Aantasting van de ozonlaag

(1)

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

(2)

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?

(3)

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 4e Nationaal Milieubeleidsplan;

en gehanteerd door Min. VROM

(4)

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

(5)

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)

http://wiki.omopedia.nl/Bestand:Space -station-iss.jpg

(6)

NO

₂

concentraties Europa

(7)

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

(8)

Zure regen

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

• gevolg van luchtverontreiniging

• zwaveloxiden (SO₂, SO₃), stikstofoxiden (NO, NO₂), ammoniak (NH₃) en

chloorverbindingen worden omgezet in H₂SO₄, HNO₃, HCl

• met regenwater worden deze over de aarde verspreid

Verzuring van het milieu

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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.”

(13)

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

(14)

http://www.oocities.org/rainforest/waters hed/4345/pictures/acidrain_2.jpg

http://www.panoramio.com/photo/11292977

(15)

• afsterven van bossen

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

• afsterven bodemschimmels (leven symbiotisch op

boomwortels) bij lagere pH

• verandering chemische samenstelling bodem

Gevolgen van zure depositie

(continentaal via zure regen; lokaal ammoniak)

http://www2.mcdaniel.edu/Biology/EPS04/outdoorair/aciddeposition.html

(16)

Emission reduction

• 1979 - “Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution.”

• 34 landen in Noord-Amerika en NW Europa

• Economisch haalbare maatregelen voor SO2 en NOx reductie

• 1983, 21 European landen committeren zich aan emissiereductie van SO2-emissie met 30% binnen 10 jaar.

Excess SO2 deposition (%). Bron:

http://www.ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/S OE/soeno97/acidrain/effects.htm

• 1988, EC Large Combustion Plants Directive geïmplementeerd

NOx -/- 40% in 1998 SO2 -/- 58% in 2003.

• Nu: LCPD, 2001/80/EC

• Installaties > 50 MW thermisch

(17)

Results...

(18)

• Invloed op de bodems

• Lagere pH bodemschimmels

• Lagere pH chemische processen

• Depositie samenstelling

• Invloed vegetatie:

• kalkarme gronden meest kwetsbaar;

langzame afsterving vegetatie

• Invloed zoetwater systemen binnenwateren: verlaging pH, samenstelling → afsterving vissen

Gevolgen van zure depositie

(continentaal via zure regen; lokaal ammoniak)

http://en.wikipedia.org/wiki/Acid_rain

(19)

• 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)

• Industrie: van oudsher door hoge schoorstenen

Verspreiding van luchtverontreiniging

(20)

• Tweeledig doel:

• Hoogteverschil geeft een goede “trek”

door het drukverschil

• Uitworp op hoogte

• Verspreiding over een groot zgn.

uitwaaigebied

• Afhankelijk van het weer tot wel 1000 km

• Hoogste schoorstenen > 300m

Verspreiding: schoorstenen

http://skyscraperpage.com/diagrams/?searc hID=64301770&page=1

(21)

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.

(22)

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

(23)

Het gat in de ozonlaag

Ozongat boven Antarctica op 1-11-2004 Total Ozone Column, Dobson Units

http://www.knmi.nl/omi/publ-nl/missie/missiedoel-1.html

(24)

Ozonlaag - natuurlijke opbouw en afbraak

• Zuurstof naar ozon: (hogere luchtlagen)

http://www.knmi.nl/omi/publ-nl/missie/missiedoel-1.html

(25)

Een keten van radicaalreacties die zichzelf in stand houdt

• 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!

(26)

Vernietiging van Ozon via radicaal reacties

• Instraling van (UV-licht) (normaal)

• O₃+ hν → *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

http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorine

(27)

http://www.knmi.nl/cms/content/100061/twintig_vragen_en_antwoorden_over_de_ozonlaag

(28)

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!

(29)

http://www.knmi.nl/cms/content/100061/twintig_vragen_en_antwoorden_over_de_ozonlaag

(30)

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

(peroxyacetylnitraat), sterk oxyderende stoffen (O

₃

, O

^•

, HO

^•

, HOO

^•

), nitraten en sulfaten

• onder invloed van zonlicht wordt NO

₂

gedissocieerd:

NO

₂

CO formaldehyde

H

₃

COO

^•

+ NO

₂

→ CH

₃

OONO

₂

PeroxylAcetylNitraat

irriterend voor ogen & luchtwegen, schadelijk voor vegetatie

Zomersmog

formaldehyde en PAN

(32)

• Luchtwegklachten

• pijn bij het ademhalen, hoest, kortademigheid

• misselijkheid, duizeligheid

• vermindering longfuncties

• ontstekingsreacties in longen

• vermindering afweersysteem

• ozon: aantasting slijmvliezen

(35)

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.

(36)

Zomer en 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)

http://www.froot.nl/posttype/froot/na-het-zien-van-deze-fotos- begrijp-je-waarom-chinezen-mondkapjes-dragen/

(37)

Wintersmog

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

• Ingrediënten: zwaveldioxide 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

(38)

Vermindering luchtverontreining

Hoofdoorzaak:

verbranding fossiele brandstoffen bepaalde industriële processen voorzien in energiebehoefte

(in)richting van onze industriële en energiesystemen

Oplossingen - Inputs:

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

Oplossingen - Outputs:

andere / verminderde behoeften

‘end-of-pipe’ technieken

Oplossingen - Systeem:

andere inrichting: procesgeïntegreerde maatregelen

http://www.theairquality.com/the- clean-air-clean-jobs-act-has- passed-by-53-%E2%80%93- 12.html

(39)

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’

(40)

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’)

- “vervanging proces + grondstof” : TiO₂ productie / loodvervangers benzine

- ontsluiting van S in brandstof VOOR de verbranding

- kolenvergassing IGCC (zie vorige college); bioleaching

(41)

Voorkomen van luchtverontreiniging

• NO

_x

bij verbranding:

• altijd ontstaat zgn. ‘thermische’ NO_x

• vorming afhankelijk van keuze van vuurhaard-condities:

verblijftijd bij bepaalde temperatuur & samenstelling

• End-of-pipe oplossing:

• 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

(42)

Selectieve katalytische reductie van NOx in rookgas

http://www.ceramicindustry.com/articles/environmental- controls-understanding-and-controlling-nox-emissions

http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_catalytic_reduction

(43)

Voorkomen van luchtverontreiniging

• SO

_x

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 kolencentrale: SO₂ invangen met kalk in ‘scrubbers’

(44)

Voorkomen van SO

_x

• Ontzwaveling brandstof

• chemische ontsluiting

• fysische verwijdering/concentratie

• omzetten van H2S, SO2, SO3

• H₂S: produceer S (vast)

• SO3: grondstof voor zwavelzuurfabricage

• van S naar SO₂, SO₃, naar H₂SO₄

NAM Gaszuiveringsinstallatie

http://www.dorpsblad.com/?p=1013

(45)