Aantasting van de ozonlaag

Deel II

De atmosfeer & Menselijk handelen

Global Air Pollution:

Global Warming

Dit college:

Aantasting van de ozonlaag

Lokaal tot internationaal:

Dit college:

Verzurende emissies & smog

Economic system

Human activities - process industry - infrastructures

energy waste water

Interactie milieu  menselijke activiteiten

Systemen:

1. Leren hanteren en analyseren

2. Ontwerpen van oplossingsstrategiëen

Broeikasgassen in Nederland

(volgens IPCC systematiek)

• “In 2011 is de uitstoot van

broeikasgassen met ruim 7 procent gedaald ten opzichte van 2010 tot 194 miljoen ton CO₂-equivalenten.

• De daling is vrijwel geheel toe te schrijven aan de afname van de uitstoot van koolstofdioxide.

• “De totale uitstoot van broeikasgassen lag in 2007 vier procent onder het niveau van het basisjaar van het Kyoto Protocol.

• In de periode 1990-2004 nam de emissie van het broeikasgas

koolstofdioxide (CO₂) jaarlijks met gemiddeld één procent toe

• terwijl de emissies van de andere broeikasgassen afnamen.

• Na 2005 daalde ook de CO₂-emissie.”

• http://www.milieunatuurcompendium.nl

http://www.milieuennatuurcompendium.nl/indicatoren/nl0165- Broeikasgasemissies-in-Nederland.html?i=14-70

Luchtverontreiniging

(dit college)

• Welk systeem?

• De atmosfeer van de aarde

• Systeemgrens?

• Ruimte cq. het aardoppervlak

• Inputs?

• Emissies

• natuurlijk (planten, vulkanen, erosie)

• anthropogene (humane) oorsprong

• Outputs?

• In hoofdzaak via neerslag

• Wat willen we weten?

• Invloed op ‘luchtkwaliteit’

• Netto accumulatie van wat?

Milieuthema’s: ver...

• Verandering van klimaat & ozonlaag (effect)

• Verzuring bodem en water (effect)

• Vermesting bodem en water (effect)

• Verspreiding afvalstoffen en emissies (proces)

• Verwijdering afval (wens)

• Verdroging bodem (effect)

• Verstoring omgeving (effect)

• Verspilling grondstoffen (subjectief?)

• Verontreiniging bodem (sinds 1998) (effect)

Dit zijn de Milieuthema’s uit het Nationaal Milieubeleidsplan;

en gehanteerd door Min. VROM

Luchtverontreiniging

… aanwezigheid van gassen, vloeistoffen en deeltjes in lucht in concentraties die het welzijn van levende

organismen bedreigen of het normale functioneren van

de natuur verstoren

Luchtverontreiniging

• Effecten op

• mondiale schaal (broeikas-effect; afbraak ozonlaag)

• continentale schaal (verzuring)

• nationale schaal (luchtkwaliteit)

• regionaal (smogvorming, gevaarlijke emissies)

• lokaal (smog, ozon, roet, schadelijke gassen,

verzuring)

Primaire Luchtverontreiniging

• Primaire luchtverontreiniging als gevolg van natuurlijke processen of menselijke activiteiten

• koolmonoxide (CO)

• kooldioxide (CO₂)

• zwaveloxides (SO_x)

• stikstofoxides (NO_x)

• ammoniak (NH₃)

• VOS (Volatile Organic Substances)

• zware metalen

• aërosolen

• etc.

• In principe meetbare outputs van ‘ons’ systeem

http://www.milieuennatuurcompendium.nl/indicatoren/nl0183-Verzuring-en- grootschalige-luchtverontreiniging%3A-emissies.html?i=14-70

Emissies in Nederland

(naar doelgroep / sector / herkomst)

• “De emissie van kooldioxide wordt door drie belangrijke bronnen veroorzaakt:

• de energievoorziening (37%)

• verkeer en vervoer (21%)

• en de industrie (19%).

• Verkeer en vervoer is ook een belangrijke bron van vluchtige organische stoffen en

stikstofoxiden.

• De landbouw is de grootste bron van ammoniak, methaan en

distikstofoxide.”

• http://www.milieunatuurcompendium.nl http://www.milieuennatuurcompendium.nl/indicatoren/nl0082-Emissies-naar- lucht-per-doelgroep%2C-volgens-IPCC-en-NEC.html?i=14-70

Herkomst verzurende emissies

• 47% van de Nederlandse depositie komt van buiten de landsgrenzen.

• 70% van de emissie van verzurende stoffen in Nederland wordt geëxporteerd.

• http://www.milieunatuurcompendium.nl

http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0179- Herkomst-verzurende-depositie.html?i=3-17

Verzurende depositie

• “De daling van de landelijk gemiddelde depositie van verzurende stoffen zet sinds 2002 niet meer door.

• In 2007 komt deze depositie uit op 2920 [mol/ha] potentieel zuur (mol per hectare).

• De zure depositie ligt daarmee nog ruim boven de doelstelling van 2.300 [mol/ha] voor 2010.”

• http://www.milieunatuurcompendium.nl

Verzurende depositie

• “De daling van de landelijk gemiddelde depositie van verzurende stoffen zet sinds 2002 niet meer door.

• In 2007 komt deze depositie uit op 2920 [mol/ha] potentieel zuur (mol per hectare).

• De zure depositie ligt daarmee nog ruim boven de doelstelling van 2.300 [mol/ha] voor 2010.”

• http://www.milieunatuurcompendium.nl

http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0184- Verzurende-depositie.html?i=3-17

NO ₂ concentraties Europa

maandag vs. woensdag

• NO₂ metingen, omdat de verblijftijd van NO₂ in de lagere luchtlagen relatief kort is

• http://www.gse-promote.org/gallery/NO2/no2text.html

Secundaire Luchtverontreiniging

• Secundaire luchtverontreiniging

• als gevolg van een chemische reactie van één of meer primaire verontreinigingen en stoffen die zich van nature in de lucht bevinden

• Zowel op mondiale schaal als lokaal

• afbraak van de ozonlaag

• zure regen

• smogvorming

• problemen met CO, roet, zware metalen etc.

Secundaire luchtverontreiniging

• het gaat veelal om RADICAAL reacties

• radicaal: deeltje met een ongepaard elektron

• een (stabiel) molecuul wordt gesplitst in twee fragmenten met beide een ongepaard elektron

• deze zijn reactief, relatief instabiel en hebben een korte levensduur

• in de industrie: thermische kraakreacties/oxidaties

• Wanneer in de atmosfeer?

• meestal onder de invloed van licht

• gekatalyseerd door actieve oppervlakken (roet)

• voorbeelden:

• ozon(laag) opbouw en afbraak

• vorming van fotochemische smog, zure regen

Ozonlaag - natuurlijke opbouw en afbraak

• Zuurstof naar ozon: (hogere luchtlagen)

• O

+ h  2 O

• O

+ h  *O

• *O

+ O

 O

• Ozon naar hydroxyl

• O

+ h  *O

+ O

• O

+ H

O  2 HO

• Hydroxyl oxideert NO

, SO

etc. en ook CO!

Radicaalreacties die zichzelf in stand houden

• Initiatie:

• vorming van eerste radicalen

• Propagatie:

• er treedt een set reacties op waarbij reactieve uitgangsstof steeds wordt teruggevormd; dat is in feite katalysator of

‘carrier’ X

• Terminatie:

• Door een nevenreactie wordt X uiteindelijk vernietigd, c.q.

verliest zijn reactiviteit.

• In industrie gewenst, maar in milieu ongewenst!

Vernietiging van Ozon via radicaal reacties

• Instraling van (UV-licht) (normaal)

• O₃ + h  *O₂ + O^•

• CFK’s zijn bron voor halogeenradicalen X^•

• CFK’s desintegreren langzaam onder invloed van zonlicht

• Katalytische vernietiging door ‘carrier’ X

• X^• + O₃  O₂ + XO

• XO + O^•  X^• + O₂

• X^• wordt teruggevormd, en kan volgend Ozon molecuul vernietigen.

• Vorming en vernietiging raken daardoor uit balans

Vernietiging van Ozon

• X wordt teruggevormd, en kan volgend Ozon molecuul vernietigen

• Hydroxyl radicaal (H₂O, CH₄)

• Chloor/broom radicaal (ex CFC’s)

• Andere complexere schema’s., bijv. NO₂ via ClO

• zie voor beschrijving dictaat!

• Polair ozon gat: initiatie met zonlicht!

• Een mengsel van chemische stoffen met hoge concentraties ozon, formaldehyde, PAN

(peroxyacetylnitraat), sterk oxyderende stoffen (O

, O

, HO

, HOO

), nitraten en sulfaten

• onder invloed van zonlicht wordt NO

gedissocieerd:

NO

+ h  NO + O

fotolyse

O

+ O

 O

irriteert ogen, neus

H

O + h  H + HO• fotolyse

Fotochemische smog

CH

+ HO

 H

O + H

C

methyl-radicaal H

C

+ O

 H

COO

methylperoxyl-radikaal H

COO

+ NO  NO

+ H

CO

methoxyl-radikaal H

CO

+ O

 HOO

+ H

CO formaldehyde

H

COO

+ NO

 CH

OONO

PeroxylAcetylNitraat

irriterend voor ogen & luchtwegen, schadelijk voor vegetatie

Zomersmog

formaldehyde en PAN

• Vormen kleine deeltjes (aërosolen) - verminderen zichtbaarheid

SO

+ O

 SO

 H

SO

, sulfaten SO

+ HO

 HOSOO

HO

+ NO

 HNO

salpeterzuur

NH

+ HNO

 NH

NO

ammoniumnitraat meest schadelijke eindproducten van smog

Zomersmog

sulfaten, salpeterzuur & nitraten

Nederland

http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0238- Ozonconcentraties-en-volksgezondheid.html?i=14-66

http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicator en/nl0457-Benzeenconcentratie.html?i=14-66

Zomersmog

• Mogelijke gevolgen voor de gezondheid:

• Luchtwegklachten

• pijn bij het ademhalen, hoest, kortademigheid

• misselijkheid, duizeligheid

• vermindering longfuncties

• ontstekingsreacties in longen

• vermindering afweersysteem

• ozon: aantasting slijmvliezen

Fijn stof of “deeltjesvormende luchtverontreiniging”

• Drie aspecten

1. schadelijk voor gezondheid mens en dier 2. drager van schadelijke stoffen

3. reactief, katalysator voor fotochemische smog

• Sommige deeltjes zijn zo klein zijn dat ze door de mens kunnen worden ingeademd, diameter van ongeveer 10 µm en kleiner.

• Meetgrootheid voor fijn stof, PM₁₀,

• PM staat voor particulate matter en 10 voor de hiervoor genoemde deeltjesdiameter µm.

• Er is ook PM_2,5

• Fijn stof komt bij inademing op verschillende plaatsen in de luchtwegen en longen terecht.

In het algemeen geldt: hoe kleiner de

deeltjes, hoe dieper zij in de luchtwegen en longen doordringen.

Wintersmog

• Mogelijke gevolgen voor de gezondheid:

• Luchtwegklachten

• vooral bij personen met hart-, vaat- of longziektes

• langdurige vermindering longfuncties

• toename van klachten t.a.v. hart- en vaatziekten

• kleine risico tot vervroegd overlijden

(m.n. bij oudere mensen)

Wintersmog

• Komt zowel in de winter (stoken!) als in de zomer voor

• Ingrediënten: zwaveldioxyde SO₂ en mist met aërosolen

• ammonium-zouten, zeezout, PAK’s, zware metalen

• Bron van de verontreiniging kan zich op zeer grote afstand

bevinden

• zwaveldioxyde  zwavelzuur H₂SO₄

Zure regen

• neerslag met een lage pH (soms lager dan 3)

• gevolg van luchtverontreiniging

• zwaveloxiden (SO

, SO

), stikstofoxiden (NO, NO

), ammoniak (NH

) en chloorverbindingen worden

omgezet in H

SO

, HNO

, HCl

• met regenwater worden deze over de aarde verspreid

Verzuring van het milieu

• afsterven van bossen

• tast het oppervlak van bladeren aan waardoor bladeren minder zuurstof opnemen

• afsterven bodemschimmels bij lagere pH

• vermindering bodemleven

• verandering chemische samenstelling bodem

• bij kalkarme gronden: langzame afsterving vegetatie

• verzuring binnenwateren: verlaging pH, samenstelling  afsterving vissen

Gevolgen van zure regen

• normaal door de lucht verdund

• bedreigend als binnen een beperkt gebied vastgehouden

• windsnelheid (in de steden en in de kern van een hogedruk-gebied vaak lagere snelheden)

• luchtstabiliteit: de maat voor de snelheid

waarmee lucht verticaal door de atmosfeer wordt verspreid (bij stabiele lucht slechte menging)

Verspreiding van luchtverontreiniging

Vermindering luchtverontreining

Hoofdoorzaak:

verbranding fossiele brandstoffen bepaalde industriële processen voorzien in energiebehoefte

(in)richting van onze industriële en energiesystemen Inputs:

andere bronnen (hernieuwbaar, nucleair, zon, water, wind) Outputs:

andere / verminderde behoeften

‘end-of-pipe’ technieken Systeem:

andere inrichting: procesgeïntegreerde maatregelen

Vermindering luchtverontreining

‘end-of-pipe’ technieken

Systeem:

geen essentieel andere inrichting energie- of productiesysteem

plaatsing van additionele installatie om verontreiniging te voorkomen Voorbeelden:

traditioneel: ‘pipe’ techniek: hoge schoorstenen ter verdunning / verspreiding

nadeel: puntbron verspreidt emissie over groot gebied

modern: rookgas en afgaszuivering met strenge normen wettelijk vastgelegd

bijvoorbeeld: afvalverbrander, kolencentrale, stofafvang etc. etc.

nadeel: wel kosten, geen ‘opbrengsten’

Vermindering luchtverontreining procesgeïntegreerde aanpak

Systeem:

andere inrichting energie- of productiesysteem

voordeel: verontreiniging onstaat niet of wordt nevenproduct nadeel: kosten/complexiteit vaak alleen acceptabel bij

grootschalige installaties Voorbeelden:

- fornuisontwerp en vuurhaard condities (roet, stof, CO, NO_x) - verandering toegepast branderprincipe (‘ceramic foam’)

- ontsluiting van S in brandstof VOOR de verbranding - “vervanging proces + grondstof” : TiO₂ productie /

loodvervangers benzine

Voorkomen van luchtverontreiniging

• NO

bij verbranding:

• altijd zgn. ‘thermische’ NO_x

• vorming afhankelijk van keuze van vuurhaard-condities:

verblijftijd bij bepaalde temperatuur & samenstelling

• End-of-pipe

• selectieve katalytische reductie met behulp van (ammoniak)

• katalytisch ‘maze’ in rookgas + ammoniak dosering leidt tot vernietiging van de NO_x

• 2NO + 2NH₃ + 1/2 O₂ --> 1.5N₂ + 3H₂O

Voorkomen van luchtverontreiniging

• SO

drie routes:

• brandstofvoorbehandeling:

• ontzwaveling - verwijderen S aanwezig in brandstoffen

• praktijk: schonen van ‘zuur gas’

• ontwikkeling: “bio-leaching”

• procesgeïntegreerd

• ontsluiting van S en verdere verwerking

• praktijk: gebruik van waterstof

• X-S + H₂  H₂S + X

• end-of-pipe

• SO_x laten onstaan en afvangen uit rookgas

• praktijk: SO₂ invangen met kalk in ‘scrubbers’

Voorkomen van SO _x

• Ontzwaveling

• chemische ontsluiting

• omzetten van produkten (H

S, SO

, SO

)

• ontzwaveling: maak S (vast)

• afzet/opslag produkt

• SO

: grondstof voor zwavelzuurfabricage

• van S naar SO

, SO

, naar H

SO

Zwavelverwijdering in

een olie-raffinaderij