Atmosferde bulunan gazlar

Transkript

1

2 Atmosferde bulunan gazlar Atmosferde devamlı bulunan ve çoğunlukla miktarları değişmeyen gazlar azot, oksijen ve diğer asal gazlar Atmosferde devamlı bulunan ve miktarları değişen gazlar Karbon dioksit, su buharı, ozon Atmosferde her zaman bulunmayan gazlar Kirleticiler

3 Hava Kirliliği Canlıların sağlığını olumsuz yönde etkileyen ve/veya yapılara (binalara) maddi zarar veren, havanın doğal bileşimini bozan yabancı maddelerin hava içinde normalin üzerinde miktarlarda bulunmasıdır.

4 Hava Kirliliğinin Temel Kaynağı Enerji eldesi için fosil yakıtların yakılması sonucu atmosfere verilen zararlı gazlar ve tozlardır (partikül maddeler).

5 Fosil yakıtlar Fosil yakıtlar, hidrokarbon içeren kömür, petrol ve doğal gaz gibi doğal enerji kaynaklarıdır. Yüzmilyonlarca yıldan bu yana denizlerde veya karalarda yaşayan bitki ve hayvanların kalıntılarının anaeorabik bir ortamda, uygun şartlar altında (sıcaklık, basınç ve mikroorganizmaların etkisiyle), başkalaşmasıyla oluşmuşlardır. Fosil yakıtlar günümüzde endüstriyel alanda çok geniş bir kullanım alanı bulmaktadır.

6 Enerji kullanımı Günümüzde kullanılan toplam ticari enerjinin yaklaşık %90 ı fosil yakıt tüketilerek elde edilmektedir. Ülkeden ülkeye değişmekle beraber yine de en büyük kısmı petrol,kömür ve doğal gaz şeklindeki yakıtlardır.

7 Dünyada enerji kullanımı Kaynak: U.S. Energy Information Administration Doğal gaz kullanımının son zamanlarda bir miktar artmasına rağmen, temel enerji kaynağımız yine de kömür ve petroldür.

8 Kirletici Kaynaklar Hava kirliliğine neden olan tüm aktivitelerdir.

9 Kirletici Kaynak Türleri Kökenleri esas alınarak, Doğal kaynaklar Doğada kendiliğinden oluşur (Orman yangını, volkan püskürmesi, kum fırtınası, vb.) Antropojenik (insan kökenli) kaynaklar İnsan aktiviteleri sonucu oluşur (Sanayi faaliyetleri, ulaşım, vb.)

10 Hava Kirliliğinin Temel Kaynağı Enerji eldesi için fosil yakıtların yakılmasıdır.

11 Yanma Yanma, yakıtın içindeki yanabilir elementlerin oksijenle hızla reaksiyona girerek ısı açığa çıkarmasıdır. Bu yanabilir maddeler, başta karbon (C) ve hidrojen (H) olmak üzere, kükürt (S), azot (N) karışımıdır. C + O 2 C + ½ O 2 CO 2 + ısı CO + ısı 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + ısı S + O 2 SO 2 + ısı 2 CO + O 2 2 CO 2 + ısı

12 Tam yanma Yanma reaksiyonları sonucu oluşan gazlarda hiçbir yanıcı madde bulunmuyorsa yanma tamdır. Tam yanmada, yakıt bileşimindeki karbon, hidrojen ve hidrokarbonlar karbon dioksit (CO 2 ) ve suya (H 2 O) dönüşür. Basit bir hidrokarbondan oluşan yakıtın tam oksidasyonu: C n H m + (n + m/4) O 2 n CO 2 + m/2 H 2 O

13 Gerçek yanma Yakıt içerisinde bulunan safsızlıklar da yanmaya katılır ve yanma sonucunda (oksidasyon) başka bileşiklere dönüşüp yanma ürünleri olarak baca gazı ile birlikte atmosfere atılırlar. Yakıt saf oksijen yerine hava içindeki oksijenle yandığından yüksek sıcaklıklarda havadaki azotun da oksitlenmesiyle NOx oluşur. Yanma her zaman tam yanma olmaz ve baca gazında yanabilir bileşikler (CO, C x H y ) bulunur. Metanın yanması: CH 4 CH 3 OH HCHO HCOOH CO CO 2, H 2 O metan metanol formaldehit formikasit

14 Eksik Yanma Ürünleri Eksik yanma çoğunlukla yanmanın gerçekleştiği yerde (örneğin bir yanma odası) yakıt ve havanın iyi karışıp temas etmemmesi sonucu meydana gelir. Genelde; karbon monoksit is-kurum hidrokarbon gazları C n H m +? O 2 CO 2 + CO + H 2 O + H 2 + HC

15 Yakıtların yanması sırasında NO X oluşumu Yanma odasındaki sıcak bölgelerde havadaki azotun oksitlenmesiyle ortaya çıkar. Yüksek aktivasyon enerjilerinden dolayı C üzerinde önem kazanırlar (Zeldovich Mekanizması). N 2 + O NO + N N + O 2 NO +O N 2 +O 2 2NO

16 Yakıt safsızlıkları Yakıt içerisinde yer alan safsızlıkların oksidasyonu sonrasında; uçucu kül şeklinde katı, damlacıklar şeklinde sıvı gaz/buharlar halinde çeşitli formlarda kirleticiler havaya atılabilirler. Yakıt safsızlıklarının bazıları doğaldır (kükürt gibi), bazen de yakıt performansını arttırmak üzere yakıtlara insanlar tarafından eklenmiş maddeler olabilmektedir: benzine oktanını arttırmak için eklenen etanol, metil tertbütil eter gibi oksijenli bileşikler.

17

18 Hava Kirleticiler Havanın doğal yapısının değişmesine neden olan tüm yabancı maddelerdir. Kökenlerine göre ikiye ayrılırlar: Birincil kirleticiler: Kaynaktan atmosfere doğrudan verilen kirleticilerdir. İkincil kirleticiler: Birincil kirleticilerin, atmosferde girdikleri bazı kimyasal reaksiyonlar veya fiziksel olaylar sonucunda oluşan kirleticilerdir.

19 Birincil kirleticiler Hava kirliliğinde, önem ve kaynak açısından beş önemli birincil kirletici mevcuttur: Karbon monoksit (CO) Kükürt oksitler (SO x ) Azot oksitler (NO x ) Hidrokarbonlar (HC) Partikül maddeler (PM)

20 İkincil kirleticiler Bu kirleticiler atmosferde bazı kimyasal maddelerin çoğunlukla güneş ışığının etkisiyle reaksiyon vererek yeni maddeler oluşturması ile oluşur. İkincil kirleticilerin oluşmasında fotokimyasal reaksiyonlar önemli rol oynar. Örneğin ozon. Reaksiyonlar sonucu ortaya çıkan maddelerin yoğuşması veya partiküller üzerinde adsorblanmasıyla ikincil partiküller de oluşabilir.

21 Kirleticilerin taşınımı Kirleticiler yerel olarak havaya salınır, bazen çok büyük kütlesel hareketler ile çok uzak mesafelere taşınır, yol boyunca ve vardıkları yerlerde çeşitli etkiler yaratırlar. Taşınımları sırasında bazı fiziksel veya kimyasal mekanizmalarla şekil değiştirebilir veya ortamdan uzaklaşabilirler. Bu şekilde katedilen mesafelerin ölçeğine göre yerel, bölgesel veya küresel ölçekli kirlenme olayları tanımlanmaktadır.

22 Kükürtlü Kirletici Gazlar SO X Doğal veya yapay kaynaklardan havaya SO 2 ve SO 3 halinde atılan kükürt oksit gazlarının toplamıdır. Dış havada büyük ölçüde SO 2 formunda bulunur.

23 SO X in kaynakları Doğal kökenli SO x kaynakları arasında en önemlisi volkanik gazlardır. Geçmiş çağlarda yaşayan canlıların bünyesindeki kükürtlü amino asitlerin fosilleşme sırasında organik kükürt bileşikleri şeklinde yakıt içeriğinde kalması, kükürt bakımından zengin fosil yakıtları oluşturur. Havaya atılan SO x gazlarının diğer önemli kaynağı bu fosil yakıtların yakılmasıdır. Yakıt tüketimi dışında bir miktar SO x metalurji ve kimya sanayii atık gazlarıyla da havaya atılmaktadır.

24 SO 2 Atmosferde en çok bulunan kükürt oksit türü olan SO 2 ; renksiz, yanıcı veya patlayıcı olmayan, karakteristik asit kokusuna ve tadına sahip bir gazdır. Standart atmosfer koşullarında 1 ppm derişimi 2860 µg/m 3 olan bu gazın koku eşiği 0,5 ppm, tad eşiği ise 0,3 ppm dir. Kokusu 3 ppm konsantrasyonda dayanılmaz bir hal alır, zaten bu seviyede ölümcül etkiler de başgösterir. Bir kaç yüz ppm kükürt dioksit bir anda öldürücü etki yapar.

25 SO 2 nin insan sağlığına etkileri Derişim, ppm Maruz kalma süresi Etkiler gün Solunum sistemini etkiler dakika Solunum sisteminde rahatsızlık 1-5 Bir anda Göğüs sıkışması, nefessiz kalma 10 1 Saat Göz yaşarması, burun kanaması 20 Anlık Göz tahrişi, mide bulantısı

26 Tarihte SO 2 kirliliği vakaları Normal sağlıklı insanların ölümle karşılaştıkları SO 2 seviyeleri havada 500 ppm (1-1.5 g/m 3 ) gibi dış havada ancak endüstriyel kazalar ile görülebilecek kadar yüksek seviyelerdir. 38 ppm seviyesine ulaşılan bir endüstri bölgesinde (Belçika da Meuse vadisi) 1930 yılında 60 kişi ölmüştür. Havada 2 ppm SO 2 seviyesinin ölçüldüğü 1948 Donora, Pennsylvania episodu olayında ise kasabada yaşayanların %40 ı rahatsızlanmış ve 20 kişi ölmüştür. En ünlü örnek, 1952 Aralık ayında yaşanan Londra episodudur. Beş günlük bir durgun hava döneminde 1.3 ppm (yaklaşık 3000 µg/m 3 civarı) SO 2 seviyesinin bulunması kişinin hayatına mal olmuştur. Not: Episod, birkaç gün kadar sürebilen durgun hava kütlelerinin yerleşmesiyle oluşan havanın aşırı kirli olduğu dönemlerdir.

27 SO 2 nin bitkilere etkileri Kısa süreli fakat yüksek seviyeli SO 2 ye maruz kalan bitkilerin yapraklarında yanıklar (ölü dokunun oluşturduğu yanık lekeleri, nekroz) görülür. Yaprakların kenar ve damarları arasındaki bölgeleri bu tür lekelerle dolar. Uzun süreyle düşük dozda maruz kalınan SO 2 ise klorofilin parçalanmasıyla oluşan beyaz-sarı lekelere (klorosis) yolaçar. Bitkilerde akut (8 saat boyunca 0.03 ppm) ve kronik maruziyet (1 yıl boyunca 0.01 ppm SO 2 ) benzer sonuçlar doğurur. Bu seviyeleri aşan kirlenmeler klorofil yapısını bozar, büyümeyi engeller ve hatta hücre bozulmasına yol açabilir. Yaprak dökmeyen çam ağaçları ile tütün, pamuk, fasulye gibi bitkiler de daha duyarlı türlerdir.

28

29 SO 2 nin mühendislik yapılarına etkileri Kükürt oksitler canlılara olan etkilerinden başka kültür ve sanat eserlerine, arkeolojik yapıtlara, mühendislik yapılarına önemli zarar vermektedir. Bu etkiler metal eşyaların korozyona uğraması, kireç, mermer gibi yapı malzemesinin ise alçıtaşına dönüşerek suda çözünürlüğünün artması şeklinde görülmektedir. Ayrıca doğal (pamuk gibi) veya yapay (naylon, vb.) tekstil elyafının ve kağıt yüzeyinin elyaf yapısını bozarak kırılgan ve dayanıksız hale getirmektedir.

30

31 SO 3 (Kükürt trioksit) Havaya atılan yanma atığı gazlardaki SO x içindeki en önemli kirletici türü SO 2 dir; SO 3 ise en çok %3-5 kadardır. SO 3 yüzdesi sıcak gazlarda veya yanma esnasında ortamda fazla oksijen bulunması ve katalitik etki yapan (vanadyum, nikel gibi) bazı ağır metallerin yakıt bünyesinde mevcut olması durumunda artabilmektedir. Bu ağır metaller en çok petrol türevlerinde bulunmaktadır. Bu nedenle, fuel-oil yakan tesislerin atık gazlarında SO 3 /SO x oranı, gaz ve kömür yakanlardan daha yüksektir.

32 Diğer kükürtlü gazlar Havaya karışan kükürtlü gazların miktarca en fazla olanı, daha sonra atmosferde gaz fazdaki reaksiyonlarla oksitlenerek kükürt oksitlere dönüşebilen hidrojen sülfür (H 2 S) gazıdır. 2 H 2 S(g) + 3 O 2 ( g ) ---> 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(g) H 2 S, bataklık bölgelerden yayınlanan çürüme gazlarından, özellikle de maden kömürü galerilerinden, petrol sondajı ve bazı üretim faaliyetlerinden kaynaklanır.

33 Azot Oksitler (NO x ) Havada bulunabilen çeşitli gaz haldeki azot oksit molekülleri arasında en çok rastlanan ve en etkili türler olan azot monoksit (NO) ve azot dioksit (NO 2 ), ortak bir gösterimle NO x formülü ile ifade edilir. Yüksek sıcaklıkta oluşan tüm yanma reaksiyonlarında havadaki azot ve oksijenden NO x oluşumu görülür. NO x in atmosferde mevsime ve günün saatlerine göre miktarının değiştiği ve havada 1-7 gün kalabildiği bilinmektedir. Nitrik asit damlacıkları oluşturmak suretiyle asit yağışına da yol açar.

34 NO NO 2 Renksiz ve kokusuz olan NO ve şiddetli zehir özelliği taşıyan, koyu kahverengi/kızıl NO 2 gazı ise alt atmosferde hava kirliliğinin göstergesidirler. Kirlenme dışında doğal olarak şimşek ve yıldırım olayları esnasında havadaki azot ve oksijenin birleşmesiyle de NO ve NO 2 ortaya çıkar. Yüksek sıcaklık işlemlerinin bulunduğu her yerde ve biyolojik prosesler sonucunda azot oksit oluşumu sözkonusudur. Ancak motor sıcaklıklarında veya yüksek ısıl verimle çalışan sabit yakma tesislerinin yanma odasında ortaya çıkan NO, daha eksoz borusunu terkederken ortamdaki oksijenle yükseltgenmeye başlar ve NO 2 yi oluşturur. Bu reaksiyon bol oksijenli olan dış havada daha da önemlidir.

35 NO x Yerden pek fazla yükselemeyen NO 2 gazı, buralara kadar inen güneş ışığının etkisiyle ozon oluşumu ile sonlanan bir dizi zincirleme fotokimyasal reaksiyona neden olur. Taşıtların ve güneş ışınlarının bol olduğu kentlerde yaz aylarında fotokimyasal sis görülür. Bu olayda gösterge parametre ozon konsantrasyonlarının artışıdır.

36 Karbon monoksit Yanma reaksiyonu sırasında oksijenin ortamdaki tüm karbonu tam olarak oksitlemeye yetmemesi veya sıcaklığın yeterli olmaması sonucunda ortaya çıkan bir eksik yanma ürünüdür. Bu zehirli maddenin oluşması esnasında, eksik yanma yüzünden yeterli enerji elde edilemediğinden daha fazla yakıt tüketilir.

37 Karbon monoksit Karbon monoksit havadan ağır bir gaz olup, kent havasında, atıldığı eksoz borusu yüksekliğinde önemli artış gösterir. Yüksek yapılaşmanın yarattığı kanyon etkisi veya cadde doğrultularının hakim rüzgar doğrultusuna uygun olmaması yüzünden kentin taze hava akımlarından yeterince yararlanamaması gibi nedenlerle, trafiğin yoğun bulunduğu ve yavaşladığı kavşaklarda CO konsantrasyonu bazen çok büyük değerlere ulaşabilir. Borusuz veya gaz sızdıran sobalar, kaçak yapan veya çekişi iyi olmayan bacalar, iyi yakılmayan veya sızdıran gazlı ısınma araçları, şofben, kombi vb. ev cihazlarının havalandırması yetersiz kapalı ortamlarda kullanılmaması gerekir. Bu hatalar dolayısıyla pek çok insan karbon monoksit zehirlenmesinden zarar görmekte ve ölmektedir.

38 VOC ler (Uçucu Karbon Bileşikleri) PAH lar (Polisiklik Aromatik Hidrokarbonlar) Eksik yanma ürünleri taşıyan ekzos gazından, endüstriyel emisyonlara kadar hemen tüm atık gazlarda VOC ve PAH grubundan çok sayıda organik bileşik gaz, buhar veya partikül madde halinde bulunabilir. Bu gruplardaki bileşiklerin her biri hem kendi etkileriyle, hem de atmosferde kendi aralarında veya diğer bileşenlerle verdikleri reaksiyonlar sonunda ikincil olarak meydana gelebilen diğer gaz veya partikül maddeler dolayısıyla olumsuz etkiler yaratabilir. Canlıların sağlığı ile ilgili etkileri; zehirlilik, kansere yol açma etkileri veya başka küresel sakıncalar şeklinde olabilmektedir.

39 Partikül maddeler (Aerosoller) Bir süre için havada askıda kalabilen sıvı veya katı madde zerrecikleridir. Pek çok atmosferik reaksiyonun hammaddesi, ürünü veya kolaylaştırıcısı olarak görev alır. Yerden türbülanslı hareketlerle ve rüzgârlarla kalkan iri tozlardan, volkan püskürmelerinden, insan faaliyetlerinden, havada süren bazı reaksiyonlar sonunda yoğuşan maddelerden (ikincil aerosoller) ve polen, bitki parçaları gibi biyojenik parçalardan meydana gelebilir. Havadaki gazlardan yoğuşan ince partikül maddeler kadar, ince partiküllerin koagülasyonu sonucu oluşan havada kalış süreleri farklılıklar gösteren irili ufaklı çeşitli tane iriliklerinde tozlar da bulunabilir.

40 Partikül maddeler Havadaki gazlardan yoğuşan ince partikül maddeler kadar, ince partiküllerin koagülasyonu sonucu oluşan havada kalış süreleri farklılıklar gösteren irili ufaklı çeşitli tane iriliklerinde tozlar da bulunabilir.

41 Partikül maddeler Partikül maddeler boyutlarına ve katı veya sıvı fazda bulunmalarına bağlı olarak duman, sis, sprey veya toz olarak adlandırılır.

42 Ağır metaller (iz elementler) Zararlı etkileri ile tanıdığımız kurşun (Pb), kadmiyum (Cd), civa (Hg) başta olmak üzere toksik ağır metal türevleri bu sınıfta yer alırlar. Ağır metallerden başka arsenik, selenyum gibi bazı ametaller ve bunların organik bileşikleri de hava kirletici maddeler arasında sayılmaktadır.

43 Ozon Ozon oksijenin yüksek enerji düzeyindeki bir halidir. Bu nedenle O 3 O 2 dönüşümü dışarıya enerji verir, O 2 O 3 dönüşümü ise dışarıdan enerji alır. Troposferde ozonun başlıca iki kaynağı vardır. Bunlardan birincisi ortamdaki diğer ilgili moleküllerin (ki bunların oluşumu fotokimyasal adımlar da içerir) etkisiyle NO 2 den NO ya dönüşüm gerçekleşirken ozonun ortaya çıkmasıdır. Diğeri ise atmosferin yerden nci kilometresinde maksimum değere ulaşan ve uzaydan (güneşten) gelen öldürücü morötesi ışımayı engelleme görevini üstlenmiş olan, yani doğal bir koruyucu kalkan olan ozon tabakasından aşağılara doğru difüzyondur.

44 Ozon Benzinli taşıtların ve güneş ışınlarının bol olduğu kentlerde yaz aylarında fotokimyasal sis görülür. Bu olayda gösterge parametre ozon konsantrasyonlarının artışıdır. Ancak kentin işlek trafiğe sahip kısımlarında ozon oluşur oluşmaz NO tarafından hızla tüketildiği için, fotokimyasal sis mevcut olduğu halde buralardaki ozon konsantrasyonu artışı fazla olmayabilir. Bu yüzden yüksek ozon seviyeleri, trafiğin yoğun olduğu kent merkezlerinden çok, kent çevresindeki tarım ve orman alanlarında görülebilir.