυσική αποσάθρωση των πετρωμάτων και του εδάφους και σε μικρότερο βαθμό από τα βιομηχανικά και οικιακά λύματα.

Οι παράμετροι που εκφράζουν ποσοπκά τα διάφορα χαρακτηριστικά των αιωρούμενων στερεών στα φυσικά νερά και τα λύματα είναι:

α) Το σύνολο των περιεχόμενων στερεών ουσιών (TTS total solids) προσδιορίζεται με εξάτμιση του νερού σε 103 ° C και ζύγισμα.

β) Τα σταθερά και πτητικά συνολικά στερεά (fixed and volatile solids) που προσδιορίζονται με καύση του στερεού υπολείμματος στους 550°C.

γ) Τα αιωρούμενα και διαλυμένα στερεά SS, DS, (Suspended and dissolved solids). Τα αιωρούμενα προσδιορίζονται μετά από κατακράτηση σε ηθμό ορισμένης διαμέτρου (0,47 μπι)και η διαφορά τους από τα ολικά δίνει τον αριθμό των διαλυμένων

δ) Τα αιωρούμενα διακρίνονται σε καθιζάνοντα και μη καθιζάνοντα (settleable and non settleable solids)

Τα κυριότερα προβλήματα από την παρουσία των αιωρούμενων στερεών στα φυσικά νερά είναι:• Μειώνουν την διαπερατότητα του φωτός με αποτέλεσμα την μείωση του ρυθμού της

φωτοσύνθεσης.. Είναι επιβλαβή για τους υδρόβιους οργανισμούς

Σε αρκετές περιπτώσεις μεταφέρουν σε προσροφημένη κατάσταση διάφορες τοξικές ουσίες.

6.6 ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΣ

Οι αυτότροφοι οργανισμοί (παραγωγοί) μετατρέπουν τα απλά ανόργανα άλατα (θρεπτικά) παρουσία του φωτός σε οργανικές ενώσεις (πρωτεΐνες). Από τους πιο χαρακτηριστικούς αυτότροφους οργανισμούς των φυσικών νερών είναι τα άλγη (φύκη και φυτοπλαγκτόν). Οι ετερότροφοι οργανισμοί (καταναλωτές) καταναλώνουν τις οργανικές ενώσεις που παράγουν οι αυτότροφοι και παράγουν mo σύνθετες μορφές οργανικών ενώσεων. Η δυναμικότητα της παραπάνω τροφικής αλυσίδας ρυθμίζεται από την παρουσία των θρεττηκών συστατικών από τα οποία τα άλατα του αζώτου και του φωσφόρου παίζουν καθοριστικό ρόλο.

Η παρουσία μεγάλων συγκεντρώσεων σε θρεπτικά άλατα στα φυσικά νερά κυρίως σε αβαθή, ανατρέπει την φυσιολογική ροή της τροφικής αλυσίδας και οδηγεί σε ανεξέλεγίοτη ανάπτυξη των αλγών και των φυτικών οργανισμών. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ευτροφισμός. Όταν τα φυτά πεθαίνουν η οργανική τους ύλη κατά την αποσύνθεση καταναλώνει το διαλυμένο οξυγόνο. Ταυτόχρονα τα απελευθερούμενα θρεπτικά άλατα από την παρουσία των αποδομητών οργανισμών αποτελούν εκ νέου το υπόβαθρο για την νέα αύξηση των αλγών και των φυτών. Η έλλειψη του 02 που εμφανίζεται οδηγεί στο θάνατο των υδρόβιων οργανισμών και στην εmκpάτηση αναερόβιων διεργασιών που προκαλούν δυσοσμία. Στο σχήμα 8 δίνεται παραστατικά η ανατροπή της ανάπτυξης των υδρόβιων οργανισμών λόγω ευτροφισμού.

Αιτία για την εmτάχυvση του φαινομένου μπορεί να αποτελέσει κάθε θρεπτικό συστατικό για τα άλγη που υπάρχει στα υγρά απόβλητα. Ο ευτροφισμός στα νερά των ποταμών και των λιμνών φαίνεται ότι εξαρτάται κυρίως από τα άλατα του φωσφόρου. Έχει παρατηρηθεί ότι όταν το στο νερό περιέχονται 0,012mg/L φωσφόρου (υπό μορφή ενώσεων) και 0,03mg/L αζώτου τότε οι συνθήκες είναι ευνοϊκές για τη ανάπτυξη του ευτροφισμού. Αντίθετα στη θάλασσα ως εmκίvδυvoς παράγοντας θεωρούνται οι ενώσεις του αζώτου.

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα λιμνών που λόγω του ευτροφισμού έχουν γίνει νεκρές (ως προς τη ζωή των ψαριών) τόσο λόγω ανθρωπογενεσιουργών αιτιών όσο και λόγω φυσικών αιτιών. Στην Ελλάδα οι λίμνες της Καστοριάς, των Πρεσπών και των Ιωαννίνων κινδυνεύουν από ευτροφισμό. Το φαινόμενο του ευτροφισμού αν δε διακοπεί έγκαιρα είναι δυνατόν μετά από χρόνια να οδηγήσει τις αβαθείς λίμνες σε έλη και στη συνέχεια σε στεριά

Η αναζωογόννηση τέτοιων υδάτινων χώρων μπορεί να γίνει σε περιορισμένη κλίμακα και σε μικρούς όγκους. Οι τεχνικές περιλαμβάνουν την τεχνητή οξυγόνωση του νερού, την απομάκρυνση των αλγών και τον περιορισμό των θρεπτικών αλάτων. Μερικά πρακτικά και άμεσα μέτρα αvτιμετώmσης του προβλήματος του ευτροφισμού είναι;

α) Περιορισμός της χρήσης φωσφορικών ενώσεων στα απορρυπαντικά

β) Δημιουργία καναλιών γύρω από ευτροφικές λίμνες

γ) Απομάκρυνση της ιλύος από τον πυθμένα, ώστε να αποφευχθεί η επαναδιάλυση τωνφωσφορικών που περιέχονται σε αυτή.δ) Καθαρισμός όλων των λυμάτων που δέχονται οι λίμνες.

Ν,Ρ (περίοοεια)

ΞΥΤΡΟΦΙΓΜΟΕ

'Λνθηοη νεροΰ(κυονοφύκη)Ζωοηλαγκτόν

Ειιιλέοντα φύκια

Σχήμα 8 Ανατροπή ισορροττίας στην ανάπτυξη των υδρόβιων οργανισμών λόγω ευτροφισμού

6.7 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΑ ΥΛΙΚΑ

Μερικά από τα ραδιενεργά υλικά βρίσκονται υπό στοιχειακή μορφή ή σχηματίζονται με φυσικούς μηχανισμούς και άλλα παρασκευάζονται από τον άνθρωπο. Το κυρίως περιβαλλοντικό πρόβλημα προέρχεται από τα ραδιενεργά απόβλητα που προκύπτουν από την χρήση του ουρανίου στους πηρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Οι κυριότερες ανθρώπινες δραστηριότητες που προκαλούν ρύπανση με ραδιενεργά υλικά είναι:

α) Η ε£όρυ£ιι και ο εαπλουτισαόΰ των ορυκτών του ουρανίου για την παραγωγή ραδιενεργών υλικών Το υλικό που παράγεται είναι το U2O3 (1-2,51τ§/τόννο). Με τις φυσικοχημικές διεργασίες παραλαβής του ουρανίου (εμπλουτισμός) μία ποσότητα αυτού παραμένει στα απόβλητα τα οποία δημιουργούν πρόβλημα όταν συσσωρεύονται τεράστιοι σωροί.

Οι σωροί αυτοί περιέχουν ραδιενεργό ουράνιο που διασπάται σιγά-σιγά (ημιπερίοδος ζωής εκατομμιύρια χρόνια) γεμίζοντας τις περιοχές απόθεσης με ραδιενεργό ακτινοβολία. Δύο προϊόντα αυτής της διάσπασης είναι το Th=230(80 χρόνια) και Ra-226(1600 χρόνια). Η βροχή μπορεί να παρασύρει μέρος των σωρών προς τους υδάτινους αποδέκτες ρυπαίνοντας αυτούς. Τα στοιχεία Th και Ra παρουσιάζουν φυσικοχημικές ομοιότητες με Ca και μπορούν να απορροφηθούν από τα οστά του ανθρώπου. Εγκαταστημένα στο εσωτερικό του σώματος ακτινοβολούν καταστρέφοντας ιστούς και σε βαριές περιπτώσεις προκαλούν θάνατο,

β) Η γηιίστι των ηαδιενεηνών υλικών για την παραγωγή ττυρηνικών όπλων και κυρίως οι δοκιμές αυτών αποτελούν μία σημαντική πηγή ρύπανσης. Τα πυρηνικά όπλα περιέχουν διάφορα ραδιενεργά στοιχεία μικρής και μεγάλης ημιπεριόδου ζωής. Δύο γνωστές και χαρακτηριστικές περιπτώσεις είναι του Sr-90(28 χρόνια) και Cs-137 (30 χρόνια) τα οποία απορροφούνται από το περιβάλλον (νερού,λαχανικά, ζώα) από τα οποία τα παραλαμβάνει ο

άνθρωπος. To Sr-90 απορροφάται από τα οστά και τα δόντια και εττηρεάζει στην συνέχεια το μυελό των οστών (βασική πηγή σχηματισμού των κυττάρων του αίματος) και προκαλεί αναιμία. Το Cs-137 μοιάζει με το Κ και εισέρχεται στα κύτταρα και επηρεάζει κυρίως τα μαλακά μέρη του σώματος.

y) Οι πυρΐΐνικοί σταθαοί παοανωντίε ενέονειαε δτιαιουονούν ίσως τα πιο σοβαρά προβλήματα ρύπανσης με ραδιενεργά υλικά. Στους πυρηνικούς σταθμούς η ενέργεια παράγεται από πυρηνικές σχάσεις (αντιδράσεις) και δεν υπάρχει πρόβλημα από αέρια καύσεως.

Τα κυριότερα προβλήματα ρύπανσης προέρχονται κυρίως:

• Από διαρροές ραδιενέργειας σε περιπτώσεις κακής συγκόλλησης μετάλλων• Από τα προϊόντα σχάσεως (στάχτες των πυρηνικών καυσίμων) που είναι απόβλητα

μεγάλης ακτινοβολίας και πρέπει να αποτίθενται σε ασφαλή μέρη. Τα προϊόντα της σχάσης συνήθως αναμιγνύονται με τσιμέντο και άλλα αδρανοποιητικά υλικά και σφραγίζονται σε δοχεία από ανοξείδωτο χάλυβα και θάβονται σε γνωστά παλαιά ορυχεία.

• Από τους εναλλάκτες θερμότητας (νερά ψύξης του αντιδραστήρα) από όπου γίνονται συνήθως οι διαρροέςΗ βλάβη από μία ακτινοβολία μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: α) σωματική που αφορά

τα άτομα που προσβάλλονται και β) η γενετική τα αποτελέσματα της οποίας εμφανίζονται στις επόμενες γενιές. Η σωματική βλάβη εμφανίζεται ύστερα από μερικούς μήνες ή χρόνια και τα χαρακτηριστικά συμπτώματα είναι διάφορα καψίματα βλάβες στην όραση και στειρότητα. Τα όργανα μεγάλης ευαισθησίας στις ακτινοβολίες είναι τα μάτια η σπλήνα τα όργανα αναπαραγωγής το γαστροεντερικό σύστημα και ο μυελός των οστών.

6.8 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Η θερμότητα που αποδίδεται στο υγρό περιβάλλον συνήθως από θερμοηλεκτρικούς και πυρηνικούς σταθμούς (πύργους ψύξης) προκαλεί θερμικές αλλοιώσεις κυρίως στις λίμνες και τα ποτάμια. Η αύξηση της θερμοκρασίας των νερών προκαλεί τα παρακάτω προβλήματα:

α) Μειώνεται η διαλυτότητα του οξυγόνου με αποτέλεσμα την μείωση της συγκέντρωσης του στο νερό.

β) Αυξάνεται η ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων

γ) Με την άνοδο της θερμοκρασίας στο νερό αυξάνεται ο ρυθμός ανάπτυξης των βακτηριδίων που καταναλώνουν μεγαλύτερες ποσότητες νερού.

δ) Μειώνεται η ικανότητα αντίστασης των υδρόβιων οργανισμών στις ασθένειες και τις τοξικές ουσίες.

Έχει παρατηρηθεί ότι ο μεταβολικός ρυθμός των ψαριών μεταβάλλεται με την θερμοκρασία του νερού και έτσι μία αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10°C αυξάνει τις ανάγκες τους σε διαλυμένο οξυγόνο κατά 2 ως 3 φορές. Ταυτόχρονα όμως και η διαλυτότητα του οξυγόνου μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

6.9 ΑΥΤΟΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

Όλα τα φυσικά νερά έχουν την δυνατότητα να αφομοιώνουν κάποιες ποσότητες ρύπανσης νωρίς σοβαρές επιπτώσεις χάρη στον βιολογικό κύκλο που προσαρμόζεται στις ποσότητες των περιεχόμενων θρεπτικών υλικών ή σε οποιεσδήποτε αλλαγές συνθηκών.

Η αφομοίωση των οργανικών ενώσεων στα επιφανειακά νερά είναι μία φυσική ιδιότητα που προστατεύει τους υδρόβιους οργανισμούς και κυρίως τα ψάρια. Ο αυτοκαθαρισμός των φυσικών νερών περικλείει μία ή περισσότερες από τις παρακάτω διεργασίες,

α) Ιζηματοποίηση που προέρχεται από βιολογικές και μηχανικές δράσεις στα νερά. Η διεργασία αυτή συμβάλλει στην απόθεση στον βυθό προϊόντων αναερόβιων διεργασιών που αν επανέλθουν στο διάλυμα μπορούν να δεσμεύουν αρκετό οξυγόνο, β) Χημική οξείδωση των αναγωγικών ενώσεων

γ) Βιοχημική οξείδωση που είναι η πιο σημαντική διεργασία στον αυτοκαθαρισμό του νερού. Η παρουσία του διαλυμένου οξυγόνου είναι ζωτική για τα φυσικά νερά ώστε να διατηρούνται οι αερόβιες συνθήκες. Οι ποσότητες του διαλυμένου οξυγόνου καθορίζονται από διάφορους παράγοντες όπως η θερμοκρασία, BOD, αλμυρότητα αλλά η πιο σπουδαία είναι ο αερισμός του νερού.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ

7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το αυτοκίνητο και η βιομηχανία είναι οι κοριότερες ανθρωπογενείς ττηγές ρύπανσης του αιώνα μας. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται περιγραφή της τεχνολογίας που έχει αναπτυχθεί για την αντιμετώπιση των εκπομπών των αυτοκινήτων ενώ στη συνέχεια γίνεται ανασκόπηση των τεχνολογιών που εφαρμόζονται για τον έλεγχο των στάσιμων ττηγών ρύπων δηλαδή της βιομηχανίας όπου η ποικιλία και η ποσότητα των εκπομπών είναι πολύ μεγάλη.

Η επικρατέστερη τεχνολογία ελέγχου των εκπομπών των αυτοκινήτων «ακούει» στο όνομα «καταλυτικός μετατροπέας» (Catalytic Converter). Η επιστήμη που ασχολείται με την ανάπτυξη και την εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής ονομάζεται «Περιβαλλοντική Κατάλυση» (Environmental Catalysis). Είναι αυτή που αναπτύσσει μεθόδους και τεχνικές αντιμετώπισης των κύριων πηγών που προέρχονται από τα αυτοκίνητα (Co, Νοχ, VOCs, SO2) αλλά και από μία σειρά βιομηχανιών και μονάδων παραγωγής ενέργειας ή γενικότερα από τις διεργασίες καύσης υδρογονανθράκων και γαιανθράκων. Η περιβαλλοντική κατάλυση βασίζεται στις καταλυτικές ιδιότητες ορισμένων μετάλλων που ανταποκρίνονται στην καταστροφή των σχετικών ρύπων.

7.2 ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ

Το 60% και πλέον της ρύπανσης που εκπέμπει ένα αυτοκίνητο στο περιβάλλον προέρχεται από την εξάτμιση. Οι κύριοι ρύποι που θα εξέλθουν από τις μηχανές εσωτερικής καύσης είναι το CO, τα οξείδια του αζώτου (ΝΟχ) και άκαυστοι υδρογονάνθρακες (VOCs). Καταλυτικός μετατροπέας είναι μία συσκευή που τοποθετείται στο σύστημα εξαγωγής των καυσαερίων των αυτοκινήτων και έχει ως σκοπό την μετατροπή των εκπεμπόμενων ρυπών σε αβλαβή για την ατμόσφαιρα καυσαέρια όπως το Η2Ο και C02.

Οι κυριότερες αντιδράσεις καταστροφής ρύπων που επιτελούνται σε ένα καταλυτικό μετατροπέα είναι οι ακόλουθες:

Μονάδα ηλεκτρο­νικού ελέγχου

Καταλυτικόςμετατροπέας

Σχήμα 1 Τοποθέτηση του καταλυτικού μετατροπέα στο σύστημα εξαγωγής των καυσαερίων των αυτοκινήτων

(i) Αντιδράσεις οξείδωσης:

C 0 + 02 ^ CO2 + H2O

C Hy + (x+y/4) Ο2 xC02 + (y/2) Η2Ο

(ii) Αντιδράσεις αναγωγής των ΝΟ^:

NO + C0 CO2 + Ά Ν2 (+Ν2Ο)

(2x+y/2) NO + C,Hy XCO2 + (x+y/4) Ν2 + (y/2) H2O (+N2O)

Αυτές είναι μόνο μερικές αν και οι κυριότερες από τις αντιδράσεις που συμβαίνουν στον μετατροπέα. Μία πληρέστερη εικόνα δίνεται στο σχήμα 2.

Ν^η- CO C+N O)

H2 + CO

CO + Η2Ο C02 + Η20

N2+H20 + C02(+N20) NHj + H2O + C02(+N20) H2O

NH3 + H2O

N2 + H2O N2 + H2O NO + H2O

Σχήμα 2 Πιθανές χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στον καταλυτικό μετατροπέα. Η πραγματοποίηση πολλών εζ’αυτών εζαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα.

Ας σημειωθεί επίσης ότι η δεύτερη ομάδα των αντιδράσεων αφορούν την ταυτόχρονη καταστροφή δύο ρύπων αλλά συγχρόνως οδηγούν στην δημιουργία Ν2Ο το οποίο αν και δεν είναι τοξικό σε μικρές ποσότητες γνωρίζουμε τις διάφορες επιδράσεις του στην ατμόσφαιρα (τρύπα του όζοντος , φαινόμενο του θερμοκηπίου). Βέβαια το ποσοστό Ν2Ο που θα παραχθεί από αυτές τις δύο αντιδράσεις εζαρτάται από αυτό που ονομάζουμε Ν2/ Ν2θ-εκλεκτικότητα των χρησιμοποιούμενων καταλυτικών συστημάτων. Ορίζεται από τη σχέση:

S Ν2/ Ν20= RN2/ (RN2+RN20)

οπού Rn2 και Rn20 είναι οι ρυθμοί με τους οποίους παράγονται το Ν2 και το Ν2Ο αντίστοιχα. Η ιστορία των καταλυτικών μετατροπέων είναι κάπως πρόσφατη. Η πρώτη τους εμφάνιση έγινε στις Η.Π.Α. (περίπου το 1974) μετά από μία διά νόμου απαίτηση της μείωσης των εκπομπών των υδρογονανθράκων και του CO στην Καλιφόρνια την δεκαετία του 1960. Η Ευρώπη άρχισε να εμπλέκεται στην παραγωγή και τη χρήση τους μόλις το 1984 ενώ στην Ελλάδα άρχισαν να παρουσιάζονται το 1987. Αυτά τα χρόνια η χρήση τους συνεχώς επεκτεινόταν λόγω φυσικά των περιορισμών που θεσπίστηκαν από διάφορα κράτη αλλά και λόγω της τροποποίησης της βενζίνης (χρήση της αμόλυβδης). Σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν αλλά και το σύνολο αυτών που παράγονται

είναι καταλυτικά: Χρησιμοποιούν δηλαδή στις εξατμίσεις τους καταλυτικούς μετατροτιείς. Ωστόσο και η εξέλιξη των καταλυτικών μετατροπέων συνεχίζεται ραγδαία λόγω των συνεχών αυξανόμενων απαιτήσεων στην απόδοση τους, εφόσον οι κανόνες και οι περιορισμοί που θέτονται είναι συνεχώς αυστηρότεροι.

Η ιστορία των καταλυτικών μετατροπέων πέρασε από τα ακόλουθα στάδια:

α) Ξεκίνησαν από τους ονομαζόμενους οξειδωτικούς καταλυτικούς μετατροτιείς ή διοδικούς που σκοπό είχαν την αντιμετώπιση κυρίως των CO και υδρογονανθράκων μέσω των αντιδράσεων οξείδωσης.

β) Πέρασαν στους καταλυτές διπλής κλίνης όπου τώρα ο οξειδωτικός καταλυτικός μετατροπέας συνδυάζεται και με ένα αναγωγικό ( ο δεύτερος τοποθετείται πρώτος στην αλληλουχία) που καλείται να αντιμετωπίσει και τα οξείδια του αζώτου διαμέσου των αντιδράσεων αναγωγής.

γ) Σήμερα (πρωτοεμφανίστηκαν το 1979) έχουμε περάσει σε μία νέα γενιά καταλυτικών μετατροπέων μίας κλίνης που επιταχύνουν την ταυτόχρονη μετατροπή όλων των ρύπων. Τους ονομάζουμε τριοδικούς καταλυτικούς μετατροπείς (Three Way Converters, TWC). Αντίστοιχα η χημεία των καταλυτικών αντιδράσεων καταστροφής των ρύπων έχει καθιερωθεί με την ονομασία τριοδική καταλυτική χημεία (Three Way Catalytic Chemistry)

(a) Οξειδωτικός καταλύτης

Αναγωγικός Οξειδωτικός καταλύτης καταλύτης

(ΝΟχ) (CO, HQ

Σύστημα προετοι­μασίας μίγματος

I Προσαγωγή αέρα

(β) Καταλύτης διπλής κλίνης

Σχήμα 3 Οι τρεις τύποι καταλυτικών μετατροπέων

Σχήμα 4 Ο τριαδικός καταλυτικός μετατροπέας και τα βασικά του στοιχεία

7.3 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΤΡΙΟΔΙΚΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

1) Από ένα μεταλλικό εξωτερικό περίβλημα

2) Από ένα κεραμικό συνήθως μονόλιθο. Ο μονόλιθος έχει κυψελοειδή μορφή με διαμήκη κανάλια μέσα από τα οποία διέρχονται τα καυσαέρια. Ο αριθμός των καναλιών ανέρχεται σε μερικές εκατοντάδες (περίπου 400 κανάλια/ίη^). Το υλικό κατασκευής του μονόλιθου είναι κορδιερίτης ένα ιδιαίτερο θερμοανθεκτικό υλικό με σχεδόν μηδενικό συντελεστή θερμικής διαστολής. Ενίοτε κυκλοφορούν και καταλυτικοί μετατροπείς με σφαιρίδια ή μεταλλικό μονόλιθο αλλά σε μικρότερη έκταση.

3) Από μία ενδιάμεση επίστρωση (wash coat): Πάνω στον μονόλιθο υπάρχει μία ετήστρωση (wash coat) σε ποσότητα περίπου 20% κβ στην οποία είναι οι υποστηριγμένες οι καταλυτικά ενεργές φάσεις. Ως ενδιάμεση επίστρωση επιλέγεται συνήθως η γ-ΑΠΟι υλικό που διαθέτει μεγάλη επιφάνεια (της τάξης των 100-200 mVg) για να διασπαρθούν με την βέλτιστη δυνατή διασπορά οι ενεργές φάσεις. Στο στρώμα της γ-ΑΠΟι είναι συχνή και η χρησιμοποίηση ενισχυτών (όπως π.χ. Ce02, BaO, Nio) για την σταθεροποίηση αλλά και την αύξηση της δραστικότητας των ενεργών φάσεων.

4) Από τις καταλυτικά ενεργές φάσεις: Ο τριαδικός καταλυηκός μετατροπέας χρησιμοποιεί ως καταλυτικά ενεργές φάσεις τα μέταUα Pt, Pd, και Rh ή συνδυασμό από αυτά.

5) Από τον λήπτη λάμδα (λ): Είναι ένας ηλεκτροχημικού τύπου αισθητήρας οξυγόνου ο οποίος ελέγχει συνεχώς την συγκέντρωση του οξυγόνου στα καυσαέρια (στο σημείο εισόδου τους στον μετατροπέα). Κατόπιν με την βοήθεια ενός ηλεκτρονικού συστήματος γίνεται αυτόματη ρύθμιση στην αναλογία καυσίμου προς αέρα στο

σύστημα τροφοδοσίας του κινητήρα (καρμπυρατέρ) για την βελτιστοποίηση της διεργασίας του κινητήρα και της λειτουργίας του μετατροτιεα.

Στον πίνακα 1 συγκεντρώνονται τα χαρακτηριστικά κ τριαδικού καταλυτικού μετατροπέα.

ι οι συνθήκες λειτουργίας ενός

Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά κατασκευής και συνθηκών λειτουργίας τριαδικού καταλυτικού μετατροπέα.

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ - -ΦΟΡΕΑΣ · Μονόλιθος κορδιερίτη (~400.κανάλια/ιιι . ·

πάγος τοιγώιϊατος ~0.·15mm) - ■ΕΝΔΙΑΜΕΣΗ ΕΠΙΣΤΡηΣΗ (wash; coat) γ-Αΐ2θ 3 (+πρσσθετα: CeOz BaO, La203'^ ^ ,:

ΝίΟ) - ■' 'ΕΝΕΡΓΕΣ ΦΑΣΕΙΣ ΡΙ, Rh, Pd- Pt/Rh-5/1: (1.25-1 5 g/1) yΦΑΙΝΟΜΕΝΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ. 0.45 kg/1 ■“ · '

-------------------------- -Γ.ΥΝΟΗΚΕΣ ΑΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ‘ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - , ~ 300-900“C - -V - : - : ΠΧΡΟΝΟΣΧηΡΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ -f 100,000-200,000 hr'ΚΥΒΙΣΜΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ / ΟΓΚΟ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ι··:;?·!

0 8-15 i - . “ '

υλραΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ .ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΡΥΠΩΝ ίΥελ=Ό 99+0,06; HCs>80%,‘GQ & NO>70%?

7.4 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΟΔΙΚΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ

Η εγκατάσταση του τριαδικού καταλυτικού μετατροπέα στο αυτοκίνητο συνοδεύεται από ένα ειδικό κλειστό σύστημα ελέγχου που απαρτίζεται από τον λήπτη λάμδα (λ) και ένα ηλεκτρονικό σύστημα με το οποίο γίνεται συνεχής ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου στο κινητήρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη καλή καύση στον κινητήρα σε συνδυασμό με τη βέλτιστη λειτουργία του μετατροπέα. Το σύστημα διατηρεί στον κινητήρα την ανάμιξη αέρα- καυσίμου σε στοιχειομετρική αναλογία. Ο στοιχειομετρικός λόγος βάρους αέρα-καυσίμου υπολογίζεται με βάση την αντίδραση τέλειας καύσης ενός υδρογονάνθρακα CxHy που υποθέτουμε ότι αντιπροσωπεύει όλο το καύσιμο.

CHy + (x+y/4)02 -> xC02 + (y/2)H20

(Αέρας/Καύσιμο)„οιχ =

. (A f f ) . „ , , = 2 « i W £ ± 2 M = 34 .4 l i f e ^I2x + y U (x ly ) + l

Σχήμα 5 Απόδοση των τριαδικών καταλυτικών μετατροπέων συναρτήσει του λόγου αέρα/καύσιμο (A/F). Παράθυρο λ

ο λόγος x7y αντιστοιχεί στην μέση αναλογία αριθμού ατόμων άνθρακα και υδρογόνου στο καύσιμο. Για τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στην πράξη ο στοιχειομετρικός λόγος A/F είναι περίπου ίσος με 14,7 (δηλαδή κάτι μεταξύ των μοριακών τύπων CiHm).

Το πηλίκο της πραγματικής προς την στοιχειομετρική αναλογία αέρα-καυσίμου το ονομάζουμε δείκτη λ (ή λόγος ισοδυναμίας λ)

Για λ>1 το μίγμα χαρακτηρίζεται φτωχό (σε καύσιμο) ενώ για λ<1 πλούσιο. Από τον μετατροπέα επιτυγχάνεται πλήρης μετατροπή του CO και των υδρογονανθράκων σε συνθήκες περίσσειας αέρα δηλαδή για λ>1 ενώ αντίθετα μία τέτοια κατάσταση δεν ευνοεί τις αναγωγικές αντιδράσεις λόγω ανταγωνιστικής διάθεσης του οξυγόνου προς το NO. Η απομάκρυνση των ΝΟχ ευνοείται σε λ>1 (αναγωγικές συνθήκες). Οι τριαδικοί καταλυτικοί μετατροπείς αυτορυθμίζονται ώστε να λειτουργούν σε μία περιοχή του λ κοντά στην τιμή 1 με μία ελαφρά διάθεση προς την πλευρά του πλούσιου μίγματος (λ>1). Η περιοχή αυτή ονομάζεται παράθυρο λ (Lambda window).

Ο λήπτης λ (Lambda sensor) που είναι εγκατεστημένος στην είσοδο του καταλυτικού μετατροπέα ανιχνεύει το Οι και σε κάθε απόκλιση από την στοιχειομετρική αναλογία (λ=1) ενεργοποιεί αυτόματα μία μεταβολή στην ανάμιξη αέρα-καυσίμου στο σύστημα τροφοδοσίας του κινητήρα για την σχετική διόρθωση. Η λειτουργικότητα των καταλυτικών μετατροπέων συνηθίζεται να παρουσιάζεται σε διαγράμματα θερμοκρασίας έναυσης (Light off temperature). Αυτά απεικονίζουν την μετατροπή των ρύπων σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας. Ονομάζουμε δε τη θερμοκρασία έναυσης την θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε 50% μετατροπή του ρύπου. Είναι προφανές ότι όσο καλύτερος είναι ένας καταλυτικός μετατροπέας τόσο χαμηλότερη θα είναι η τιμή των θερμοκρασιών έναυσης που επιτυγχάνει.

Σχήμα 6 Τυτηκό διάγραμμα έναυσης (μεταβολή της μετατροπής με την θερμοκραιτία). Σύγκριση της δραστικότητας ευγενών μετάλλων για την αναγωγή του NO από CO. Σύσταση τροφοδοσίας 0,5% NO, 2,0% CO σε αργό (Ατ)

7.5 ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ

Η λειτουργικότητα (απόδοση) ενός καταλυτικού μετατροπέα υποβαθμίζεται με τον χρόνο για δύο κυρίως λόγους:

ϊ) Εξαιτίας της σταδιακής δηλητηρίασης (απενεργοποίησης) των δραστικών μετάλλων

ϋ) Εξαιτίας της θερμικής γήρανσης

Η δηλητηρίαση οφείλεται στην κατασταλτική δράση ορισμένων στοιχείων που υπάρχουν στα καύσιμα όπως ο φώσφορος , ο μόλυβδος, το θείο, το μαγγάνιο, ο άνθρακας τα οποία προσροφούνται ισχυρά στην ενεργή επιφάνεια των ευγενών μετάλλων προκαλώντας συν το χρόνο σημαντική ελάττωση τής καταλυτικά ενεργής επιφάνειας και έτσι μείωση της απόδοσιις του καταλύτη. Ο φώσφορος περιέχεται σε μικρές ποσότητες στα καύσιμα (περίπου 0 002-0,1 mg/1) αλλά παράγεται και από την κατανάλωση των λαδιών της μηχανής όπου βρίσκεται σε μεγαλύτερες ποσότητες (1,2 mg/1). Η αμόλυβδη βενζίνη περιέχει μόλυβδο σε μικρές ποσότητες (περίπου 1 mg/1) ενώ τα καυσαέρια περιέχουν 20 ppm θείο υπό μορφή S02. Το μαγγάνιο είναι πρόσθετο της βενζίνης με σκοπό την βελτίωση των αντικροτικών

ιδιοτήτων^ς^^^^^ ενός καταλυτικού μετατροπέα σε υψηλές θερμοκρασίες προκαλεί σοβαρή υποβάθμιση της απόδοσής του. Οι υψηλές θερμοκρασίες ευνοούν την σύντηξη των

κρυσταλλιτών των ευγενών μετάλλων και έτσι την ελάττωση της ενεργής ετηφάνειας του καταλύτη. Μάλιστα ευνοείται και μία κραματοποίηση του Rh με το Pd οπού το προκύπτον κράμα εμφανίζει σημαντικά μειωμένη δραστικότητα και εκλεκτικότητα στις σχετικές αντιδράσεις. Θερμοκρασίες λειτουργίας μεγαλύτερες από 900“ C προκαλούν σε μικρό χρονικό διάστημα εκτεταμένες καταστροφές στον καταλύτη.

7.6 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΚΑΤΑΛΥΣΗ

Η ετηστήμη της Περιβαλλοντικής κατάλυσης δραστηριοποιείται με ενδιαφέρον στην ανάπτυξη νέων καταλυτικών συστημάτων που θα έχουν ενισχυμένη απόδοση και εκλεκτικότητα για τις αντιδράσεις αναγωγής των οξειδίων του αζώτου σε τέτοιο βαθμό που θα ανταποκρίνονται ικανοποιητικά στα συνεχώς αυστηρότερα όρια που θεσπίζονται. Από την άλλη πλευρά επιδιώκουμε τα νέα αυτά τεχνολογικά προϊόντα να είναι οικονομικότερα των υπαρχόντων. Δεν είναι υπερβολή αν πούμε ότι κάθε χρόνο καταγράφονται περισσότερες από 50 δημοσιεύσεις προσπαθειών ανεύρεσης νέων αποδοτικότερων καταλυτικών συστημάτων και περίπου 5 νέες πατέντες στον τομέα.

Οι προσπάθειες αυτές εντοπίζονται κυρίως στις παρακάτω κατευθύνσεις:

ί) Στην ενίσχυση τ λαμβάνουν μέρος σι

καταλυτικών ιδιοτήτων των ευγενών μετάλλων σε αντιδράσεις που καταλυτικό μετατροπέα με την χρήση ενεργών φορέων.

ϋ) Στην ενίσχυση των καταλυτικών ιδιοτήτων ι προωθητών.

/ ευγενών μετάλλων με την χρήση

ίϋ) Ανεύρεση εντελώς νέων καταλυτών (κατά προτίμηση μη-ευγενών μετάλλων)

ίν) Χρήση πρόσθετων ουσιών στο wash coat (εμπλουτισμός (doping) φορέα) που επαυξάνουν την ενεργότητα την αντοχή και εκλεκτικότητα των ευγενών μετάλλων.

7.7 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΕΣ ΠΗΓΕΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

Η ετήσια παραγωγή σήμερα από τα μέσα μεταφοράς (αυτοκίνητα) είναι τεράστιας έκτασης. Στοιχεία αναφερόμενα μόνο στις Η.Π.Α. δείχνουν ότι οι ετήσιες εκπομπές από τα αυτοκίνητα υπερβαίνουν τα 50 εκατομμύρια kg ΝΟχ. Δεδομένου ότι όλο και περισσότερα οχήματα εισέρχονται στην κυκλοφορία είναι εύκολο να αντιληφθεί κάποιος ότι η ατμόσφαιρα του πλανήτη δεν μπορεί να αντέξει τέτοιους ρυθμούς επιβάρυνσης.

Το ενδιαφέρον λοιπόν εστιάζεται και στην ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών με μικρότερη ή μηδενική ρυπογόνο δραστηριότητα.

Κινητήρες Lean-burn:

Μια τροποποιημένη μηχανή εσωτερικής καύσης που διαθέτει καλά σχεδιασμένη και ελεγχόμενη ανάφλεξη του καυσίμου και μάλιστα σε συνθήκες φτωχές σε καύσιμο (lean

bum) δηλαδή πλούσιες σε οξυγόνο φαίνεται και από πειραματισμούς που έχουν γίνει αρκετά υποσχόμενη. Τα τεστ έδειξαν ότι οι κινητήρες αυτοί έχουν μεγαλύτερη και ενεργειακή απόδοση ανά ποσότητα χρησιμοποιούμενης βενζίνης αλΜ και μειωμένη εκπομπή CO και άκαυστων υδρογονανθράκων.

Ωστόσο τα επίπεδα των εκπεμπόμενων ΝΟχ εμφανίζονται αρκετά υψηλά και το αρνητικό σε αυτό το σημείο είναι ότι η υπάρχουσα τεχνολογία των τριαδικών καταλυτικών μετατροπέων δεν μπορεί να αντιμετωπίσει ικανοποιητικά το πρόβλημα καθώς υφίσταται περίσσεια 02 στα καυσαέρια που δρα ανταγωνιστικά στην μετατροπή των ΝΟχ.

Η περιβαλλοντική κατάλυση αναζητεί τρόπους ανάπτυξης νέων καταλυτικών μετατροπέων ικανών να λειτουργήσουν αποτελεσματικά σε τέτοιες συνθήκες.

• Ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα

Συστήματα μεταφοράς που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια ως κινητήρια δύναμη έχουν ήδη κάνει την εμφάνιση τους με διάφορες μορφές. Η τεχνολογία αυτή των αυτοκινήτων μηδενικών εκπομπών (zero emission cars) όπως ονομάζεται βασίζεται στην χρήση κελιών καυσίμου ή συσσωρευτών ηλεκτρικής ενέργειας.

Πρέπει να αναφερθεί ότι παρόλο που έχουν γίνει επιδείξεις τέτοιων αυτοκινήτων από μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες η έντονη ανταγωνιστική διάθεση της καλά εγκατεστημένης τεχνολογίας των μηχανών εσωτερικής καύσης αλλά και των βιομηχανιών παραγωγής βενζινών τοποθετεί την μαζική παραγωγή αυτού του αυτοκινήτου πέραν του 2015 στις πλέον αισιόδοξες προβλέψεις. Μία όμως ορατή λύση επί τη βάση της μη-τροποποίησης των βιομηχανιών πετρελαίου και παραγωγής βενζινών αλλά της χρήσης αυτών των προϊόντων για παραγωγή Η2 με την κατάλληλη ανάπτυξη βιομηχανιών αναμόρφωσης των υγρών υδρογονανθράκων μπορεί να δώσει νέα ώθηση στα πράγματα. Θυμίζουμε εδώ ότι τα κελιά καυσίμου των αυτοκινήτων λειτουργούν με Η2 που παράγεται συνήθως από την αναμόρφωση του Φυσικού Αερίου. Είναι λοιπόν προφανές ότι η χρησιμοποίηση των υγρών υδρογονανθράκων για την παραγωγή του Η2 θα μπορούσε να μειώσει τις αντιδράσεις των βιομηχανιών πετρελαίου εφ’όσον αυτές εξασφαλίζουν έτσι την εμπορεία των προϊόντων τους.

7.8 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΗΓΩΝ

7.8.1. BagiK0c διεονασίες και τεγνικές για την απομάκρυνση ρύπων

Ο έλεγχος της ρύπανσης που προέρχεται από στατικές πηγές (βιομηχανικές μονάδες) ποικίλλει τόσο όσο σχεδόν και οι υπάρχουσες βιομηχανικές διεργασίες. Κάθε βιομηχανία έχει τις δικές της εκπομπές και τα συστήματα ελέγχου θα πρέπει να σχεδιαστούν ανάλογα.

Οι κύριες διεργασίες (τεχνικές) διαχωρισμού και απομάκρυνσης αερίων ρύπων που χρησιμοποιούνται γενικώς στη βιομηχανία είναι: i) η απορρόφηση με υγρά ϋ) η προσρόφηση με στερεούς προσροφήτες iu) η συμπύκνωση και ΐν) η χημική μετατροπή με καυστήρες ή καταλυπκά φίλτρα.

7.8.2. Σ η σ κ ε υ έ ζ α π ο ο ο ό φ ι ισ η ς

Η διεργασία της απορρόφησης είναι καλά γνωστή από την χρήση της στην βιομηχανία για τον διαχωρισμό των πρώτων υλών αλλά και των παραγόμενων προϊόντων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε πολλές περιπτώσεις και για την απομάκρυνση αερίων ρύπων. Η απορρόφηση των ρύπων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα ετπλεγμένο υγρό έκπλυσης σε πύργους απορρόφησης με πληρωτικά υλικά ή με βαθμίδες ισορροπίας. Οι ρύποι που συνηθίζεται να ελέγχονται με απορρόφηση είναι το διοξείδιο του θείου, το υδρόθειο, το υδροχλώριο, η αμμωνία, σε μερικές περιπτώσεις τα οξείδια του αζώτου καθώς και οι υδρογονάνθρακες χαμηλού σημείου βρασμού.

Η επιλογή του υγρού έκπλυσης γίνεται ανάλογα με το αέριο που επιθυμούμε να απομακρύνουμε. Η διαλυτότητα του αερίου στον υγρό διαλύτη πρέπει να είναι υψηλή έτσι ώστε να απαιτούνται λογικές ποσότητες διαλύτη. Ο διαλύτης πρέπει να έχει χαμηλή τάση ατμών για να μην υπάρχουν απώλειες. Πρέπει να είναι μη διαβρωτικός, φθηνός, μη τοξικός, μη εύφλεκτος, χημικά σταθερός και να έχει χαμηλό σημείο πήξης. Το νερό είναι ο τηο δημοφιλής διαλύτης που χρησιμοποιείται σε συσκευές απορρόφησης. Αυτό σε συνδυασμό με ένα οξύ ή μία βάση μπορεί να παρουσιάσει βελτιωμένη απόδοση στην απομάκρυνση ενός συγκεκριμένου αερίου, π.χ. για την κατακράτηση διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιείται υδατικό διάλυμα Ca(OH)2 ενώ το διοξείδιο του θείου είναι εύκολα διαλυτό σε αλκαλικά διαλύματα έτσι χρησιμοποιούνται συχνά διαλύματα που περιέχουν αμμωνία ή αμίνες.

Τα χλώριο, υδροχλώριο, υδροφθόριο, είναι παραδείγματα αερίων ευδιάλυτων σε νερό. Σε αυτή τη περίπτωση το νερό είναι πολύ αποτελεσματικό για τον έλεγχο τους. Για πολλά χρόνια το υδρόθειο απομακρυνόταν από αέρια διυλιστηρίων με χρήση διαιθανολαμίνης.

Οι ατμοί ελαφρών υδρογονανθράκων σε διυλιστήρια πετρελαίου απορροφούνται υπό πίεση σε υγρή βενζίνη και ανακτώνται. Επειδή πολλοί από τους ρύπους της χημικής βιομηχανίας έχουν και κάποια οικονομική σημασία καταφεύγουμε συχνά στην ανάκτηση τους από τους διαλύτες στους οποίους έχουν απορροφηθεί.

7.8.3. Συσκευές προσρόφησης

Η προσρόφηση μολυσματικών αερίων προτιμάται όταν τα αέρια αυτά έχουν διάθεση εκλεκτικής ρόφησης στην επιφάνεια πορώδων στερεών. Η διεργασία μπορεί να είναι ένα επιφανειακό φαινόμενο μοριακών δυνάμεων (φυσική ρόφηση) αν και κατά κύριο λόγο συμβαίνει μία επιφανειακή χημική αντίδραση (τύπου χημειορόφησης) όταν το αέριο και ο προσροφητής έρθουν σε επαφή.

Τα στερεά υλικά που χρησιμοποιούνται ως προσροφητές είναι συνήθως πολύ πορώδη με εξαιρετικά μεγάλους λόγους επιφάνειας προς βάρος (100-200 mVgr). Τυπικά παραδείγματα στερεών προσροφητών είναι οι ενεργοί άνθρακες (600-2000 mVgr) η γ-Αΐ2θ3 (100-2000 mVgr) και η σιλίκα Si02 (200-600 mVgr). Ο ενεργός άνθρακας για παράδειγμα είναι άριστος για απομάκρυνση ελαφριών υδρογονανθράκων η Si02 καθώς είναι πολικό υλικό έχει άριστη συμπεριφορά στην προσρόφηση πολικών αερίων (είναι χαρακτηριστική η χρήση της στην κατακράτηση υδρατμών) ορισμένοι τύποι ζεόλιθων προσροφούν εκλεκηκά το C02Kai υδρογονάνθρακες.

Οι στερεοί προσροφητές πρέπει να έχουν αντοχή σε θραύση και να αναγεννιούνται ώστε να επαναχρησιμοποιούνται μετά τον κορεσμό τους από τα μόρια αερίων. Με την αναγέννηση του προσροφητή ανακτούμε ταυτόχρονα τα ροφημένα αέρια που πιθανόν να έχουν και κάποια οικονομική αξία.Η απόδοση των περισσοτέρων προσροφητών είναι πολύ κοντά στο 100% στην έναρξη της λειτουργίας και παραμένει εξαιρετικά υψηλή σχεδόν μέχρι ο προσροφητής να κορεσθεί πλήρως από το ροφούμενο είδος. Σε αυτό το σημείο ο προσροφητής πρέπει να ανανεωθεί ή να αναγεννηθεί.

7.8.4. IvuTtvKvojTec

Σε πολλές περιπτώσεις ο πιο επιθυμητός (λόγω ευκολίας) τρόπος ελέγχου εκροών ατμών πτητικών ουσιών μπορεί να γίνει με συμπύκνωση. Οι συμπυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν πριν από άλλες συσκευές ελέγχου ρύπανσης ώστε να απομακρυνθούν συμπυκνώσιμα συστατικά. Οι λόγοι που τους χρησιμοποιούμε είναι: ί) η ανάκτηση πολύτιμων οικονομικά προϊόντων ϋ) η απομάκρυνση συστατικών που μπορεί να είναι διαβρωτικά και να καταστρέψουν τα άλλα μέρη του συστήματος και ϋί) και η ελάττωση του όγκου των αερίων εκροής.

Παρότι η συμπύκνωση μπορεί να επιτευχθεί είτε μειώνοντας την θερμοκρασία είτε αυξάνοντας την πίεση στην βιομηχανική πρακτική γίνεται κατά προτίμηση με μείωση μόνο της θερμοκρασίας.

7.8.5. Χημική μετατροπή ρύπων σε un ονπονόνα υλικά (καυστήοεα και καταλυτικά φίλτρα)

Είναι μία ευρέως χρησιμοποιουμένη μέθοδος για τον έλεγχο των οργανικών αέριων εκπομπών, την οξείδωση των εύφλεκτων συστατικών προς νερό και διοξείδιο του άνθρακα αλλά και για ποικίλες άλλες εφαρμογές όπου ένας ρύπος μπορεί μέσω κάποιας χημικής αντίδρασης να μετατραπεί σε μη-τοξικό συστατικό. Για παράδειγμα η καταστροφή των ΝΟχ βιομηχανικών εκπομπών γίνεται συχνά σε καταλυτικά φίλτρα όπου εκμεταλλευόμαστε την αντίδραση ΝΟχ με αμμωνία για μετατροττή και των δύο σε αβλαβές Ν2.

Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την χημική μετατροπή ρύπων είναι δύο γενικών τύπων; ί) καυστήρες φλόγας όπου τα αέρια οξειδώνονται σε έναν θάλαμο ψεκασμού στην θερμοκρασία αυτογενούς ανάφλεξης ή πάνω από αυτήν και ϋ) καταλυτικά φίλτρα όπου τα αέρια οξειδώνονται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από το σημείο αυτανάφλεξης.

Οι καυστήρες βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή στον έλεγχο αερολυμάτων (αεροζόλ), ατμών και οσμών. Τα καταλυτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται πολύ συχνά στην βιομηχανία για τον έλεγχο των ατμών διαλυτών και των εκπομπών οργανικών ατμών από βιομηχανικούς φούρνους καθώς και για τον έλεγχο των BbS, SO2, ΝΟχ. Ήδη περιγράψαμε και την εκτεταμένη εφαρμογή τους στα αυτοκίνητα.

Το κύριο πλεονέκτημα των καταλυτικών φίλτρων είναι η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας (περίπου 300-500“ C), κάτι που έχει θετικές οικονομικές επιπτώσεις. Ως μειονέκτημα μπορούμε να αναφέρουμε το συχνά υψηλό κόστος του καταλύτη. Όπως έχουμε ήδη αναλύσει στα περισσότερα καταλυτικά συστήματα υπάρχει μία βαθμιαία απώλεια δραστηριότητας εξαιτίας δηλητηρίασης του καταλύτη, έτσι ο καταλύτης πρέπει να αντικαθίσταται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Άλλες μεταβλητές που επηρεάζουν τον σωστό σχεδιασμό και την λειτουργία των καταλυτικών συστημάτων είναι οι ταχύτητες ροής των αερίων (που εκφράζονται μέσω των χρόνων παραμονής) η έκταση της δραστικής επιφάνειας του καταλύτη (που συνήθως εκφράζεται μέσω της διασποράς) και η θερμοκρασία προθέρμανσης που είναι απαραίτητη για την πλήρη μετατροπή των υπό έλεγχο αερίων. Μετά την έναυση οι καταλύτες αυτοσυντηρούνται θερμικά από τον εξώθερμο χαρακτήρα των αντιδράσεων που επιτελούν.

7.9 ΒΑΣΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ: ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ

Ο έλεγχος των στατικών ττηγών μόλυνσης του αέρα απαιτεί την εφαρμογή των τεχνικών ή των συσκευών ελέγχου. Σε μερικές περιπτώσεις για να ετητευχθεί ικανοποιητικός έλεγχος είναι απαραίτητη η χρήση περισσότερων του ενός συστημάτων ή συσκευών που θα συνοδεύεται από ένα σχεδιασμό κατάλληλης αλληλουχίας και συνέργιας αυτών. Τρεις βασικές μέθοδοι προσέγγισης του προβλήματος είναι:

Α) Η μετατροπή της βιομηχανικής διεργασίας σε μία λιγότερο ρυπαντική διεργασία ή ριζική τροποποίηση της υπάρχουσας σε διεργασία χαμηλότερων εκπομπών ρύπων μέσω των αλλαγών στην λειτουργία της.

Β) Η αλλαγή του καυσίμου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας από την βιομηχανία με καύσιμο το οποίο θα δίνει τα επιθυμητά επίπεδα εκπομπών (π.χ. αντικατάσταση του άνθρακα από Φυσικό Αέριο)

Γ) Η εγκατάσταση εξοπλισμού ελέγχου

Εφόσον αυτό είναι εφικτό είναι πάντα προτιμητέο να ελέγχουμε τις εκπομπές μέσα στην πηγή ίσως πριν αυτές να εμφανιστούν παρά να προσπαθήσουμε να βρούμε εκ των υστέρων λύσεις.

7.10 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ, ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΦΡΩΣΗ

Η παραγωγή θερμότητας η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος και η αποτέφρωση έχουν αρκετούς κοινούς παρανομαστές: Βασίζονται στην καύση η οποία προκαλεί την εκπομπή μίας καθορισμένης κατηγορίας ρύπων. Παράγουν εκπομπές σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες και δημιουργούν ρύπανση κυρίως από ιπτάμενη τέφρα ιδιαίτερα όταν καταναλώνουν στερεά καύσιμα. Ο λόγος της ενέργειας που θα απαιτηθεί για να ελεγχθεί η μόλυνση προς την ολική ενέργεια που παράγεται μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό παράγοντα επιλογής του συστήματος ελέγχου.

Υπάρχουν δύο ειδών γενικοί τύποι στάσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας (θερμότητας) ί) θέρμανση οικιακών και εμπορικών χώρων και ϋ) βιομηχανική παραγωγή ατμού. Τα μικρότερα συστήματα (οικιακή και εμπορική θέρμανση) συνήθως υπολογίζονται μόνο όσον αφορά την εκπομπή καπνού αν και μπορεί να παράγουν υπολογίσιμες ποσότητες άλλων αερίων ρύπων. Τα μεγάλα βιομηχανικά συστήματα τα οποία παράγουν ατμό ή ηλεκτρική ενέργεια χαρακτηρίζονται από εκπομπές σε μεγάλους ρυθμούς και απαιτείται να συμβαδίζουν με τα αυστηρά όρια που έχουν θεσπιστεί.

Ο έλεγχος της μόλυνσης του αέρα από τις βιομηχανίες παραγωγής ενέργειας εξαρτάται από το χρησιμοποιούμενο καύσιμο και την διεργασία της καύσης. Εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες σωματιδιακών ρύπων που πρέπει να ελεγχθούν με συσκευές όπως πολλαπλοί κυκλώνες, φΛτρα, εκπλυτές, ηλεκτροστατικά φατρα (ESPs).

To SO2 είναι ένας βασικός ρύπος που παράγουν οι προαναφερόμενες διεργασίες. Η μείωση του διοξειδίου του θείου στα επιθυμητά επίπεδα εκπομπής μπορεί να πραγματοποιηθεί καταρχήν με την χρήση καυσίμων χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο ακόμη και βιομάζας όπως υπολείμματα ξύλου μπορεί να είναι φθηνότερη από την χρήση ενός συστήματος ελέγχου SO2 στην διεργασία.

Αν είναι απαραίτητη μία συσκευή ελέγχου για το S02 μπορούμε να ακολουθήσουμε κάποια από τις μεθόδους που συγκεντρώνονται στον πίνακα 2. Πρέπει αρχικά αποφασιστεί αν το προς χρήση σύστημα θα είναι υγρό ή ξηρό. Πολλά εμπορικά συστήματα χρησιμοποιούν οξείδιο του ασβεστίου, οξείδιο του μαγνησίου ή διαλύματα ττηλού ή γύψου σε υδροξείδιο του νατρίου για την απομάκρυνση του S02.

Πίνακας 2 Πιθανές επιλογές για τον έλεγχο του διοξειδίου του θείου

Μέθοδος ΠαρατηρήσειςΜε ασβεστόλιθο ή

άσβεστο (ξηρό)Ψημένος (ασβεστοποιημένος) ασβεστόλιθος αντιδρά με SO,.

Απομ^ρονση με ξηρό σύστημα ελέγχου σωματιδίωνΜε ασβεστόλιθο ή

άσβεστο (υγρό)Ο ψημένος ασβεστόλιθος αντιδρά με SO, που απομακρύνονται ___________ εν συνέχεια με υγρούς εκπλυτές_________

Με ανθρακικό νάτριο Το ανθρακικό νάτριο αντιδρά με SO, σε ξηρό σύστημα προς σουλφίδιο του νατρίου (NajS) και CO2.Το NaiS απομακρύνεται >

Επεξεργασία με κιτρικά Κιτρικό προστίθεται σε εκπλυτή νερού για να ενισχύσει την διάλυση του SO, στο νερό.

Στην συνέχεια απομακρύνεται S από το διάλυμα του κιτρικού.Προσρόφηση από CuO Τα οξείδια του θείου αντιδρούν με CuO προς Cu7S. Μετά

γίνεται απομάκρυνση με φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων _____________________Cu S_________

Έκπλυση με καυστικά Τα καυστικά εξουδετερώνουν τα SO,. Αυτή η μέθοδος ________χρησιμοποιείται σε μικρές διεργασίες________

Η ξηρά απομάκρυνση του S02 μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τα ίδια χημικά με αυτά των υγρών διαδικασιών προσθέτοντας τα σε ένα θάλαμο υπό μορφή ψεκασμού και έπειτα απομακρύνοντας τα διεσπαρμένα οξείδια με ένα φίλτρο κλασσικού τύπου ή ένα ηλεκτροστατικό φίλτρο (ESP). Η βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έχει τεράστια εμπειρία σε συστήματα ελέγχου S02.

Ο έλεγχος των οξειδίων του αζώτου μπορεί να επιτευχθεί με καταλυτές ή απορροφητές αλλά τα περισσότερα συστήματα ελέγχου έχουν επικεντρωθεί σήμερα στην βελτιστοποίηση της διεργασίας καύσης ώστε να μειωθεί ο σχημαησμός των ΝΟχ. Εξελιγμένοι καταλυτές, εξελιγμένοι καυστήρες, σταδιακή καύση, χρήση χαμηλής θερμοκρασίας (συστήματα ρευστοποιημένης κλίνης) αλλά και πoUά άλλα μέτρα έχουν παρθεί σήμερα για την επίλυση του προβλήματος.

Η αποτέφρωση (στερεών αποβλήτων) μοιάζει με τις διεργασίες παραγωγής ενέργειας καθώς εδώ η κύρια διεργασία είναι η καύση με οξυγόνο. Η διεργασία της αποτέφρωσης σχεδιάζεται ως διεργασία διαχείρισης απορριμμάτων και η οποιαδήποτε μορφή ενέργειας που είναι επόμενο ότι θα παραχθεί θεωρείται δευτερογενές προϊόν. Δεν είναι δηλαδή προς το παρόν

τουλάχιστον ο αυτοσκοπός μας παραγωγή ενέργειας με αυτή τη διεργασία αν και οι υπάρχουσες τάσεις υποδηλώνουν μία τέτοια πιθανή εξέλιξη.

Ένας κλίβανος αποτέφρωσης απορριμμάτων λειτουργεί συνήθως με καύσιμο ποικίλης και περιοδικά μεταβαλλόμενης χημικής σύστασης, υγρασίας, φυσικών ιδιοτήτων και θερμικής αξίας. Επίσης ένα καύσιμο το οποίο χρησιμοποιείται σε ένα μέρος μπορεί να διαφέρει από κάποιο άλλο το οποίο χρησιμοποιείται σε ένα κλίβανο του ίδιου σχεδιασμού αλλά σε διαφορετικό μέρος.

Οι αέριοι ρύποι από τους κλίβανους απορριμμάτων αποτελούνται από μικροσωματίδια (ιπτάμενη τέφρα, άνθρακα, μετάλλια, οξείδια των μετάλλων) εύφλεκτα αέρια όπως CO, οργανικά πτητικά (VOCs) πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) και μη εύφλεκτα υλικά όπως οξείδια του αζώτου οξείδια του θείου και υδροχλώριο.

Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται με δύο μηχανισμούς: θερμικά ΝΟχ όταν ατμοσφαιρικό οξυγόνο και άζωτο ενώνονται στην υψηλή θερμοκρασία του φούρνου και καύσιμα ΝΟχ όταν καίγονται αζωτούχες οργανικές ενώσεις. Οι εκπομπές υδροχλωρίου (HCL) είναι υψηλές λόγω των μεγάλων συνήθως ποσοτήτων αλογονομένων πολυμερών στα απορρίμματα, με σημαντικότερο το πολυβινιλοχλωρίδιο (PVC). Ένα kg καθαρού PVC αποδίδει περίπου θ,6 kg HCL. Οι εκπομπές ΠΑΥ σχετίζονται άμεσα με τον βαθμό ελέγχου της καύσης.

Συστήματα ελέγχου που βασίζονται στην έκλυση με υγρά μπορούν να απομακρυνθούν μερικά υδροδιάλυτα αέρια αλλά το μεγάλο πρόβλημα που παραμιένει είναι η διαχείριση της σωματιδιακής ύλης. Έτσι το σύστημα ελέγχου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης μίας διεργασίας αποτέφρωσης στερεών αποβλήτων αποτελείται συνήθως από μία απλή συσκευή απορρόφησης (έκπλυσης) και ένα πολλαπλό κυκλώνα μικρής διαμέτρου ή ένα ηλεκτροστατικό φίλτρο (ESPs). Οι πολλαπλοί κυκλώνες είναι τα φθηνότερα συστήματα ενώ τα ESPs είναι τα ακριβότερα.

7.11 ΧΗΜΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ

7.1.1.1. Χημικές Βιομηχανίες

Η χημική βιομηχανία περιλαμβάνει ένα σύνολο από βιομηχανίες οι οποίες κυμαίνονται από μικρές ατομικές επιχειρήσεις μέχρι τεράστιες σύνθετες που απασχολούν χιλιάδες υπαλλήλους. Ο αριθμός των κανονισμών που πρέπει να τηρεί η χημική βιομηχανία είναι τόσο εκτεταμένος με αποτέλεσμα να έχουν συσταθεί ειδικές συμβουλευτικές εταιρείες για να βοηθήσουν στον έλεγχό τους.

Αί)Α νόργανες Χημικές Βιομηχανίες

Τα ανόργανα προϊόντα που παράγονται σε εκτεταμένη κλίμακα θα μπορούσαν σε γενικές γραμμές να κατηγοριοποιηθούν σε οξέα βάσεις λιπάσματα χλώριο και βρώμιο.

A 2) Οξέα

Τα κυριότερα παραγόμενα οξέα είναι το υδροχλώριο το υδροφθόριο το νιτρικό το φωσφορικό και το θειικό. Οι εκπομπές των σχετικών βιομηχανιών οι συνήθεις μέθοδοι ελήγχου καθώς και οι διεργασίες της παραγωγής τους φαίνονται στον πίνακα 3.

A3J Βάσεις

Οι κυριότερες βάσεις και καυστικά τα οποία παράγονται από την χημική βιομηχανία είναι το οξείδιο του ασβεστίου, το ανθρακικό νάτριο (σκόνη σόδας) και το υδροξείδιο του νατρίου (καυστική σόδα). Οι εκπομπές και οι συνήθεις μέθοδοι ελέγχου καθώς και οι διεργασίες παραγωγής ταξινομούνται στον πίνακα 4.

Πίνακας 3: Εκπομπές και έλεγχος ρύπων από παραγωγή ανόργανου οξέος

Οξύ Διεργασία παραγωγής ο

Εκπομπές ρύπων Μέθοδοι ελέγχου που : χρησιμοποιούνται

Υδροχλώριο- Ως παραπροϊόν,της . ' " χλωρίωσης ρργονικών;,

Από αλάτι. Συνθετικό HC1

:·"■ HC1 '.' Απορρόφηση' ' '

Υδροφθόριο ■ CaF2+H2S04 StFi4;HF : Έκπλυση με καυσή^-· .·Νιτρικό:.

Από καταλυτική -. οξείδωση της NHjΝ0,:Ν02, Ν2Ο4· Καταλυτικά φίλτρα - ί

.προσρόφηση,?!'λ /' ' απορρόφηση ^

Φωσφορικό

Από στοιχειακό. V· --φώσφοροΣωματιδιακή ύλη. Ενώσεις φθορίου

σακόφιλτρα. ί ■ .

Θερμική διεργασία Τ H3PO4..H2S .r Έκπλυσηαλκαλικά'’Υγρή διεργασία SiF4 ,.HF · Έκπλυ'ση;

, Υπερφοσφωρικά Ενώσεις φθορίου . Έκπλοόήγ. :?'..... 'Θειικό Με την μέθοδο Επαφής S02 , όξινη ομίχλη Ηλεκτροστατικόέφίλτρα

Πίνακας 4; Εκπομπές και έλεγχος ρύπων από παραγωγή ανόργανων βάσεων

Διεργασία παραγωγής Εκπομπές , , . ρύπων

Μέθοδοι ελέγχου που '■

χίιτισ'ίμοποιούνταιΠεριστρεφόμενοι ξηραντήρές, - Κάθετοι, αξονικοί ξηραντήρές;·. Φούρνοι ρευστοστερε κλίνης

Κυκλώνες,σακόφιλτρα, ESPs, εκπλύτές, κτλ

Σωματιδιακή ύληΧλωριούχοςυδράργυρος

Έκπλυση με αλκαλικά. Καταλυτικά' φίλτρα,

προσρόφηση ·

Α4) Λιπάσματα

Η παραγωγή των λιπασμάτων βασίζεται στην παραγωγή φωσφορικών και νιτρικών αλάτων. Η προεργασία των φοσφωρικών ορυκτών παράγει σωματιδιακούς ρύπους κατά την διάρκεια της ξήρανσης του αλέσματος και της μεταφοράς του μεταλλεύματος. Τέτοιου είδους εκπομπές ελέγχονται με έκπλυση ή με φίλτρα. Οι ατμοσφαιρικές εκπομπές και μέθοδοι ελέγχου των διεργασιών παραγωγής φαίνονται στον πίνακα 5. Το λίπασμα του νιτρικού αμμωνίου παράγεται από την εξουδετέρωση του νιτρικού οξέος από αμμωνία. Η κύρια εκπομπή είναι σκόνη ή τα αέρια του νιτρικού αμμωνίου από τον ττύργο συσσωμάτωσης. Το υλικό αποτελείται από σωματίδια μικρότερα του Ιμιη. Ο έλεγχος γίνεται συνήθως με έκπλυση.

Πίνακας 5 Εκπομπές και έλεγχος ρύπων από μονάδες παραγωγής φωσφορικών λιπασμάτων

Διεργασία Εκπομπές ρύπων Μέθοδοι ελέγχου που ·'* χρησιμοποιούνται

Υπεφωσφορικά SiF4,HF i κυκλώνεςΣωματιδιακή ύλη - ■ - έκπλυση ή σακόφιλτρα- ϊ

Διαμμωνιακάφωσφορικά·'

F2, NHj (Κυκλώνες με 30%'' ~ : : φωσφορικό οξύ

σωματιδιακή ύλή ίλ^Τγ * κυκλώνας . ; · ,λ - ακολουθούμενος άτίό

φίλτρα .Τριπλά υπεοΦωσφορικά SiF4, HF , κυκλώνεςΤριπλά υπερφωσφορικά κοκκώδη

Sip4, HF, σώμάτιδιάκή ύλη

πολλατιλά φίλτρα

Α5) Χλώριο και Βρώμιο

Η βιομηχανία παραγωγής χλωρίου έχει ως αποτέλεσμα την εκπομττή χλωρίου στην ατμόσφαιρα από διάφορα σημεία της διεργασίας. Αν η συγκέντρωση του χλωρίου είναι μικρή η συνήθης πρακτική για τον καθαρισμό των αερίων εξόδου είναι η επεξεργασία με αλκαλικά διαλύματα. Η συγκεκριμένη βιομηχανία εξαιτίας της μεθόδου που χρησιμοποιεί εκπέμπει και υδράργυρο (Hg). Οι τεχνικές ελέγχου του Hg περιλαμβάνουν: ί) συμπύκνωση ϋ) χημικό καθαρισμό ίϋ) προσρόφηση με ενεργό άνθρακα. Όσον αφορά το βρώμιο αυτό συνήθως εξάγεται από την επεξεργασία με ατμό των φυσικών ορυκτών αλάτων.

Α6) Οργανικές (Πετροχημικές) διεργασίες

Οι πετροχημικές βιομηχανίες φυσιολογικά παράγουν μεγάλες και σε συνεχή βάση ποσότητες ρύπων στην ατμόσφαιρα. Ο πίνακας 6 δείχνει ης εκπομπές στην ατμόσφαιρα μερικών πετροχημικών διεργασιών μαζί με τα εφαρμοζόμενα μέτρα ελέγχου.

Πίνακας 6 Εκπομπές και έλεγχος ρύπων από πετροχημικές διεργασίες

Πετροχημικήδιεργασία

Εκπομπές ρύπων 'Μέθοδοι ελέγχου

Αιθυλενοξειδίου- Αιθάνιο,.αιθυλένιο, αιθυλενοξείδιο , .

.: Καταλυτικό φίλτρο ,j-.· Γμετατροπέας) »'·'

Φορμαλδευδης Φορμαλδεύδη, μεθανόλη, CO, διμεθυλαιθέρας

Έκπλυση για φορμαλδεύδη και μεθανόλη, καυστήρας για αέριο

■ ■ . Λ )57 -εξόδου ί ■ --Φθολικού ανυδρίτη . . Οργανικά οξέα και ανυδρίτες,:

SOi, CO, σωμαπδιακή ύληΚυκλώνες και συμπιεσμένα

φίλτραΑκρυλονιτρΑίου . vCO, προπυλένιο, προπάνιο,

υδροκυάνιο, ακρυλονιτρίλιο, ακετονιτρίλίδΐ ΝΟχ

Καυστήρες και καταλυτικά •'Ϊϊ.ίξφίλτρα

’ΕΛεξεργοσίας άνθρακατ? Η2, CO, HzS, SO2. GHi, G2H2 Καυστήρας (όγι. έλεγγος SO ^ 'ίΣωματιδιακή ύλη (άνθρακας) '. Σακόφιλτοα '

Διχλωρο-αιθυλενϊου ; "s a CO. GH4,:G2H4, C2H2GI2, ' αρωματικοί διαλύτες

Καυστήρας ακολουθούμενος*· ;από έκπλυση μεκαυστικά για ~το υδροχλωρικό οξή που Οα ·■

παοαγθεί από την καύση

7 .U .2. Μεταλλουργικές βιομηχανίες

Η μεταλλουργική βιομηχανία προσφέρει μερικά από τα πιο έντονα προβλήματα μόλυνσης του αέρα. Οι όγκοι των αερίων είναι τεράστιοι και το αέριο μπορεί να βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτοί οι τεράστιοι ζεστοί όγκοι αερίου μπορεί να μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες σκόνης ή αέρια οξειδίων του μετάλλου μερικά από τα οποία μπορεί να είναι πολύ τοξικά Εκπέμπουν ακόμη αέριους ρύπους όπως το S02 ή το CO σε μεγάλες ποσότητες. Χωρίς αμφιβολία οι μεταUoυpγικές βιομηχανίες είναι υποχρεωμένες να ξοδεύουν τεράστια κεφάλαια για τον έλεγχο των εκπομπών τους.

7.1.1.3. Μη σιδηρούχες μεταλλουργικές διεργασίες

ΓΙ) Αλουμίνιο

Οι εκπομπές από μονάδες αναγωγής αλουμίνας (AbOi) για την παραγωγή αλουμινίου προέρχονται κύρια από τα συστήματα εξαερισμού που έχουν εγκατασταθεί για τον έλεγχο των εκπομπών των ηλεκτρολυτικών κελιών ή από δευτερογενή συστήματα τα οποία ανοίγουν περιοδικά τα κελιά για να ελέγξουν την λειτουργία τους ή να προσθέσουν ηλεκτρολύτη (κρυόλιθο και αλουμίνα)

Το φθόριο που εκπέμπεται από το ηλεκτρολυτικό κελί είναι κατά 90% περίπου σε μορφή υδροφθορίου. Άλλες αέριες εκπομπές είναι: S02, C02, CO, Ν θ 2 , H2S, COS, CS2, SFe, και διάφοροι αέριοι φθορόανθρακες.

Η απόδοση του εξοπλισμού ελέγχου για την απομάκρυνση των φθοριούχων από μονάδες αναγωγής αλουμίνας είναι γενικά υψηλή (.>95%) εφόσον η απομάκρυνση όλων των φθοριούχων είναι μεγάλης σημασίας. Οι εκπομπές των διεργασιών παραγωγής Α1 που εφαρμόζουν τις πλέον σύγχρονες (υψηλής απόδοσης) μεθόδους ελέγχου κυμαίνονται από 1-2 gm/kg παραγόμενου Α1 σε φθοριούχα και 3-6 mg/kg παραγόμενου Α1 σε σωματιδιακούς ρύπους.

Γ2) Βηρύλλιο

Το βηρύλλιο εξάγεται από το ορυκτό στην μορφή του υδροξειδίου του βηρυλλίου το οποίο κατότην μετατρέπεται στο επιθυμητό προϊόν, μέταλλο, οξείδιο ή κράμα. Μερικά από αυτά τα προϊόντα είναι αρκετά τοξικά. Οι συνηθισμένες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των εκπομπών είναι εκπλύσεις κυκλώνες και σακόφιλτρα.

Γ3) Χαλκός

Ο περισσότερος χαλκός παράγεται από σουλφίδια, χρησιμοποιώντας πυρομεταλλουργικές διεργασίες. Οι διεργασίες τήξεως του χαλκού αποτελούνται από φούρνους οροφής και από μετατροπείς. Κάποια ποσότητα χαλκού διαλύεται περαιτέρω ηλεκτρολυτικά για να περιοριστούν οι προσμίξεις στο τελικό προϊόν. Το μεγαλύτερο πρόβλημα της βιομηχανίας χαλκού είναι οι εκπομπές κατά την προετοιμασία του ορυκτού της τήξης και τις διεργασίες ραφιναρίσματος. Οι εκπομπές S02 αυτής της βιομηχανίας είναι μεγάλες (ανέρχονται από 300-1800 mg S02/kg Cu). Σε πολλά χυτιίρια έχουν εγκατασταθεί μονάδες για την μετατροπή του S02 σε θεϊκό οξύ αν και από οικονομικής άποψης μπορεί να μην είναι πάντα κερδοφόρες.

Για την απομάκρυνση της σκόνης και του καπνού χρησιμοποιούνται βαρυτικοί συλλέκτες και ηλεκτροστατικά φίλτρα (ESPs) όπου επιτυγχάνονται αποδόσεις (απομάκρυνση σκόνης και καπνού) ως και 99,7%. Η επεξεργασία της σκωρίας για την οικονομική ανάκτηση του αργύρου, χρυσού, σεληνίου, τελλουρίου και άλλων ιχνοστοιχείων, απαιτεί τήξη και οξείδωση σε φούρνο. Τα αέρια του φούρνου επεξεργάζονται με έκπλυση που ακολουθείται από ένα ESP για να ανακτήσουμε τα μέταλλα.

Γ4) Παραγωγή μολύβδου

Η προ-επεξεργασία των ορυκτών που περιέχουν Pb είναι παρόμοια με αυτή των ορυκτών του χαλκού. Εκπομπές από τις διεργασίες αυτές σχετίζονται με σκόνες, ατμούς και ιχνοστοιχεία.

Η τήξη συνήθως ετητελείται σε μία υψικάμινο αφού πρώτα το ορυκτό συντηχθεί. Η σύντηξη απομακρύνει ως και 85% του θείου.

Τα αέρια της διεργασίας σύντηξης περιέχουν S02, σκόνη και αέρια οξείδια των μετάλλων. Τα αέρια της υψικαμίνου περιλαμβάνουν παρόμοια σωματίδια καθώς ετήσης S02 και CO.

Γ5) Υδράργυρος

Ο υδράργυρος παράγεται εμπορικά από επεξεργασία του σουλφιδίου του υδραργύρου αποσυντίθεται θερμικά για να παραχθεί στοιχειώδης υδράργυρος και διοξείδιο του θείου. Τα καυσαέρια καθαρίζονται αφού περάσουν μέσα από κυκλώνες και ο υδράργυρος συμπυκνώνεται. Το S02 απομακρύνεται πριν τα εξερχόμενα αέρια αφεθούν στην ατμόσφαιρα. Όποιοι ατμοί υδραργύρου διαφύγουν των παραπάνω διαδικασιών συλλέγονται και αφού ψηχθούν ανακτώνται με ένα σακόφιλτρο ή ένα ESP. Άλλα συστήματα χρησιμοποιούν απορρόφηση με υποχλωρικό νάτριο και χλωρίδιο του νατρίου ή προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα ή άλλους ειδικούς προσροφητές. Το όριο εκπομπής που έχει θεσπίσει η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Η.Π.Α. είναι 2,300 gm Hg ανά 24ωρο.

Γ6) Ψευδάργυρος

Οι διεργασίες του ψευδαργύρου είναι πολύ παρόμοιες του χαλκού και του μολύβδου. Ο ψευδάργυρος βρίσκεται ως ZnS σε ορυκτά σφαλερίτη. Οι κύριοι ρύποι της διεργασίας είναι σκόνες, καπνοί, και S02. Οι σωματιδιακές εκπομπές από τις διεργασίες ψευδαργύρου αντιμετωπίζονται με σακόφιλτρα ESPs. Το S02 σε υψηλές συγκεντρώσεις χρησιμοποιείται για την απευθείας παραγωγή θειικού οξέος με την μέθοδο επαφής. Ρεύματα χαμηλής συγκέντρωσης καθαρίζονται με ένα υδατικό διάλυμα αμμωνίας. Το παραγόμενο σε κρυσταλλική μορφή θειικό αμμώνιο χρησιμοποιείται ως λίπασμα.

7.1.1.4. Σιδηρούχες Μεταλλουργικές Διεργασίες

Οι βιομηχανίες σιδήρου και χάλυβα κατηγοριοποιούνται γενικά α) σε εργοστάσια χάλυβα που παράγουν φύλλα ή σχηματοποιημένες χάλυβες και β) σε χυτήρια τα οποία παράγουν σίδηρο ή χάλυβα σε καλούδια. Μερικά εργοστάσια χάλυβα χρησιμοποιούν φούρνους ηλεκτρικών τόξων με κομμάτια χάλυβα ως πρώτη ύλη αν και στην πλειοψηφία τους είναι μεγάλα ολοκληρωμένα εργοστάσια με δυνατότητες παραγωγής κωκ χυτοσιδήρου και χάλυβα κατασκευής συρμάτων και άλλων επεξεργασιών ολοκλήρωσης του προϊόντος

Ο σίδηρος παράγεται σε ογκώδεις κατασκευές που ονομάζονται υψικάμινοι. Ορυκτό, ασβεστόλιθος και κωκ φορτώνονται στην υψικάμινο θερμαίνονται και αντιδρούν για να σχηματίσουν ένα αναγωγικό αέριο το οποίο ανάγει το οξείδιο του σιδήρου σε μεταλλικό σίδηρο. Ο σίδηρος αντλείται από τον φούρνο μαζί με σκωρία που περιέχει τις προσμίξεις. Τα αέρια της υψικαμίνου εκπέμπονται από την κορυφή του φούρνου ψύχονται και καθαρίζονται από την στάχτη πριν ανακυκλωθούν για ανάφλεξη στους κλιβάνους παραγωγής θερμότητας της υψικαμίνου. Οι εκπομπές της διεργασίας παραγωγής σιδήρου επεξεργάζονται με εκπλύσεις, κυκλώνες ESP και άλλα φίλτρα.

Η διεργασία παραγωγής χαλύβων σχετίζεται με παραγωγή σωματιδιακών ρύπων με μία παραγωγικότητα της τάξης των 6-11 kg ανά τόνο χάλυβα. Η περισσότερη από την σωματιδιακή ύλη είναι σίδηρος ή οξείδιο του σιδήρου. Ο έλεγχος της σωματιδιακής ύλης επιτελείται συνήθως με ESPs. Μικρές μόνο ποσότητες S02 εκπέμπονται από την διεργασία.

Προσμίξεις όπως νικέλιο, χρώμιο, μαγγάνιο, και άλλα μέταλλα προστιθέμενα στον χάλυβα αυξάνουν την αντίσταση στη διάβρωση, την σκληρότητα και την αντοχή του. Κατά την παραγωγή τέτοιων κραμάτων εκπέμπονται άφθονες ποσότητες S02, CO σωματιδιακής ύλης και ατμών των μετάλλων και των οξηδίων τους.

L

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΩΝ ΡΥΠΩΝ

8.1 ΓΕΝΙΚΑ

Η σωματιδιακή ύλη παρουσιάζει μεγάλη ποικιλία στην κατανομή μεγέθους σωματιδίων, στο σχήμα, στη χημική σύσταση, στο ειδικό βάρος, στην ττυκνότητα, στην ευθραυστότητα, στην ηλεκτρική αγωγιμότητα, στη συνοχή, στο πόσο υγροσκοπική και κολλώδης είναι. Η ετηλογή του εξοπλισμού για την αφαίρεση της σκόνης περιπλέκεται ακόμα περισσότερο από την ποσότητα και την ποιότητα του επεξεργασμένου αερίου.

Εξαιτίας αυτών των απεριορίστων μεταβλητών το πρώτο βήμα στην επιλογή του εξοπλισμού για την αφαίρεση της σκόνης είναι η αναγνώριση του προβλήματος καθαρισμού και η δυνατότητα καθαρισμού του με τους τέσσερις τύπους εξοπλισμού που είναι εμπορικά διαθέσιμοι.

ί. Μηχανικοί συλλέκτεςϋ. Εκπλυτές, ή υγροί συλλέκτες, ‘η πλημμυρίδες, ή απλώς υγρά φίλτρα

ίϋ. Υφασμάτινα φίλτρα ή σακόφιλτραίν. Ηλεκτροστατικοί συλλέκτες ή ηλεκτροστατικά φίλτρα (ESPs Electrostatic

Precipitators)

Η επιλογή της κατάλληλης διεργασίας δεν είναι εύκολο πρόβλημα για τον Μηχανικό .Έτσι έχει αναπτυχθεί σήμερα ένας μεγάλος αριθμός εταιρειών που είναι διαθέσιμος για να εξυπηρετηθεί κάποιος γρήγορα και οικονομικά. Συστήνεται λοιπόν αντί να καταφεύγουμε στην δίκιά μας εκτίμηση και ετηλογή, βασιζόμενοι σε κάποιες μετρήσεις παραμέτρων και κάποια γενικά τεστ, να συμβουλευόμαστε κάποιον ειδικό του οποίου τα προσόντα θα είναι επαρκή για να συγκεντρώσει τις απαιτούμενες πληροφορίες και ο οποίος δεν θα ετηιρεαστεί από υποκειμενικά κριτήρια. Καταρχήν πρέπει να αναλύσουμε τα κύρια χαρακτηριστικά και την λειτουργικότητα των τεσσάρων βασικών συστημάτων ελέγχου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης από την σωματιδιακή ύλη.

8.2 ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ

Το ειδικό βάρος της σωματιδιακής ύλης στις βιομηχανικές εκπομπές είναι τυπικά μία με δύο χιλιάδες φορές μεγαλύτερο του ειδικού βάρους του αερίου που το εμπεριέχει. Οι μηχανικοί συλλέκτες εκμεταλλεύονται αυτή τη διαφορά στο ειδικό βάρος για να διαχωρίσουν την βαριά σωματιδιακή ύλη από το ελαφρότερο αέριο. Βασικοί τύποι των μηχανικών συλλεκτών είναι:

1. Οι βαρυηκοί συλλέκτες (καθίζηση δια βαρύτητας. Gravity Settling Chamber)2. Οι συλλέκτες εκτροπής με ανακυκλοφορία (Recirculating Baffle Collector)3. Οι κυκλώνες υψηλής απόδοσης (High-efficiency Cyclones)

Ένας θάλαμος βαρυτικού συλλέκτη παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Αυτός ο συλλέκτης υποβιβάζει την ταχύτητα του αερίου σε ταχύτητα ικανή για καθίζηση και για επαρκές χρονικό διάστημα ώστε να μπορέσει να κατακαθίσει η βαρύτερη (από το αέριο) σωματιδιακή ύλη υπό την επίδραση της βαρύτητας μέσα σε χοάνες από όπου απομακρύνεται περιοδικά. Οι ταχύτητες καθίζησης κυμαίνονται από 20-200 m/min.

8.2.1. Βαρυτικοί συλλέκτες

Βασικά χαρακτηριστικά

Μέγεθος

Κόστος εγκατάστασης

Ενεργειακό κόστος

Κόστος συντήρησης

Απόδοση

Αξιοτπστία

Απόδοση σε χαμηλά φορτία

Απόδοση σε υπερβολικά φορτία

Πολύ μεγάλο

Χαμηλό

Πολύ χαμηλό

Χαμηλό

Πολύ χαμηλή

Εξαιρετική

Αυξάνει

Μειώνεται

Το μοναδικό μειονέκτημα αυτού του τύπου είναι η πολύ χαμηλή του απόδοση σε λεπτόκοκκη και μέτρια σωματιδιακή ύλη οπότε αν η κατακράτηση της κρίνεται απαραίτητη, η χρήση αυτού του συστήματος είναι μειονεκτική.

Σχήμα 1 Βαρυτικός συλλέκτης σωματιδιακής ύλης

8.2.2. Συλλέκτης εκτροττής με ανακυκλοφορία

Το σχήμα 2 δείχνει έναν συλλέκτη εκτροττής οπού το αέριο για να καθαριστεί εισάγεται με μεγάλη ταχύτητα σε οριζόντιο εκτροπέα αποτελούμενο από οπές οι οποίες απέχουν ττερίπου1,5 cm μεταξύ τους. Για να περάσει ανάμεσα από τις οπές και να φθάσει στο θάλαμο καθαρού αερίου στην έξοδο το ακάθαρτο αέριο πρέπει να κάνει μία ξαφνική υψηλής ταχύτητας στροφή. Τα αέρια που έχουν χαμηλό ειδικό βάρος κάνουν πολύ εύκολα αυτή την απότομη στροφή. Αντίθετα η βαρύτερη σωματιδιακή ύλη λόγω αδράνειας δεν μπορεί να ακολουθήσει αυτή την πορεία και συγκρατείται κάτω από τον εκτροπέα μέχρι να παγιδευτεί στον υποδοχέα σωματιδιακής ύλης. Η σκόνη μεταφέρεται με φθίνουσα ταχύτητα και καθιζάνει μέσα στη χοάνη του συλλέκτη (όπως σε ένα θάλαμο βαρυτικής καθίζησης).

Βασικά χαρακτηριστικά

Μέγεθος Μικρό

Κόστος εγκατάστασης Χαμηλό

Ενεργειακό κόστος Χαμηλό

Κόστος συντήρησης Χαμηλό

Απόδοση Χαμηλή

Αξιοπιστία ΕξαιρετικήL

Απόδοση σε χαμηλά φορτία

Απόδοση σε υπερβολικά φορτία

Μειώνεται

Αυξάνεται ελάχιστα

Είσοδος ακάθαρτοί) αερίου

Ανακυκλωμένο ρεύμα

Συλλέκτης σωματιδίων

Εξοδος σωματιδιακής ύλης

Σχήμα 2 Συλλέκτης εκτροττήςμε ανακυκλοφορία

Μειονεκτήματα: Καθότι η απόδοση του είναι κατά πολύ μεγαλύτερη του βαρυτικού συλλέκτη αυτό δεν είναι επαρκές ώστε να αντιμετωπίσει λεπτόκοκκο φορτίο σκόνης εκτός αν χρησιμοποιηθεί σαν προ-καθαριστής αερίου και κατότην ακολουθήσει ένας αποδοτικότερος συλλέκτης κάτι που συνηθίζεται.

8.2.3. Κυκλώνες υψηλής απόδοσης

Φυγόκεντροι συλλέκτες - συχνά καλούμενοι κυκλώνες - διαχωρίζουν λεπτόκοκκο (κατά προτίμηση) σωματιδιακή ύλη από ένα φέρον αέριο μετασχηματίζοντας την ταχύτητα του ρεύματος εισόδου σε μία κατερχόμενη εξωτερική δίνη και μία ανερχόμενη δίνη και οι δύο περιορισμένες στο πάνω εσωτερικό μέρος του κυλίνδρου και στο κάτω εσωτερικό μέρος του κώνου του κυκλώνα (Σχήμα 3). Η ταχέως περιστρεφόμενη καθοδική δίνη κατακρατά τα βαρύτερα σωματίδια στα τοιχώματα του κυκλώνα με την ανάπτυξη φυγόκεντρης δύναμης και τα εναποθέτει στην χοάνη απ’όπου απομακρύνεται περιοδικά. Η ανοδική εσωτερική δίνη του καθαρισμένου αερίου εγκαταλείπει τον κυκλώνα διαμέσου ενός κυλίνδρου που βρίσκεται στην κορυφή του κυκλώνα.

Η μορφή της ροής σ’έναν κυκλώνα μπορεί να είναι από απλή μέχρι περίπλοκη, εξαρτώμενη από πολλές μεταβλητές όπως ο τύπος της εισόδου, οι αναλογίες των διαστάσεων και άλλα. Στο σχήμα 3 απεικονίζεται η μορφή ροής για έναν κοινό κυκλώνα υψηλής απόδοσης.

> Βασικά χαρακτηριστικά

Εξαιτίας της απλότητας, αξιοπιστίας και υψηλής απόδοσης του, ο κυκλώνας έχει χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα τα τελευταία 100 χρόνια. Για να επιτύχουμε μία επιθυμητή λειτουργία έχουμε την δυνατότητα επιλογής μεταξύ εκατοντάδων τύπων συλλεκτών σωματιδιακής ύλης που χρησιμοποιούν την γενική αρχή λειτουργίας του κυκλώνα. Όμως οι πλέον συνηθισμένοι τύποι που κυκλοφορούν είναι τρεις.

ί. Κυκλώνες μικρής διαμέτρουϋ. Κυκλώνες μεγάλης διαμέτρου με περιελισσόμενη είσοδο

ϋί. Κυκλώνες μεγάλης διαμέτρου με περιελισσόμενη είσοδο και εκχυτήρα λεπτόκοκκων σωματιδίων.

- Κυλινδρικό τμήμα

Σχήμα 3 Η μορφή της ροής σε ένα κυκλώνα

Καθένας από τους παραπάνω ευρέως χρησιμοποιούμενους τύπους έχει έμφυτα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και είναι διαθέσιμος σε ένα μεγάλο εύρος διαστάσεων και αναλογιών οι οποίες και καθορίζουν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του. Είναι σημαντικό να γίνει προσεκτική επιλογή ώστε να μεγιστοποιήσουμε τα πλεονεκτήματα και να ελαχιστοποιήσουμε τα μειονεκτήματα εφόσον αυτά σχετίζονται με την κάθε εφαρμογή. Τα χαρακτηριστικά που αναφέρονται είναι κοινά για τους παραπάνω 3 τύπους κυκλώνων οι οποίοι διαφέρουν κυρίως στον τρόπο με τον οποίο το ακάθαρτο αέριο εισάγεται στον κύλινδρο.

ι

Ολοι οι συλλέκτες τύπου κυκλώνα έχουν μία χαρακτηριστική καμπύλη απόδοσης όπως τυπικά δείχνεται στο σχήμα 4 από το οποίο διαπιστώνεται ότι η απόδοση του κυκλώνα μειώνεται έντονα κάτω από κάποιο μέγεθος σωματιδίων.

α) Απόδοσΐΐ

Μέγεθος σωματιδίων (a.u.)

Σχήμα 4 Χαρακτηρισηκές καμπύλες απόδοσης κυκλώνων

Αλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν συνοψίζονται στον πίνακα 1

Πίνακας 1 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση κυκλώνων

Αύξηση σε Ετΐίδβ’αση σΐ' απόδοσϊ^ΐ;,Ειδικό βάρος σκόνης Αύξηση

Ιξώδες .αερίου (θερμοκρασία)Επιφάνεια σκόνης

Μείωση...:Μείωση^'

Φορτίο σκόνης Αύξηστγ^ξί,Ταχύτητα εισόδου Αύξηση.

β) Απώλεια ενέργειας poiic ίτττώστι πίεστι^

Οι περισσότεροι κυκλώνες λειτουργούν σε ταχύτητες εισόδου 900-1200 m/min. Η απαιτούμενη ‘’απώλεια ενέργειας” είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας εισόδου. Όταν εισάγουμε ατμοσφαιρικό αέρα η απώλεια θα είναι μεταξύ 100-150 mm στήλης ΗιΟ. Αυτή η απώλεια εκφράζεται ως διαφορά στατικής πίεσης (πτώση πίεσης) ανάμεσα στην είσοδο και στην έξοδο. Σε αέρια υψηλότερων θερμοκρασιών και χαμηλότερης πυκνότητας παρουσιάζονται χαμηλότερες απώλειες.

γ) Δυναμικότητα

Ο σχεδιασμός κάθε κυκλώνα αντιπροσωπεύει έναν συμβιβασμό ανάμεσα σε τρεις παράγοντες: απόδοση, απώλεια ενέργειας ροής και μέγεθος. Σε γενικές γραμμές οι υψηλότερες αποδόσεις απαιτούν υψηλότερες απώλειες ενέργειας ροής (μεγαλύτερη δαπάνη ενέργειας) ή μεγαλύτερο μέγεθος κυκλώνα ή και τα δύο. Με σκοπό να βελτιωθούν οι κυκλώνες υψηλής απόδοσης όσον αφορά τη χρήση τους σε βιομηχανικές εφαρμογές μερικοί κατασκευαστές έχουν αφιερώσει αρκετά χρόνια μελέτης και έρευνας στην ανάπτυξη τύπων κυκλώνων.

> Κριτήρια επιλογής

Μία αλλαγή στις διαστάσεις του κυκλώνα ή στην ακτίνα θα επηρεάσει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας όπως παρουσιάζονται στον πίνακα 2

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι παραπάνω παράγοντες δεν μπορούν να ποικίλουν απεριόριστα. Τα τελικά λειτουργικά χαρακτηριστικά κάθε κυκλώνα είναι το αποτέλεσμα μίας περίπλοκης συσχέησης όλων των κρίσιμών διαστάσεων και ακηνών. Στο σχήμα 5 δείχνεται ένα σύστημα απομάκρυνσης σωματιδιακών ρύπων αποτελούμενο από 25 κυκλώνες μικρής διαμέτρου (ένα συνηθισμένο σύστημα) ενώ στο σχήμα 6 δείχνεται ένα τυπικό σύστημα τεσσάρων κυκλώνων μεγάλης διαμέτρου.

Πίνακας 2 Κατασκευαστικές μεταβολές και επίδραση τους στην απόδοση του κυκλώνα

Αύξηση διά&^αης τοΏ ΚΌκλώνάσέ" Απόδοση ~· ΑίΜ Χηαζήρί'έίάς^χ τΐΑύναμίκότηταΕπιφάνε^εισόδου? r· μειωμένη , αυξημένηΐ:> '“ν ί5:τ>συξημένηΜήκος Ki>JliV®poi)f? αυξημένη ίδια· - ' ■Μήκος κ ώ ν σ ϊ^ - ^ αυξημένη ίδια - ' ίδΐ3»«Η3ΜΔιάμετρι5ξ:.ιό5ΧΛνδρου μειωμένη ίδια ίδα£ί,:ϊ,:. -.Διάμετρος,εξόδου Λμειωμένηι: * ίδια ■· ‘ αυξημένη·.;.Διεισδυτικότητα φίλτρου εξόδου i ίουξημένιτ,: : αυξημένη .'-'-..-,ίδια .

Έξοδος σωματιδιακής ύλης

Σχήμα 5 Ένα σύστημα 25 κυκλώνων μικρής διαμέτρου

Είσοδοςακάθαρτου

αερίου

'ϋςοόος σωματχδιακής ύλης

Σχήμα 6 Ένα σύστημα 4 κυκλώνων μεγάλης διαμέτρου

8.3 ΦΙΛΤΡΑ ΑΠΟ ΥΦΑΣΜΑ (ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ)

Τα σακόφιλτρα είναι συλλέκτες με τις περισσότερες εφαρμογές στην απομάκρυνση ξηρών (άνυδρων) σωματιδίων από ένα ρεύμα εκπομπών. Διαθέτουμε μία μεγάλη ποικιλία τέτοιων φίλτρων. Σε όλα αυτά τα φίλτρα η σκόνη κατακρατείται (παγιδεύεται) από την μία πλευρά του υφάσματος (από αυτή που εισάγεται το πλούσιο σε σωματίδια αέριο) ενώ από τα διάκενα του υφάσματος διαπερνά το καθαρό αέριο. Σε ένα τυτηκό εμπορικό σακόφιλτρο αυτά τα διάκενα είναι των διαστάσεων των ΙΟΟμπι. Ένας συλλέκτης αυτών των χαρακτηριστικών μπορεί να παγιδεύσει σωματίδια τόσο μικρά όσο 0,5 μπι.

Η ικανότητα του φίλτρου να συλλέγει τόσο λεπτόκοκκο υλικό είναι ένα αποτέλεσμα της συνεχούς ενίσχυσης αυτής της ικανότητας από ένα πορώδες στρώμα σωματιδίων που

95

σχηματίζεται στην πλευρά συλλογής. Αυτό το στρώμα το οποίο λέγεται κρούστα ή πλάκα του φίλτρου φράσσει σταδιακά τα μεγαλύτερα σε διαστάσεις διάκενα και αιχμαλωτίζει όλο και πιο λεπτά σωματίδια.

Στα φίλτρα στα οποία χρησιμοποιούνται τηο ττυκνά (συμπαγή) υφάσματα δηλαδή μία σύνθετη μάζα από ένα λαβύρινθο λεπτών ινών τυχαία προσανατολισμένων η εξάρτηση της απόδοσης από την πλάκα είναι μικρότερη. Τα φίλτρα αυτού του τύπου δεν μπορούν να καθαριστούν αποτελεσματικά με απλό τίναγμα και πρέπει να καθαρίζονται με ανάστροφο αέριο ρεύμα υψηλής πίεσης. Οι φυσικοί μηχανισμοί οι οποίοι προκαλούν το σχηματισμό της πλάκας είναι οι ακόλουθοι.

^ Συσσώρευση λεπτόκοκκου υλικού που κινείται αντίθετα προς το ρεύμα.> Ενσφήνωση των μεγαλύτερων σωματιδίων στις ίνες> Διάχυση σωματιδίων μέσα από τις ίνες (αυτά τα σωματίδια έχουν διαστάσεις

μικρότερες από 1 μιη)> Ηλεκτροστατική έλξη και άπωση> Θερμικές ετηδράσεις> Χονδρό κοσκίνισμα από το ύφασμα> Λεπτό κοσκίνισμα από την πλάκα του φίλτρου

Οι συσκευές με υφασμάτινα φίλτρα υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών κ εξαρτήματα των βασικότερων τύπων περιγράφονται παρακάτω:

Το περίβλημα

Για ευκολία αναφερόμαστε σε ένα σακόφιλτρο όπως αυτό στο σχήμα 7. Το καθορισμένο αέριο κινείται μέσα στο περίβλημα εφόσον αντλείται με υποτήεση που δημιουργεί μία αντλία στην έξοδο του συστήματος ή συμπιέζεται με αντλία στην είσοδο. Η πρώτη περίπτωση είναι η επικρατέστερη εφόσον ετητρέπει στον ανεμιστήρα (αντλία) να λειτουργεί με καθαρό αέριο.

• Το ύφασμα του φίλτρου

Το ύφασμα (σάκος) είναι τοποθετημένο σε ένα ειδικό υποδοχέα που μπορεί να έχει διάφορα σχήματα. Ο τύπος σακόφιλτρου που δείχνεται στο σχήμα 7 διαθέτει ένα σάκο σωληνοειδούς τύπου. Η ποικιλία του υλικού των υφασμάτων είναι μεγάλη. Μπορεί αν είναι από μαλλί, βαμβάκι, φυτικές ή συνθεπκές ίνες. Έχουν κατασκευασθεί συνθετικές ίνες που αντέχουν μέχρι 3ΘΘ° C (το βαμβάκι αντέχει μέχρι τους 100° C).

• Άλλες ιδιομορφίες

Άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ενός σακόφιλτρου είναι ο αριθμός και η διάταξη των σάκων αν το ρεύμα αέρα είναι κατακόρυφο (προς τα πάνω ή προς τα κάτω) ή οριζόντιο αν η ροή είναι από τα μέσα του σάκου προς τα έξω ή αντίστροφα καθώς και ο τρόπος με τον οποίο καθαρίζεται ο σάκος . Το σχήμα 7 δείχνει διάφορες περιπτώσεις σχεδιασμού όπου διαφαίνεται μία σοβαρή σχεδιαστική προσπάθεια για διευκόλυνση του καθαρισμού

Μία ειδική διάταξη στην κορυφή του σάκου προκαλεί κραδασμούς που βοηθούν στον καθαρισμό του υφάσματος. Αυτό μπορεί να γίνεται εν λειτουργία είτε κατόπτν διακοπής αυτής. Για αποτελεσματικότερο καθάρισμα δυνατόν να αντιστρέφουμε και την ροή αν το επιτρέπει ο σχεδιασμός. Υπάρχουν και φίλτρα με κινούμενο δακτυλίδι που διευκολύνει την αποκόλληση των συλλεγόμενων σωματιδίων και έτσι επιφέρει καλύτερο και συνεχή

καθαρισμό του φίλτρου καθώς και τύποι που επιτυγχάνουν τον καθαρισμό με δημιουργία παλμών αερίου.

Κύκλος φιλτραρίσματος

Κύκλος φιλτραρίσματος

Κϋκ

Ρ λ„™

Κύκλος καθαρισμού φΛτρο

Δονητής

----καθαρού

Κύκλος καθαρισμού φίλτρο

Σχήμα 7 Διάφοροι σχεδιασμοί σακόφιλτρων με ιδιαιτερότητες στον τρόπο καθαρισμού τι φ^τρου.ί Συνεχίζεται)

Κύκλος φιλτραρίσματος Κύκλος καθαρισμού φίλτρου

Σχήμα 7 Διάφοροι σχεδιασμοί σακόφιλτρων με ιδιαιτερότητες στον τρόπο καθαρισμού του φίλτρου.

8.4 ΕΚΠΛΥΤΕΣ (ΥΓΡΑ ΦΙΛΤΡΑ)

Οι εκπλυτές (υγρά φίλτρα) χρησιμοποιούν ένα υγρό συνήθως νερό για να παγιδεύσουν και να απομακρύνουν σωματιδιακή ύλη (αλλά πιθανόν και διαλυτά αέρια) από ένα ρέον ρεύμα. Το υγρό εισέρχεται σε ένα ειδικό θάλαμο υπό μορφή ψεκασμού.

• Θάλαμος ψεκασμού (ή πλημμυρίδας)

Το σχήμα 8 δείχνει έναν από τους πιο απλούς εκπλυτές, μία βαρυτική εγκατάσταση θαλάμου έκπλυσης με ψεκαστήρες στην οποία το αέριο εμφυσάται και πλένεται με νερό που απομακρύνει τη σκόνη υπό μορφή λάσπης στη δεξαμενή λάσπης

To ακάθαρτο αέριο επιβραδύνεται στο στόμιο εισόδου περνάει μέσα από τη δίνη που προκαλείται από τη δύναμη των ψεκαστήρων έπειτα διέρχεται από τον τομέα αποομάκρυνσης της ομίχλης (κατακράτηση υγρών σωμαηδίων) και επιταχύνει στο στόμιο εξόδου για να ανακτήσει ξανά την ταχύτητα εισόδου.Η απομάκρυνση επιτυγχάνεται κυρίως με την σύγκρουση ανάμεσα σε ένα σωματίδιο σκόνης και μία σταγόνα νερού, με αποτέλεσμα τη δέσμευση του πρώτου από τη δεύτερη. Η συλλογή των σωματιδίων από τα σταγονίδια του υγρού προκαλείται από τους ακόλουθους μηχανισμούς:

• I Ιρόσκρουση των μεγαλύτερων σωματιδίων στις σταγόνες• Σύλληψη λόγω διάχυσης των λεπτών σωματιδίων• 1 ί>χκτροστατικές δυνάμεις• Συμττύκνωση υγρασίας σε σωματίδια

Οι παραπάνω μηχανισμοί έχουν ως αποτέλεσμα το σωματίδιο, δεσμευμένο πλέον από μία σταγόνα νερού, να γίνεται μεγαλύτερο και βαρύτερο. Αυτή η αύξηση στο μέγεθος και το βάρος βοηθάει στη διαδικασία συλλογής και απομάκρυνσης των σωματιδίων από τις δυνάμεις βαρύτητας αδράνειας ή και φυγόκεντρες δυνάμεις (ανάλογα με το τρόπο λειτουργίας του υγρού φίλτρου).Οι σταγόνες λιμνάζουν στον πυθμένα απελευθερώνοντας τη σκόνη η οποία έχοντας μεγαλύτερο ειδικό βάρος από το νερό καθιζάνει και σχηματίζει λάσπη που περιοδικά αντλείται.Κατά την έξοδο των αερίων συνδυάζονται (μέσω ειδικής κατασκευής) οι δυνάμεις αδράνειας και βαρύτητας ώστε τα σταγονίδια να προσκρούουν στην ετηφάνεια του λιμνάζοντος υγρού και να απομακρυνθεί η ομίχλη που διαφεύγει από τον θάλαμο ψεκασμού. Το υγρό αφού καθαριστεί ευχερώς ώστε να αποφευχθούν προβλήματα διάβρωσης των εγκαταστάσεων, μπορεί να ανακυκλωθεί. Ο θάλαμος ψεκασμού μπορεί να περιέχει και διαφράγματα πρόσκρουσης και εκτροπής της ροής που αυξάνουν την απόδοση του υγρού φίλτρου.(σχήμα 8) Έχει αναπτυχθεί μία μεγάλη ποικιλία υγρών φίλτρων (εκπλυτών) που συνδυάζουν το σχέδιο του κυκλώνα υπό ταυτόχρονο ψεκασμό ή την χρήση διαβρεχόμενων σακόφιλτρων μέσα στον θάλαμο ψεκασμού.

Σχήμα 8 Υγροί καθαριστές (εκπλυτές, πλημμυρίδες ή υγρά φίλτρα) α) Απλός τύπος β) Με διαφράγματα πρόσκρουσης και εκτροπής της ροής

ί

8.5 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ (ESPs: ELECTROSTATIC PRECIPITATORS)

8.5.1. Αρχές )χιτουργίαςTo ηίνεκτροστατικό φίλτρο εφευρέθηκε το 1910 από τον Frederic Garder Cottrell του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας. Οι η?^κτροσταηκές συσκευές (ESPs) εφαρμόζονται σε μία μεγάλη ποικιλία προβλημάτων καθαρισμού αερίων με απόδοση συλλογής που φτάνουν τα 99,9%, χωρητικότητες έως 120.000 mVmin και σε θερμοκρασίες επεξεργάσιμου αερίου έως 550“ C. Το 1970 στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής είχαν εγκατασταθεί πάνω από 5.000 εγκαταστάσεις που καθάριζαν 20 εκατομμύρια mVmin ακάθαρτων αερίων προερχόμενα από σταθμούς παραγωγής θερμικής ενέργειας, κλιβάνους και βιομηχανία. Μία επένδυση πάνω από 1 δισεκατομμύριο δολάρια.Μία συσκευή ESP διαχωρίζει τα σωματίδια ύλης από ένα ρεύμα αερίου αρχικά φορτίζοντάς τα σε ένα αρνητικό δυναμικό περίπου 50.000 V και κατόπιν προσκολλώντας τα πάνω σε ειδικά ετηπεδα ηλεκτρόδια συλλογής. Τελικά η συσσωρευμένη σκόνη συλλέγεται σε μία χοάνη. Παρόλο που χρησιμοποιούνται υψηλές τάσεις η κατανάλωση ενέργειας είναι μικρή και οι απώλειες των ηλεκτροστατικών φίλτρων είναι οι μικρότερες από όλους τους άλλους συλλέκτες υψηλής απόδοσης.Σε εμπορικές μονάδες φυσικού μεγέθους το πλούσιο σε σωματιδιακή ύλη αέριο τιερνά οριζόντια μέσα από στενά περάσματα που σχηματίζονται από παράλληλες πλάκες γειωμένων ηλεκτροδίων συλλογής. Ηλεκτρικά μονωμένα, σύρματα υψηλής τάσης είναι τοποθετημένα στους χώρους διέλευσης του αερίου, περίπου στο μέσον της απόστασης των πλακών (γειωμένων ηλεκτροδίων) (σχήμα 9)Μία τρισδιάστατη εικόνα ενός σύγχρονου ESP φαίνεται στο σχήμα 9. Οι τυτηκές διαστάσεις των χωρισμάτων διέλευσης του αερίου (απόσταση πλακών) σε ένα μεγάλο ESP του εμπορίου είναι: 24cm απόσταση, 9m ύψος, και 8m μήκος. Η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων υψηλής τάσης και των γειωμένων πλακών συλλογής είναι το μισό του πλάτους του χώρου διελεύσεως του αερίου δηλαδή 12cm.Στο σχήμα 10 φαίνεται η μορφή της ροής ηλεκτρικών φορτίων μεταξύ συρμάτων και πλακών. Αυτή η ροή η οποία καλείται ηλεκτρικός άνεμος είναι το αποτέλεσμα μαζικής μεταφοράς αρνητικά φορτισμένων ιόντων αερίου από τα αρνητικώς φορτισμένα σύρματα προς τις θετικές φορτισμένες (γειωμένες) πλάκες συλλογής.

i _

Σχήμα 10 Ηλεκτροστατικό πεδίο υψηλής τάσης σε ένα ESP.

8.5.2. Ιονισμός αερίου, ηλεκτρική φόρτιση σωματιδίων και συνεπακόλουθα αποτελέσματα

Τα ηλεκτροστατικά φίλτρα λειτουργούν στα 40.000 έως 50.000 V χαμηλότερα από το δυναμικό της Γης. Αυτό το δυναμικό είναι αρκετό για να δώσουν τα σύρματα δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια που βομβαρδίζουν τα μόρια αερίου σε μικρή ακτίνα γύρω από αυτά. Η δύναμη αυτού του βομβαρδισμού σχηματίζει θετικά και αρνητικά ιόντα αερίου των οποίων η παρουσία πιστοποιείται από ένα ορατό μπλε στεφάνιΤα ιόντα υπό την επενέργεια της μεγάλης ηλεκτροστατικής δύναμης κινούνται προς τα αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόδια. Τα θετικά ιόντα του αερίου επιστρέφουν στα αρνητικά σύρματα και ξανακερδίζουν τα χαμένα τους ηλεκτρόνια. Τα αρνητικά ιόντα του αερίου κινούμενα προς τα γειωμένα (σχετικώς θετικά) ηλεκτρόδια συλλογής πλημμυρίζουν το διερχόμενο αέριο με δισεκατομμύρια αρνητικά ιόντα αερίου. Η μεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε μία συσκευή ESP είναι ροή των αρνητικών ιόντων αερίου από τα σύρματα προς τις πλάκες. Καθώς τα σωματίδια σκόνης, παρασυρόμενα από το αέριο, διέρχονται ανάμεσα από τα ηλεκτρόδια, συγκρούονται με τα αρνητικά ιόντα του αερίου και φορτίζονται αρνητικά. Επειδή τα ιόντα αερίου είναι χιλιάδες φορές μικρότερα από τα σωματίδια ύλης και εξαιτίας του μεγάλου τους αριθμού υπάρχουν πάντα άφθονες ποσότητες φορτίου για την ηλεκτρική φόρτιση των σωμαuδίωv. Έτσι τα αρνητικώς φορτισμένα σωματίδια ύλης κινούνται γρήγορα προς τις γειωμένες (θεηκές) πλάκες στις οποίες προσκολλώνται και κρατιούνται από μεγάλες ηλεκτροστατικές δυνάμεις.Τα σωματίδια ύλης σχηματίζουν μία συνεχώς αυξανόμενη κρούστα πάνω στα ηλεκτρόδια συλλογής και το αρνητικό φορτίο διαρρέει σταδιακά την κρούστα αυτή προς τα γειωμένα ηλεκτρόδια συλλογής. Καθώς η κρούστα μεγαλώνει τα ηλεκτρικά φορτία που μεταφέρει η νέα προσκολλούμενη σωματιδιακή ύλη πρέπει να αχθούν διαμέσου της κρούστας που έχει δημιουργηθεί. Η ηλεκτρική αντίσταση της κρούστας στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται ειδική α\ηίσταση σκόνης. Τα ηλεκτροστατικά φΛτρα λειτουργούν επιτυχώς σε σκόνες των οποίων η ειδική αντίσταση κυμαίνεται από ιο7-ιο11 Ω/cm.

Εφόσον προσκολλήσει η σωματιδιακή ύλη και δημιουργήσει μία κρούστα (πλάκα) πάχους περίπου 0,2-0,6 cm τα σωματίδια δίπλα στα ηλεκτρόδια συλλογής έχουν χάσει πολύ από το φορτίο του προς τις γειωμένες πλάκες. Η ηλεκτρική έλξη έχει αποδυναμωθεί. Τα σωματίδια που έχουν φτάσει πρόσφατα κρατούν ακόμη πολύ από το φορτίο τους, είναι ηλεκτρικά μονωμένα από τα γειωμένα επίπεδα ηλεκτρόδια εξαιτίας της κρούστας και έτσι συγκρατούν ολόκληρη την κρούστα πάνω στο ηλεκτρόδιο συλλογής. Ένα δυνατό τίναγμα απογυμνώνει το ηλεκτρόδιο συλλογής από την κρούστα. Η δύναμη που εφαρμόζουμε στο τίναγμα είναι ελεγχόμενη ώστε να θρυμματίσει την κρούστα σε σχετικά μεγάλα συσσωματώματα σωμαπδίων και να μην δημιουργήσει εκ νέου πολύ μικρά σωματίδια.

Τα σχετικώς μεγάλα συσσωματώματα πέφτουν μέσα στις χοάνες υπό την εττίδραση της βαρύτητας ακριβώς όπως στο θάλαμο βαρυτικής καθίζησης. Τα περισσότερα ηλεκτροστατικά φίλτρα (ESP) λειτουργούν με ταχύτητες αερίων που κυμαίνονται από 1 έως 2 m/sec. Το υψηλό δυναμικό δεν διακόπτεται για να αποφευχθεί η διαφυγή σωματιδίων από το φίλτρο.

8.5.3. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλεκτροστατικών φίλτρων

Το κύριο πλεονέκτημα του ηλεκτροστατικού φίλτρου είναι η υψηλή απόδοση συλλογής και το μικρό κόστος λειτουργίας. Απαιτεί τη μικρότερη ενέργεια από όλους τους συλλέκτες υψηλής απόδοσης. Ετηπλέον πλεονέκτημα είναι η υψηλή αξιοτηστία σε κάθε απαιτούμενη απόδοση συλλογής. Μοναδικά μειονεκτήματα είναι το υψηλό κόστος εγκατάστασης για διεργασίες μικρής δυναμικότητας (ειδικά για μεγέθη κάτω των 1500 mVmin) η απρόβλεπτη απόδοση συλλογής σε υψηλές ειδικές αντιστάσεις σκονών, και η απώλεια της απόδοσης συλλογής σε ροές αερίων πάνω από την προσχεδιασμένη.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9

Η ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

9.1 ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ, ΜΙΑ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Ένας αναδεικνυόμενος τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι η ανάπτυξη νέων αντιρρυπαντικών τεχνολογιών που θα αντιμετωπίζουν το πρόβλημα στη ρίζα του. Είναι προτιμότερο να αποφεύγουμε την δημιουργία ρυπογόνων εκπομπών παρά να προσπαθούμε να λύσουμε το πρόβλημα αφού το δημιουργήσουμε. Είδαμε ότι η βιομηχανία κάνει μία εκτεταμένη στροφή με στόχο την αντικατάσταση καυσίμων υψηλής ρυπογόνου απόδοσης (π.χ. άνθρακα, πετρέλαιο) από καύσιμα με σημαντικά μειωμένη ρυπογόνο απόδοση. Ένα τέτοιο καύσιμο είναι το Φυσικό Αέριο.

Το Φυσικό Αέριο (Φ.Α.) πρόκειται να αποτελέσει μία από τις πλέον δυναμικές πηγές ενέργειας του 21 αιώνα, η χρήση του οποίου αναμένεται να πάρει μία σημαντικά πλεονεκτικότερη θέση από αυτή του πετρελαίου και του άνθρακα.

Οι λόγοι είναι σαφείς:

ί. Η τεχνολογία για την μεταφορά και την αποθήκευση του έχει αναπτυχθεί ραγδαία και επαρκώς τα τελευταία χρόνια με αποτέλεσμα να βρίσκεται διαθέσιμο σε μεγάλες ποσότητες στα αστικά και βιομηχανικά κέντρα,

ϋ. Βρίσκεται σε μεγάλα αποθέματα στην φύση πράγμα που το καθιστά μία φθηνή πρώτη ύλη.

ίϋ. Η χρήση του για παραγωγή ενέργειας δημιουργεί ελάχιστα περιβαλλοντολογικά προβλήματα, συγκρινόμενη με την χρήση των γαιανθράκων και του πετρελαίου,

ίν. Οι τεχνολογίες για την αναβάθμισή του (την μετατροπή του σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας π.χ. ανώτερων υδρογονανθράκων, μεθανόλης , φορμαλδεΰδης) έχουν αναπτυχθεί ραγδαία τα τελευταία 2Θ χρόνια.

Οι σημαντικότερες προσπάθειες αξιοποίησης του Φ.Α. άρχισαν μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση (1973) και ενισχύθηκαν κατά τη δεύτερη (1979). Η ευαισθητοποίηση της παγκόσμιας κοινότητας σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος την τελευταία δεκαετία ανήγαγε στις μέρες μας την χρήση του φυσικού αερίου σε έναν από τους βασικότερους δείκτες οικονομικής ανάπτυξης μίας χώρας.

Είναι σήμερα αποδεκτό ότι βιομηχανικός τομέας ευθύνεται κατά ένα μεγάλο ποσοστό για την ρύπανση της ατμόσφαιρας. Οι νόμοι που έχουν θεσπιστεί για την προστασία του περιβάλλοντος επιβάλλουν στην βιομηχανία την δαπάνη μεγάλων κονδυλίων για να ανταποκριθούν στις απαγορεύσεις. Συχνά αυτές οι δαπάνες είναι συγκρινόμενες με την συνολική υπόλοιπη επένδυση. Έτσι η χρήση του Φ.Α. που συνοδεύεται από έντονα μειωμένη ρυπογόνο δραστηριότητα, αποτελεί συχνά την ενδεικνυόμενη λύση.

9.2 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ: ΠΑΡΑΓΩΓΗ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΑΛΛΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

9.2.1 Γενικά στοιχεία

Το φυσικό αέριο είναι ένα αέριο μίγμα πλούσιο σε CH4. Βρίσκεται σε μεγάλα αποθέματα στην φύση (της τάξης των 140.000 τρισεκατομμυρίων m ). Με τον ρυθμό κατανάλωσης του 1980 τα αποθέματα αυτά επαρκούν για ττερίπου 70 χρόνια, εάν μέχρι τότε δεν έχουν ανακαλυφθεί και νέα κοιτάσματα. Τα αποθέματα του συνδυάζονται με αποθέματα πετρελαίου όπου το φυσικό αέριο καταλαμβάνει τα υψηλά στρώματα αυτών των φυσικών ταμιευτήρων υδρογονανθράκων. (Σχήμα 1)

Για λόγους σύγκρισης παρουσιάζεται στο πίνακα 1 τα αποδεδειγμένα παγκόσμια αποθέματα καυσίμων υλών (άνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου) καθώς και η ετήσια κατανάλωσή τους. Ο όρος αποδεδειγμένα χαρακτηρίζει εκείνα τα κοιτάσματα των οποίων η χρήση κρίνεται οικονομική με τις σύγχρονες μεθόδους εξόρυξης.

Σχήμα 1 Το φυσικό αέριο σε φυσικούς ταμιευτήρες

Πίνακας 1 Αποθέματα και ετήσια κατανάλωση ορυκτών καυσίμων.

Καύσιμο - ■ .·

1973 . 1983 1993 1983 1993ΑνθρακαςΠετρέλαι

Φυσικό Αέριο

330 510 470

*Σε δισεκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου

Στον πίνακα 2 παραθέτονται στοιχεία για την ανά τον κόσμο παραγωγικότητα υγρών και αερίων υδρογονανθράκων (δηλαδή πετρελαίου και φυσικού αερίου) εφόσον όπως τονίστηκε τα κοιτάσματα αυτά συνυπάρχουν.

Ένα φυσικό απόθεμα υδρογονανθράκων περιέχει μία τεράστια ποικιλία οργανικών ενώσεων. Στον πίνακα 3 γίνεται μία προσέγγιση του θέματος δίνοντας μερικές από τις σπουδαιότερες ενώσεις ή ομάδες ενώσεων ενός τέτοιου κοιτάσματος ενώ στο πίνακα 4 παρουσιάζονται μερικές πηγές παραγωγής φυσικού αερίου και τις συστάσεις.

Στο σχήμα 2 παρατηρείται σε ποσοστιαίες μονάδες τα παγκόσμια αποδεδειγμένα αποθέματα Φυσικού Αερίου με δεδομένα του 1995.

Πρώην Σοβιετική Ενωση και Ανατολική Ευρώπη -

40%

Σχήμα 2 Παγκόσμια αποδεδειγμένα αποθέματα Φ.Α.

Πίνακας 2 Παγκόσμια παραγωγικότητα υγρών και αέριων υδρογονανθράκων

Χώρα Αργό Πετρέλαιο Παραγωγή*

(στοιχεία 1986)

Φυσικό Αέριο

Παραγωγή** Αποθέματα* Χρόνος ζωής αποθεμάτων

(σε έτη)**ΗΠΑ 8,943- 204. 5,519 ισΚαναδάς ; , 1,404 ; · 42 . 2,496; 34. ■Αργεντινή 441 8 . 4617 " •537Βολιβία 20 .■ 1-, 153 7 .; . 94Βραζιλία - 579,-Γ'; -2.4 · : ■ ·: 45 ■7:',-741 'Χιλή ■ ■Γ··; -..rSTi Γ·, 2,4 · •7Γ7 : : 7,: 77724 -Κολομβία - ■ 263 ι2Γ; 2.1 120·* .■.'28-·Εκουοδόρ ·, 302. 0.03 -Γουατεμάλα ' 5- - :■ :·ν 0.017 . # 7 - :7'Μεζικό Λ-'?'.- '2,352 7 14.8; ' 1,733 "125 ;·7·:7Περού ΐ·:;·;.·· 180ΐ>“ί·ί 0.5 31 27 7|ί-7Τρινιντάντ 165 1.4- 200 - 1007 '7Βενεζουέλα' Τΐ.557 7.0S;. . : . - -1,190 : . ;7S .66 ' ·Λατινική Αμερική 5,897 39.0 804 ,7'. ·;ν-7ν-:75ρ .Δοτικό Ημισφαίριο 16,224 284.5 : V!

Αυστρία 22 .::;,7ΰ ο:5: '. 7 Αμελ. • 6 -Δανία Γ·Ϊ ■.-..-73-:.,; ί:;;ϊρ;: ·7· 70.9 ■ 7 : ■ ■ "115-Γαλλία; Γ ■; ..:60 ·:;,·.; '. . 7:·77··.·1;8·: : .. 7 93-7 . ·: 12Δ. Γερμανία - - ,83 - . 7.4- 183Α,^ν ,7. 9· ■Ελλάδα' ,26 7 0.02 . ·7 ■ ' " 11 ■ : ■. ■Ιταλία V - 48 -.7. ,.:..5.5 -τ : 180 . : - ......13,Ολλανδία ' ' 76 . : : 7 37.9." 1,685, . ■18.'Νορβήγίά, , 7437·: 777 ·ι 10.7 " . ... 714 34·'·.:Ισπανία ■ .' . 4σ·;,;;: :'; ■«· ' 0.1 7 11Τουρκία , ' 437 'Γ·.^ ;-0:2 : ■ ' ι , .10Αγγλία..... '■ ■ : 2,644 ■ 24.3 . 708.7 : 18:;;.Δοτική Ευρώπη . ■ 3,858 ; 89.3- . 3,742 , 19 . :Αλγερία' - ■ - .581 ·77'·77ί4,2 ■ 2,700 126Αγκόλα 277 . ■ ν·: ••0.8 . 40 ■7364Κονγκό ' ■ ■7:-,:;..115 .Ο.ΟΓ· . - 7 30 ‘7,Γ·χAiYuaTb·;;'" . ■? 809 - 7 1.77 . - 85 ■ : 77 ·7·Γκαμπόν'. . ' ' .. 160 0.03 , 24 400Γκάνα ' : ΐν: ■-

Πίνακας 2 ΣΥΝΕΧΕΙΑ

Πίνακας 3 Η ποικιλία των οργανικών ενώσεων ενός κοιτάσματος

Ένωση Χημικό^τύπος

Έί βΐύονΐΚίΓγπι μέί ο βρασμού (°C)

Εμπορεύσιμαπροϊόντα πι περιέχονταιί,

Φυσικό Αέριο,-προπάνιοΒενζίνη κάθαρισμί^βοοτάνιο.

Βενζίνη καθαρισμού & κινητήρωνΒενζίνη, καθαρισμού & κινητήρων

-C-ZHia , Βενζίνη καθαρισμού & κινητήρων-■ Βενζίνη καθαρισμού & κινητήρων

Βενζίνη ίρινητήρωνΚερρζίνη, Μαζούτ

Ελαφρά λιπαντικά. Βαριά καύσιμαΤετρακοντάνια Λιπαντικά, Γράσα, Βαριά καύσιμα

Πίνακας 4 Τυτηκή σύσταση του φυσικού αερίου σε διάφορες χώρες παραγωγής του

Τόπος Αποθέματα(cm )

Βάθος, πίεση m , bar

Σύνθεση

Νς θ2 G02 CH4 CjH, C.iH,Αλγερία ,2200x10* , 2100 ,·310; 5 80. 7.5, 3·Τέξας •2000x10’ , 820 , 34 ,, ; -13 ,2.· 76 - 3

Ολλανδία 1600x10’ 2800 , 350- 14 0.0 0.9 . . . 3 ,ΓΟ.5

9.2.2. Το Φυσικό αέριο στην Ελλάδα

Σύμφωνα με στοιχεία της ΔΕΠΑ (Δημόσια Επιχείρηση Αερίου) που έχει αναλάβει το έργο και την μελέτη εισαγωγής, διάθεσης και εμπορίας του Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα έχει προϋπολογιστεί μία επένδυση της τάξης των 2,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων για την ολοκλήρωση του έργου. Είναι το μεγαλύτερο μεταπολεμικά ενεργειακό έργο στην Χώρα μας και αναμένεται να οδηγήσει μακροπρόθεσμα σε μεγάλα οφέλη σε πολλούς τομείς της Εθνικής Οικονομίας.

Η εισαγωγή του Φ.Α. στην Ελλάδα (αναμένεται να φθάσει στα 4 δισεκατομμύρια ιηνέτος) γίνεται διά της χερσαίας και θαλάσσιας οδού. Εισάγεται από την Ρωσία και από την Αλγερία με πλοία σε υγροποιημένη μορφή (NGL). Τα μελλοντικά αποτελέσματα του έργου αναμένεται να είναι τα παρακάτω:

Ελάττωση της εξάρτησης της Χώρας μας από το πετρέλαιο και ως εκ τούτου την αποφυγή σοβαρών επιπτώσεων από μελλουσες πετρελαϊκές κρίσεις. Τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου με τους σημερινούς ρυθμούς κατανάλωσης, υπολογίζεται να εξαντληθούν στα επόμενα 40 χρόνια. Αντίθετα για το ^ σ ικ ό Αέριο, ο προβλεπόμενος χρόνος είναι σχεδόν διπλάσιος (70 χρόνια) με τάσεις αύξησης. Ας σημειωθεί ότι το 60% των ενεργειακών αναγκών στην χώρα μας καλύπτεται σήμερα με την χρήση πετρελαίου. Το ποσοστό αυτό αναμένεται να μειωθεί σημαντικά με την συνεχώς αυξανόμενη χρήση του φυσικού αερίου.

■ Εξοικονόμηση Ενέργειας: Οι συμβατικές μονάδες παραγωγής ενέργειας που λειτουργούν με καύσιμα άνθρακα, μαζούτ, χαρακτηρίζονται από αποδόσεις της τάξης του 35-40%. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καύσιμο το φυσικό αέριο εμφανίζει αποδοτικότητες μέχρι και 53% η τιμή η οποία βελτιώνεται διαρκώς. Οι σταθμοί αυτοί λόγω της μικρής ρύπανσης που προκαλούν μπορούν να εγκατασταθούν κοντά σε αστικά κέντρα με αποτέλεσμα την ελάττωση της παραγόμενης ενέργειας και τη μείωση των απωλειών.

Η ευκολότερη και ασφαλέστερη (σε σχέση με το υγραέριο LPG) διανομή κατ’οίκον του Φ.Α. η οποία μάλιστα δεν απαιτεί δεξαμενές αποθήκευσης από τον καταναλωτή αναμένεται να οδηγήσει σε σημαντική υποκατάσταση του ηλεκτρισμού για θερμικές σχέσεις οικιακές χρήσεις. Με τον τρόπο αυτό ο βαθμός εκμετάλλευσης πρωτογενούς ενέργειας θα ανέλθει από 35"% σε περίπου 70%.

Προστασία του περιβάλλοντος: Η κύρια αιτία της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι η χρήση (ατομική ή βιομηχανική) καυσίμων για παραγωγή ενέργειας. Η χρήση του Φυσικού Αερίου χαρακτηρίζεται από μειωμένες εκπομπές S02 , COa, ΝΟχ και άκαυστων υδρογονανθράκων και σωματιδίων γεγονός που θα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας.Στον πίνακα 5 παρουσιάζονται οι εκπεμπόμενοι ρύποι από μονάδες παραγωγής ενέργειας με την χρήση διαφόρων καυσίμων.

Η διείσδυση του Φυσικού Αερίου στην παραγωγική διαδικασία της Χώρας μας αναμένεται να έχει καταλυτικά αποτελέσματα στον τομέα προστασίας του περιβάλλοντος όπως συνοψίζεται σε σύγκριση με την σημερινή κατάσταση στον πίνακα 6 .

Πίνακας 5 Εκπεμπόμενοι ρύποι κατά την καύση σε μονάδες ατμοπαραγωγής (mg/MJ εισαγόμενης θερμότητας καυσίμου).

καύσιμό'''' Γώμάτιδιάκοίρύποι

Λ-ΚάοΙίουνο 1,092 387 450 13 ■ 2 τ-ττί' Μαζούτ -96 170 1,400 - - 14' ■ Ιϊ., 3 '“ίS -Ντήζελ .6 -100 220 16 ■: - : 3

Φ.Α. 4 - 100 ... 0,3. 7 1 ΐ

4 .

Πίνακας 6 Εκπομπές ρύπων (τόνούέτος) σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας με τα υπάρχοντα καύσιμα (Α) και προβλεπόμενες εκπομπές μετά την διείσδυση του Φ.Α. (Β)

Προώθηση Βιομηχανικής Ανάπτυξης: Πολλές Βιομηχανικές επενδύσεις θα γίνουν ευκολότερα αποδεκτές από τον τοπικό πληθυσμό με την χρήση του καθαρού Φυσικού Αερίου. Υπάρχουσες Βιομηχανίες θα γίνουν πιο ανταγωνισηκές λόγω αυξημένης ενεργειακής απόδοσης και συνεπακόλουθα λόγω ελάττωσης του κόστους παραγιογής.

Δημιουργία νέων θέσεων εργασίας: Η εισαγιογή του Φ.Α. στην Ελλάδα είναι έργο τεραστίων διαστάσεων. Για την κατασκευή του δικτύου μεταφοράς, λειτουργίας και συντήρησης των εγκαταστάσεων και την εμπορία του προϊόντος θα απασχοληθούν περί τα 5.000 άτομα.

9.2.3. Μεταφορά και Αποθήκευση του Φυσικού Αερίου

Μεταφορά του Φυσικού Αερίου

Αέγοντας παραγωγή φυσικού αερίου εννοούμε προφανώς την εξόρυξή του από τα πετρώματα μέσα στα οποία είναι εμποτισμένο κάτω από υψηλές πιέσεις. Τα κοιτάσματα φυσικού αερίου βρίσκονται ατυχώς μακριά από οργανωμένα βιομηχανικά συγκροτήματα. Όπως συμβαίνει για κάθε εύφλεκτο αέριο η μεταφορά του είναι σημαντικά δύσκολη και επικίνδυνη σε σύγκριση με την μεταφορά καυσίμων (π.χ. πετρέλαιο). Στον πίνακα 7 αναφέρονται τα εκρηκτικά μίγματα ορισμένων υδρογονανθράκων με αέρα σε πίεση 1 atm.

Πίνακας 7 Εκρηκτικά μίγματα ορισμένων ενώσεων με αέρα Ρ= latm

Ένύίσή- % κ.ο.^περιε(ί:τπ<ρττίτά της-εν αέρα

Μεθάνιο 5.0 15.0Αιθόνιο 2.9 13.0Προπάνιο 2.1 . A 9.5 V . - .η- βουτάνιο 1.8 . ■ ;8.4 ■Ισοβουτάνιο 1.8 . 8.4^-

,ΐσοπεντάνιο 1.4 """ 8.3- 7 ■Εξάνιο ■, 1;2 ■ 7.1, · -HiS 43 .45,5

Οι ενεργειακές ανάγκες της εποχής μας επέβαλαν, παρά ταύτα την μαζική μεταφορά του Φ.Α. σε μεγάλες αποστάσεις είτε υπό την μορφή αερίου σε υγροποιημένη κατάσταση. Στον πίνακα 8 αναφέρονται μερικά από τα πλέον εκτεταμένα δίκτυα αγωγών μεταφοράς Φ.Α.

Πίνακας 8 Δίκτυα μεταφοράς Φυσικού Αερίου

Χώρα ' ' Μήκος δ ι κ τ ύ 6 υ ' - ( Ρ ί ^ ^ Ε ^ΗΠΑ , · 360 ,000 ..

• Γαλλία -9,0005 Ολλανδία ·, . A6UO . ,

Μ.^Βρετανία , 4 ,800·'Ρωσία ν. i.· , , 56,000·.;

Η διάμετρος των αγωγών είναι συνήθως από 70-120 cm και η πίεση του αερίου σε αυτούς 40-70 bar. Η μεγάλη πίεση ετηβάλλεται για την αποτελεσματική μεταφορά του, εφόσον οι απώλειες ενέργειας (πτώση πίεσης) λόγω τριβής είναι μεγάλες. Σε κάθε 80- 100 χιλιόμετρα υπάρχει ένας σταθμός συμπίεσης. Το κόστος εγκαταστάσεων μεταφοράς είναι περίπου 90.000 δολάρια Η.Π.Α./χιλιόμετρο. Το κόστος εγκαταστάσεων μεταφοράς αποτελεί το 75-80% των σταθερών εξόδων ενώ το κόστος λειτουργίας της μεταφοράς το υπόλοιπο 2θ-25%. Η παροχή όγκου του Φ.Α. μέσα στους αγωγούς υψηλής πίεσης ανέρχεται στα 10-15 mVsec.

Συγκρίνοντας με την ενέργεια που μεταφέρεται (ως καύσιμη ύλη) από ένα αγωγό πετρελαίου οι αγωγοί Φ.Α. μεταφέρουν το ‘/a - Υι αυτής εφόσον ένα πετρελαίου περιέχει τόση ενέργεια όση 1000 m' Φ.Α.

Έχουν κατασκευαστεί ειδικά πλοία για την μεταφορά του σε υγρή μορφή στην περίπτωση που δεν είναι ικανή η χερσαία μεταφορά με αγωγούς. Τα μεθανιοφόρα πλοία είναι δυναμικότητας της τάξης των 50-70 εκατομμυρίων κυβικών μέτρων ανά ταξίδι Το Φ.Α. υγροποιείται στους -160° C. Το ειδικό βάρος του υγροποιημένου Φ.Α.

είναι περίπου 0,55 και ένα υγροποιημένου Φ.Α. αντιστοιχεί σε 600 αερίου υπό κανονικές συνθήκες.

Το Φυσικό Αέριο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας όπως εξάγεται από την γεώτρηση. Περιέχει ποσότητες ανώτερων αέριων υδρογονανθράκων μεταβλητές αναλογίες σε Ν2 και C02 αλλά και H2S μερκαπτάνες και άλλες θειοενώσεις. Έτσι υφίσταται μία σειρά διεργασιών καθαρισμού πριν την διάθεση του με σκοπό την απομάκρυνση της μεγαλύτερης ποσότητας αυτών των προσμίξεων κυρίως των τελευταίων:

I σχηματιστούν ορισμένα συμπυκνώματα και ναΚαταρχήν συμπιέζεται για ν απομακρυνθούν.Αφυδατώνεται με απορρόφηση του νερού από γλυκόζη η οποία αναγεννάται και ανακυκλώνεται.Υφίσταται γλυκασμό με διαιθανολαμίνη για την απομάκρυνση H2S και C02

IV. Κατεργάζεται με σόδα (Na2C03) για την απομάκρυνση των μερκαπτανών.V. Απομακρύνονται οι ανώτεροι υδρογονάνθρακες με ψύξη ή με απορρόφηση σε

ορυκτέλαια. Το εμπλουτισμένο έλαιο απορρόφησης αποστάζεται στην συνέχεια για παραγωγή προπανίου, βουτανίου, βενζίνης και ανακυκλώνεται.

Η απομάκρυνση των ανώτερων υδρογονανθράκων είναι απαραίτητη για δύο κυρίως λόγους: α) Θα μπορούσαν καταρχήν να συμπυκνωθούν στα δίκτυα μεταφοράς δημιουργώντας δυσχέρειες στην ροή αλλά και επικίνδυνες καταστάσεις στους χρήστες, β) Οι παραγόμενοι ανώτεροι υδρογονάνθρακες είναι μόρια με αξιόλογα αποτελέσματα για διάφορες χρήσεις. Έτσι ενδιαφέρει η παραγωγή τους.

Από την άλλη πλευρά ο υδρατμός απομακρύνεται διόπ σε συνδυασμό με το μεθάνιο σχηματίζει στερεά ένυδρα (υπό μορφή χιονιού ή πάγου) τα οποία σε σημεία που υφίσταται εκτόνωση (π.χ. βάνες) μπορούν να προκαλέσουν φράξιμο αγωγών.

Το H2S πρέπει να απομακρυνθεί σε κάθε περίπτωση εφόσον το ίδιο αλλά και τα προϊόντα καύσης του (SOx) είναι επικίνδυνοι ρύποι του περιβάλλοντος. Από την άλλη πλευρά αποτελούν ισχυρά δηλητήρια για τους περισσότερους καταλύτες εάν πρόκειται το Φ.Α. να χρησιμοποιηθεί σε κάποια καταλυτική επεξεργασία για περαιτέρω αναβάθμιση (π.χ. παραγωγή αερίου σύνθεσης, Η2 σύζευξη).

Ένα τυπικό διάγραμμα ροής των εργασιών που υφίσταται το Φυσικό Αέριο πριν διοχετευτεί υπό αέρια κατάσταση (NGG) ή υπό υγρή (NGL) στον καταναλωτή δείχνεται στο σχήμα 3.

Αποθήκευση του Φυσικού Αερίου

Σε πολλές περιπτώσεις επιβάλλεται η αποθήκευση του Φ.Α. από τους κύριους χρήστες ή τους διανομείς. Είναι δε περισσότερο επιβεβλημένη όταν αυτό μεταφέρεται με πλοία σε υγρή μορφή. Η αποθήκευση γίνεται σε δεξαμενές διπλών τοιχωμάτων με ειδική μόνωση όγκου περίπου 50.000 ηιλ Απαιτείται η χρήση νικελιοχαλύβων ή κραμάτων αλουμινίου.

Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν και υπόγειοι φυσικοί ταμιευτήρες (σχήμα 4) εφόσον το επιτρέπει το πέτρωμα κατόπιν λεπτομερούς γεωλογικής μελέτης. Τέτοια τεχνιτά κοιτάσματα φυσικού αερίου έχουν αναπτυχθεί εκτεταμένα τα τελευταία χρόνια ιδίως με την επαναχρησιμοποίηση παλαιών εξαντλημένων κοιτασμάτωνυδρογονανθράκων.

Για να καταλάβουμε την έκταση που έχει πάρει η τεχνολογία υπόγειας αποθήκευσης του Φυσικού Αερίου παρουσιάζεται παρακάτω ένας χάρτης των Η.Π.Α. («Γ/ήμα 5) που δείχνει τέτοιες τοποθεσίες υπόγειας αποθήκευσης Φυσικού Αερίου.

Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα των διεργασιών που υφίσταται το Φ.Α. πριν την μεταφορά κ εμπορία του.

9.3 ΦΙΛΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

Το Φ.Α. είναι μία φθηνή θερμογόνος πρώτη ύλη για την χημική βιομηχανία και για οικιακή χρήση.

Εκτός όμως από την καύση του για παραγωγή ενέργειας χαμηλής ποιότητας (θερμότητα) και την χρήση του για παραγωγή Η2 ή αερίου σύνθεσης γίνεται εκτεταμένη ερευνητική προσπάθεια για την αναβάθμιση του: Μετατροπή του σε ανώτερους υδρογονάνθρακες (C2+) και οξυγωνομένα προϊόντα (CHiOH, H2COH) που είναι μόρια μείζονος σημασίας για την πετροχημική βιομηχανία και ως εκ τούτου για την παγκόσμια οικονομία. Σημαντικά εκτεταμένη είναι και η Βιομηχανία Αναμόρφωσης (Reforming) του Φ.Α. η μετατροττή του δηλαδή σε CO και Η2 το αποκαλούμενο αέριο σύνθεσης το οποίο αποτελεί την βάση της πετροχημικής βιομηχανίας για την παραγωγή μίας εκτεταμένης γκάμας προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Από την άλλη πλευρά το CO και κυρίως το Η2 αποτελούν θεμελιώδη καύσιμα για τα κελιά καυσίμου. Τα κελιά καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

9.3.1. Καταλυτική αναμόρφωση φυσικού αερίου για την παραγωγή Ηι ή αερίου σύνθεσης (CO+ Ηι).

Γενικά στοιγεία

Το πιο αποδοτικό καύσιμο αυτών των καυσίμων είναι το Η2. Η χρήση του μάλιστα στα κελιά καυσίμου έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή νερού ως μοναδικού χημικού προϊόντος, ένα μόριο εντελώς αν όχι χρήσιμο ακίνδυνο για το περιβάλλον. Το πρόβλημα είναι ότι το Η2 είναι ένα πολύ ακριβό χημικό ιδιαίτερα όταν παράγεται από ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού. Η έρευνα λοιπόν είναι στραμμένη σε τεχνολογίες παραγωγής Η2 από φθηνές ύλες και μάλιστα με φθηνό τρόπο. Μία φθηνή πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου δεν μπορεί να είναι άλλη από το φυσικό αέριο που υπάρχει σε μεγάλα αποθέματα στην φύση.

Δεδομένης της ανάπτυξης της τεχνολογίας μεταφοράς του με αγωγούς μεγάλου μήκους, η χρήση του γίνεται ακόμα πιο ελκυστική.

Όπως έχει ήδη αναφερθεί το φυσικό αέριο είναι ένα μίγμα αερίων με κύριο συστατικό το CH4 που συχνά υπερβαίνει το 80%. Είναι εύλογο λοιπόν να αποτελεί την πλέον ελπιδοφόρα λύση για παραγωγή Η2 αλλά και αερίου σύνθεσης.

Ο τρόπος λήψεως Η2 από το CH4 συνιστάται στην οξείδωση του με υδρατμό με 02 ή με C02 :

(i) CH4 + H2O

(ϋ) CH4 + CO2

(iii) CH4 + 1Δ Ο2

CO +3Η2

^2C0+2H2

^ CO +2Η2

(AH=206kJ/mol)

(ΑΗ=248 kJ/mol)

(ΑΗ=-35 kJ/mol)

Οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται αντιδράσεις αναμόρφωσης του μεθανίου (methane reforming reactions) και γίνονται καταλυτικά με ικανοποιητικούς ρυθμούς σε υψηλές θερμοκρασίες.

I. Η πρώτη αντίδραση γίνεται αποτελεσματικά σε καταλύτες βασισμένους στο Νί ένα φθηνό μέταλλο αλλά απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 800° C) για να αποφευχθούν προβλήματα δηλητηριάσεως του καταλύτη από εναπόθεση άνθρακα μέσω των αντιδράσεων:

2CO —> CO2 + C (αντίδραση Boudouard)

CH4 —> 2Η2 + C (Cracking μεθανίου)

που αναπόφευκτα συμβαίνουν εν παραλλήλω με την πρώτη ευνοούμενες κάτω από ορισμένες συνθήκες. Δεν πρέπει να παραληφθεί και η αντίδραση water gas shift:

C0 + H 2 0 ^C 0 2 + H2

η οποία είναι συνήθως σε ισορροττία κάτω από τις συνηθισμένες συνθήκες επιτέλεσης της αντίδρασης αναμόρφωσης.

II. Η αναμόρφωση του μεθανίου από C02 (δεύτερη αντίδραση) γίνεται σε καταλύτες Ni οι οποίοι εμφανίζουν μεγάλη σταθερότητα στην λειτουργία τους όταν υποστηριχθούν σε La203. Σε άλλες περιπτώσεις το Νί υφίσταται μία γρήγορη απώλεια της ενεργότητας του. Η αναμόρφωση με C02 θα πρέπει να προσεχθεί και υπό το πρίσμα της διάθεσης του C02 ένα αέριο που αποτελεί ρύπο για το περιβάλλον εφόσον ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και επομένως είθισται να αναπτυχθούν μέθοδοι και διεργασίες διάθεσής του.

III. Η αντίδραση αναμόρφωσης με 02 (τρίτη αντίδραση) είναι η πλεονεκτικότερη καθότι εξώθερμη αλλά το πρόβλημα είναι ότι δεν βρίσκονται διαθέσιμοι καταλύτες για αποτελεσματικές αποδόσεις. Το Ru φαίνεται να αποτελεί μία ικανοποιητική λύση αλλά η παραγωγικότητα (yield) της αντίδρασης βρίσκεται ακόμα σε πολύ χαμηλά επίπεδα αν και η εκλεκτικότητα του καταλύτη είναι αρκετά ικανοποιηπκή (>80%).

Από την ομάδα αυτή των αντιδράσεων αναμόρφωσης του μεθανίου οι δύο πρώτες είναι ενδόθερμες πράγμα που σημαίνει δαπάνη ενέργειας για να διατηρηθούν ενώ η τρίτη είναι ελαφρώς εξώθερμη γεγονός που την φέρει σε πλεονεκτικότερη θέση ένανπ άλλων.

Έχει αναφερθεί και η δυνατότητα αναμόρφωσης του CH4 με μερική οξείδωση του από ηλεκτρο^μνκά τροφοδοτούμενο 02 σε κελιά στερεών ηλεκτρολυτών του τύπου:

CH4, CO, Hj, Pt/YSZ/Pt, αέρας

μία διεργασία που γίνεται δαπάνη ακριβής ηλεκτρικής ενέργειας και ως εκ τούτου πιθανόν να μην είναι η καταλληλότερη λύση.

Στις μέρες μας η βιομηχανία αναμόρφωσης του φυσικού αερίου λειτουργεί σε εντατικούς ρυθμούς. Ωστόσο αναζητούνται ερευνητικά τηο αποτελεσματικές λύσεις. Μία λύση που εμφανίζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι η διεργασία της εσωτερικής αναμόρφωσης του μεθανίου. Σε αυτήν την διεργασία μεθάνια και υδρατμός προστίθενται απευθείας στην άνοδο ενός κελιού καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από Νί- YSZ cermet, με περίπου 7Θ% Νί για να εξασφαλίζεται η απαραίτητη ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα της ανόδου. Ο στερεός ηλεκτρολύτης είναι YSZ αγωγός ιόντων Ο^. Η ενδόθερμη αντίδραση αναμόρφωσης που ετητελείται (πρώτη) στην άνοδο παράγει τα καύσιμα Η2 και CO τα οποία ακολούθως θα οξειδωθούν επιτόπου από το ηλεκτροχημικά μεταφερόμενο από την κάθοδο- οξυγόνο διαμέσου των εξώθερμων αντιδράσεων:

Η2 + 0 ^- ^ HaO + 2e-

CO + Ο^- ^ C02 + 2e-

Μέρος της θερμότητας που παράγεται από τις δύο παραπάνω αντιδράσεις διατίθενται κατευθείαν για τις ενεργειακές απαιτήσεις της ενδόθερμης αντίδρασης (πρώτη).

Με αυτήν τη μέθοδο αποφεύγουμε την ανάγκη ενός εξωτερικού αναμορφωτή που θα απαιτεί ενέργεια για να λειτουργήσει πέραν από το κόστος εγκατάστασης του. Υπολογίζεται μία μείωση του κόστους της τάξης του 30%.

Έτσι μία τυτηκή αλληλουχία διεργασιών όπως αυτή του σχήματος 6α που θα παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια από Φυσικό Αέριο με την χρήση κελιών καυσίμου μπορεί να τροποποιηθεί όπως δείχνει το σχήμα 6β επί τη βάση της παραπάνω θεώρησης (δηλαδή διαμέσου της διεργασίας εσωτερικής αναμόρφωσης).

Κελί Καυσίμου εσωτερικής

αναμόρφωσης

Παραγωγήσυνεχούςρεύματος Μετασχηματισμός

Συνεχούς σε Εναλλασόμενο

Σχήμα 6 α) Τυτηκή μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με πρώτη ύλη φυσικό αέριο, βασιζόμενη σε κελιά καυσίμου, β) Τροποποίηση της μονάδας εάν υιοθετηθεί η διεργασία της εσωτερικής αναμόρφωσης.

> Βιομηχανία αναμόρφωσης υδρογονανθράκων

Η αναμόρφωση υδρογονανθράκων γίνεται βιομηχανικά με ατμό. Η διεργασία είναι καταλυτική. Ένας τυπικός βιομηχανικός καταλύτης αναμόρφωσης μεθανίου είναι: Νί 915-20%)+ MgO με προσθήκη 6-10% AbOi. Προσμίξεις H2S στην τροφοδοσία αποτελούν ισχυρά δηλητήρια για τον καταλύτη ο οποίος απενεργοποιείται λόγω σχηματισμού NiS. Για το λόγο αυτό το αέριο τροφοδοσίας υφίσταται καθαρισμό πριν εισέλθει στον αναμορφωτή. Στο σχήμα 7 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής μίας τυπικής βιομηχανικιίς μονάδας παραγωγής Η2 από αναμόρφωση προπανίου.

τ

Σχήμα 7 Διάγραμμα ροής βιομηχανίας παραγωγής Η2 υδρογονανθράκων.

Η διεργασία αναμόρφωσης γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες (τυτηκά 760-980°C) όπου παράγεται Η2 μαζί με μίγμα οξειδίων του άνθρακα (CO και CO2) σύμφωνα με τις βασικές αντιδράσεις.

C„H„ + 11Η2Ο ^ nCO + (η + m/2)H2

CO + Η2Ο CO2 + Η2 (water gas shift reaction)

Η πρώτη αντίδραση, η αντίδραση αναμόρφωσης είναι όπως τονίστηκε ενδόθερμη. Η δεύτερη αντίδραση που συνοδεύει πάντοτε την διεργασία αναμόρφωσης είναι εξώθερμη ευνοούμενη θερμοδυναμικά σε χαμηλές θερμοκρασίες α ^ ά δεν επηρεάζεται από την τήεση. Περίσσεια ατμού ευνοεί και τις δύο αντιδράσεις προς τα δεξιά. Έτσι εάν αντικειμενικός μας σκοπός είναι η παραγωγή Η2 τότε μία τέτοια περίσσεια εφαρμόζεται στην διεργασία. Η περίσσεια Η2Ο περιορίζει επίσης την πιθανότητα εναπόθεσης άνθρακα στον καταλύτη (φυσική δηλητηρίαση) αν και μπορεί να ελαττώσει την απόδοση λόγω μετατροπής του ενεργού καταλύτη Νΐ σε λιγότερο ενεργό ΝίΟ.

Μία τυπική σύσταση των προϊόντων της διεργασίας αναμόρφωσης μεθανίου είναι; 75% Η2, 8% CO και 15% C02. Το υπόλοιπο ποσοστό είναι άζωτο και μεθάνιο που δεν αντέδρασε.

Όταν αντικειμενικός μας σκοπός μας είναι η παραγωγή αερίου σύνθεσης τότε αποφεύγουμε να οδηγήσουμε το σύστημα προς παραγωγή C02 . Αυτό επιτυγχάνεται με την μείωση του Η2Ο στην τροφοδοσία.

Η βιομηχανία παραγωγής Η2 χρειάζεται και διεργασίες απομάκρυνσης των συμπαραγομένων CO και C02. Για το σκοπό αυτό καταφεύγουμε καταρχήν στην πλήρης μετατροπή του CO σε C02 μέσω της water gas shift αντίδρασης σε ένα ξεχωριστό αντιδραστήρα όπου τα αέρια προϊόντα του αναμορφωτή εμπλουτίζονται σε υδρατμό στην είσοδο του δεύτερου αυτού αντιδραστήρα. Κατόπιν η απομάκρυνση του

εναπομείναντος CO ετπ,τυγχάνεται σε ττύργους απορρόφησης με διαλύματα αμμωνιακών αλάτων χαλκού. Η απομάκρυνση του C02 από το τελικό προϊόν μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες μεθόδους. Η βιομηχανία διαθέτει πολλές επιλογές για αυτή την διεργασία όπως π.χ. έκπλυση σε βασικά διαλύματα.

9.3.2. Διμερισμός ή σύζευξη του μεθανίου (methane coupling)

Μέχρι σήμερα όσον αφορά την μετατροπή του μεθανίου είχε δοθεί μεγαλύτερη σημασία στην παραγωγή αερίου σύνθεσης (CO+H2) και την μετέπειτα χρήση αυτού του αερίου από την πετροχημική βιομηχανία για την παραγωγή πετροχημικών προϊόντων δηλαδή ανώτερων και οξυγονωμένων υδρογονανθράκων μέσω των αντιδράσεων Fisher-Tropsch. Μιλάμε δηλαδή για μία διεργασία έμμεσης ή σταδιακής αναβάθμισης του μεθανίου. Στις μέρες μας αναπτύχθηκε έντονο ενδιαφέρον γιια την απευθείας (one step) μετατροπή του μεθανίου σε προϊόντα διμερισμού και οξυγονωμένους υδρογονάνθρακες.

Πρωτοπόρα εργασία προς αυτή την κατεύθυνση αποτέλεσε η δημοσίευση των Keller και Bhasin για την απευθείας (one step) μετατροπή του μεθανίου σε C2 υδρογονάνθρακες (C2H4 και C2H6) μέσω καταλυτικής οξειδωτικής σύζευξης ή διμερισμού αυτού. Διεργασία που ονομάζεται Oxidative Coupling of Methane (OCM). To αιθυλένιο είναι μία από τις βασικότερες πρώτες ύλες της πετροχημικής βιομηχανίας για την παραγωγή μεγάλου αριθμού ενδιαμέσων και τελικών προϊόντων όπως χαρακτηριστικά δείχνεται στο σχήμα 8 .

παραγωγικότητα ορίζεται ως το γινόμενο της μετατροπής επί την εκλεκτικότητα). Αυτό το γεγονός έκανε την διεργασία μη επιλέξιμη για βιομηχανική εφαρμογή.

Μερικές από τις πλέον επιτυχημένες προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση συνοψίζονται στο σχήμα 9.

Σχήμα 9 Μερικές από τις καλύτερες προσπάθειες απευθείας σύζευξης του CHa

Στο σχήμα 9 παρατηρούμε ότι παρόλο που έχουν ανακαλυφθεί καταλύτες με πολύ μεγάλη (>8Θ%) εκλεκτικότητα (Sc2) σε χαμηλές μετατροπές CH4, για τη εν λόγω διεργασία OCM η εκλεκτικότητα αυτή υποβαθμίζεται συστηματικά σε μεγαλύτερες μετατροπές με αποτέλεσμα η παραγωγικότητα της αντίδρασης (Yc2) να περιορίζεται σε πολύ χαμηλές τιμές (<2Θ%).

Τέτοιες τιμές της παραγωγικότητας είναι οικονομικά απαγορευτικές για βιομηχανική εφαρμογή η οποία απαιτεί τιμές της τάξης των 50% και άνω για οικονομική και αποδοτική λειτουργία.

Η αιτία της χαμηλής παραγωγικότητας σε C2 υδρογονάνθρακες είναι ότι τα παραγόμενα προϊόντα αιθάνιο και αιθυλένιο είναι σημαντικά δραστικότερα του μεθανίου για περαιτέρω οξείδωση από το Οι με αποτέλεσμα σε μεγάλες μετατροπές αυτά να μονοπωλούν την κατανάλωση του οξυγόνου παράγοντας προϊόντα περαιτέρω οξείδωσης

CO και C02 (όπως δείχνεται από τον μηχανισμό της αντίδρασης OCM σχήμα 10), ρίχνοντας έτσι την εκλεκτικότητα της δράσης.Μία ερευνητική ομάδα του Πανετηστημίου Πάτρας κατάφερε πρόσφατα να αντιπαρέλθει αυτή την δυσκολία με την χρήση ενός πρωτότυπου "αντιδραστήρα συνεχούς ανακύκλωσης αερίων-με διαχωρισμό προϊόντων" (βλέπε σχήμα 11) και να οδηγήσει την αντίδραση σε παραγωγικότητες σε Ci υδρογονάνθρακες της τάξης του 9Θ% σε μετατροπές μεθανίου μεγαλύτερες από 95% (σχήμα 12).

2CK, . : ~ ^ CH3 — 5L·C ^ e — C 2 H 4

Σχήμα 10 Μηχανισμός της αντίδρασης OCM

Σχήμα 11 Αντιδραστήρας ανακύκλωσης αερίων με ταυτόχρονο διαχωρισμό για την ετητέλεση της αντίδρασης OCM σε υψηλές παραγωγικότητες.

Η διεργασία αυτή μπορεί πλέον να εφαρμοστεί βιομηχανικά όπως αναφέρεται σε μία σχετική κριτική από το διεθνές περιοδικό Chemistry and Industry. Εάν μάλιστα ετητελεστεί σε ηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες υπό συνθήκες συμπαραγωγής τα οικονομικά οφέλη θα είναι ακόμα μεγαλύτερα.

Τονίζεται ότι σε αυτό το διάστημα η συνεργία του αντιδραστήρα ανακύκλωσης και του διαχωριστή προϊόντων οδηγεί σε παραγωγή κυρίως αιθυλενίου (σε ποσοστά 80%) παρά σε παραγωγή αιθανίου. Ως γνωστό το αιθυλένιο είναι ένα μόριο σημαντικά χρησιμότερο του αιθανίου.

Η ίδια ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί αποτελεσματικά και για την απευθείας (one step) μετατροπή του μεθανίου σε μεθανόλη ή φορμαλδεΰδη (οξυγονωμένοι υδρογονάνθρακες) τα

οποία είναι ακόμα πιο αναβαθμισμένα προϊόντα και μία παραγωγικότητα τους της τάξης του 2ϋ/ο κρινεται βωμηχανικά εφαρμόσιμη. Αρκεί φυσικά να επιλεγεί ο κατάUηλoς καταλύτης και το υλικό πλήρωσης της μονάδας διαχωρισμού.

Ο Lunsford και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την ίδια διαδικασία για την παραγωγή αρωματικών υδρογονανθράκων από μεθάνιο σε πολύ υψηλές αποδόσεις.

Σχήμα 12 Εκλεκηκότητα και παραγωγικότητα της αντίδρασης OCM που επιτελείται στον πρωτότυπο αντιδραστήρα συνεχούς ανακύκλωσης αερίων με ταυτόχρονο διαχωρισμό προϊόντων. Σύγκριση με τις καλύτερες μέχρι σήμερα προσπάθειες (Ο): λειτουργία του πρωτότυπου αντιδραστήρα σε συνθήκες batch.(·): λειτουργία του αντιδραστήρα σε συνθήκες συνεχούς ροής σε μόνιμη κατάσταση.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1) ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ, ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ, ΕΑΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΕΝΑΑΑΑΚΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ/ΙΩΑΝΝΗΣ Β. ΓΕΝΤΕΚΑΚΗΣ/ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΑΑ 2003

2) ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΑΟΝ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ/ΣΤΕΦΑΝΟΣ Ε. ΜΠΙΝΙΑΡΗΣ/ΕΚΔΟΣΕΙΣ Β. ΓΚΙΟΥΡΔΑΣ ΕΚΔΟΤΙΚΗ 2006

3) ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΑΟΓΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΑΑΟΝΤΟΣΑΤΡΙΑΝΤΑΦΥΑΑΟΣ ΑΑΜΠΑΝΗΣ/ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ 1999