2 SZNMONOXID KRNYEZETKMIA S TECHNOLGIA Vegyszmrnk B Sc
2. SZÉN-MONOXID KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA Vegyészmérnök B. Sc. hallgatók részére KÖRNYEZETI KÉMIA Környezetmérnök B. Sc. hallgatók részére Biomérnök M. Sc. hallgatók részére HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B. Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Vegyész- és Biomérnöki Kar Budapesti Műszaki Egyetem 2012
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !
SZÉN-MONOXID Szerzők: Dr. Bajnóczy Gábor Kiss Bernadett
Szén-monoxid CO néhány környezetvédelmi szempontból fontos fizikai tulajdonsága • színtelen molekulatömeg • szagtalan Olvadáspont • íztelen gáz Forráspont • meggyújtva kék lánggal ég Sűrűség -199 o. C -191. 5 0 0 C, 101. 3 k. Pa 25 0 C, 101. 3 k. Pa 1. 250 g/dm 3 1. 145 g/dm 3 0 0 C 25 0 C kicsi 3. 54 cm 3/100 cm 3 (44. 3 ppmm)** 2. 32 cm 3/100 cm 3 (29. 0 ppmm)** 2. 14 cm 3/100 cm 3 (26. 8 ppmm)** Mennyiségét tekintve a legtöbb légszennyező anyag a Oldhatóság vízben* troposzférában. Sűrűsége a levegőének kb. 96 %-ka, így a legjobban eloszlottnak is tekinthető. Kis koncentrációban reverzibilis károsodást okoz. 28. 01 Alsó és felső éghetőségi határkoncentrációk távol vannak Konverziós faktorok 0 0 C, 101. 3 k. Pa 25 0 C, 101. 3 k. Pa szénmonoxid térfogata standard állapotban tömeg/tömeg *** térfogat/térfogat * ** 12, 5 – 74, 2 tf % 1 mg/m 3 = 0. 800 ppmv*** 1 ppm = 1. 250 mg/m 3
A szén-monoxid forrásai Természetes <=> Antropogén (teljesnek 10 -50%-a) Eltérések: n Eloszlás: 1. Természetes források: egyenletes 2. Emberi források: koncentrált n Sebességi viszonyok: 1. Természetes körülmények között: képződés sebessége ≈ távozás sebessége az atmoszférából 2. Humán források környezetében (városok, ipari területek): képződés sebessége > távozásé (felhalmozódás)
Természetes eredetű szén-monoxid források Mocsaras, lápos területek, rizsföldek oxigén mentes környezet. Az óceánok vízfelszíne szénmonoxidra túltelített, a CO a víztestben keletkezik a víz szerves anyag tartalmából, amely a vele érintkezésbe kerülő troposzférába távozik. A zöld levelek klorofill tartalmának elbomlása során keletkezik. A szennyeződés mentes levegő CO tartalma ősszel valamivel magasabb, mint a többi évszakban. Egyes növények gyökerein is képződik.
Természetes szén-monoxid források n n Mocsár, óceán, klorofil, stb. Legnagyobb része közvetett formában a metán oxidációjából származik! szerves anyagok Anaerob körny. Biológiai bomlás metán mocsarak, rizsföldek, bélfermentáció, komposztálás atmoszférában található hidroxil gyökök CO
Szén-monoxid keletkezés lépései 1. 2. 3. 4. 5. 6. CH 4 + • OH = • CH 3 + H 2 O • CH 3 + O 2 + M = • CH 3 O 2 + M * • CH 3 O 2 + NO = • CH 3 O + NO 2 • CH 3 O + O 2 = HCHO + • HO 2 λ<338 nm HCHO • H + • HCO + O 2 = CO + • HO 2 HCHO + • OH = CO + • HO 2 + H 2 O Képződött további gyökök sorsa • H + O 2 + M = • HO 2 + M * • HO 2 + NO = • OH + NO 2 erős oxidációs hajlam Élettartama néhány óra 4 -6 ppbv
Emberi tevékenységből származó szén-monoxid 1. Közlekedés: Belső égésű és reaktív motorok 2. Mezőgazdasági égetés, erdőtüzek, szerkezeti 3. Ipari: koromgyártás, kőolajipar, vaskohászat és 4. Fosszilis tüzelőanyagot felhasználó erőművek kiáramló füstgázai (teljes humán eredetű CO ~ 2/3 -a) anyagok tűzesetei (kb. 10%) hulladékkezelés, cellulóziparban a feketelúg regenerálás (kb. 10%) (kb. 1%) n Érdek: a viszonylag nagy fűtőértékű CO minél kisebb hányada távozzon a kéményen keresztül.
A szén-monoxid képződés kémiája A szén-monoxid képződésével az alábbi esetekben kell számolni: 1. Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése 2. Izzó szén és szén-dioxid reakciója 3. Szén-dioxid disszociációja nagy hőmérsékleten
Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése C tart. tüzelőanyagok → [H, O, OH˙, CH 2 O, CO] → CO 2 + H 2 O n Közti termék az égés végtermékeként jelenhet meg (pl. CO) oxidatív pirolízis 650ºC alatt leáll kiégési zónában Ha nincs elég levegő nem megy végig. (Biomassza tüzelés)
Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése Tüzelőanyag és levegő keveredése nem tökéletes Lokális oxigénhiányos területek jönnek létre szén-monoxid feldúsul n Optimális mértékű égési körülmények beállítása:
Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése • n = 1 : Tökéletes levegő – tüzelőanyag elegyedés → legkevesebb CO képződés • n < 1 : CO keletkezés egyre intenzívebb, a rendelkezésre álló O 2 mennyisége egyre kevésbé lesz elegendő a CO → CO 2 átalakuláshoz • n > 1 : CO tartalom megint emelkedik, mivel a tűztérbe áramló egyre több levegő már szükségtelen az égési reakciók szempontjából, viszont a láng hőmérsékletét csökkenti. E miatt az egyébként is lassú CO → CO 2 átalakulás sebessége tovább csökken. A növekvő térfogatáram miatt csökken a tartózkodási idő
Izzó szén reakciója szén-dioxiddal CO 2 + C = 2 CO A vaskohászatban: redukció keletkezett CO + vasoxid tartalmú érc szín vas egy része az atmoszférába távozhat n Széntüzelésű kazánok tűzterében: ha a levegő beáramlás hirtelen lecsökken n a keletkező CO feldúsul a tűztérben koncentráció meghaladja az alsó robbanási határt CO & levegő elegy az izzó széntől felrobban Szénnel fűtött kályhák esetén ezért nem célszerű a tüzelőanyag leégése előtt elzárni a levegő beáramlását.
Szén-dioxid disszociációja n Elegendő mennyiségű oxigén adagolás és tökéletes keveredés ellenére is keletkezik CO magas hőmérsékleten: CO 2 <=> CO + O n A hőmérséklet emelkedésével az egyensúly a szén-monoxid képződés irányába tolódik el. Pl. 1745 ºC-on a CO 2 1%-a, 1940 ºC-on 5 %-a disszociál. n A belsőégésű motorok füstgázaiban a disszociációból származó CO termodinamikai szempontból vissza kellene alakulni szén-dioxiddá, mivel az atmoszférába távozó füstgáz hőmérséklete nem éri el a 100 ºC-ot. n A visszaalakulás azonban a füstgáz gyors lehűlése miatt nem következik be, mivel a folyamat lassú és 650 ºC alatt a nagy aktivációs energia szükséglet miatt megáll.
A szén-monoxid távozása az atmoszférából n n n Az atmoszférába bekerülő CO mennyiségét figyelembe véve 4 - 5 éven belül meg duplázódna A troposzféra CO koncentrációja közel állandó =>hatásos természetes kivonó folyamat(ok) A hidroxil gyökök >40%-a CO oxidációjában vesz részt: CO + OH • → CO 2 + H •
A szén-monoxid távozása az atmoszférából n Feltétel: Napsütés CO + • OH = CO 2 + H n Talajlakó mikroszkopikus méretű gombák n n n enzimjeik segítségével a CO → CO 2 történő oxidációjakor felszabaduló energiát hasznosítják A különböző talajok CO megkötő kapacitása 0 – 100 mg CO / (óra m 2 ) Az átalakítás sebessége nagyban függ a talaj szerves anyag tartalmától.
Az atmoszféra CO tartalmának eltávolítási sebessége talajtípus függvénye I. ~ 0 mg CO/m 2óra ~ 100 mg CO/m 2óra
Az atmoszféra CO tartalmának eltávolítási sebessége talajtípus függvénye II. Csökkenő CO felvétel Jelentős CO felvétel A talajok jelentős CO eltávolítási képessége azonban éppen ott nem tud érvényesülni, ahol a legnagyobb szükség lenne rá, mivel az ipari, városi területek talajszennyezettsége és fedettsége meggátolja ennek a természetes kivonási reakciónak a megvalósulását.
Szén-monoxid hatása a növényekre n n n Több héten keresztül 100 ppm szén-monoxid koncentrációjú levegőnek kitett növényeknél nem észleltek károsodást. Kifejezett levélkárosodás: kb. 10 000 ppm A városi levegő: 50 -60 ppm → az atmoszférikus CO szennyezés nincs különösebb hatással a növényzetre.
Szén-monoxid hatása az emberre Egészség károsító hatás: CO az oxigén felvételt gátolja n n Hemoglobin: O 2 és a CO 2 szállítása. CO 2 Hb a tüdőben, oxigénben dús környezetben cserélődik oxigénre, míg O 2 Hb a szén-dioxidban dúsabb testszövetekben cserélődik szén-dioxidra.
Szén-monoxid hatása az emberre n CO → kb. 250 x erősebben kötődik a hemoglobinhoz Oxigén ellátási problémák n A vér egyensúlyi százalékban kifejezett karboxihemoglobin tartalma (COHb%) 100 ppm alatt az alábbi összefüggéssel számítható ki: COHb % = 0, 16∙(ppm CO a levegőben) + 0. 5 n A 0. 5 (COHb%) az emberi vér háttér értéke, valamilyen biológia folyamat eredményeként.
Szén-monoxid hatása az emberre n Vér káros COHb tartalma függ a belélegzett levegő CO koncentrációjától, a légzés sebességétől és az adott koncentrációjú térben eltöltött időtől A megnövekedett COHb tartalomhoz bizonyos mértékben hozzá lehet szokni, pl. a dohányosok vére, munkában lévő taxivezetők COHb% értéke elérhet a 5 -6 -os értéket is.
Beltéri légszennyeződés Forrása valamilyen égési folyamat Jól működő gáztüzelésű berendezéseknél a lakás CO tartalma általában nem haladja meg az 1 -2 ppm értéket. Füstgázok kéményből történő visszaáramlásakor: n a. ) eltömődött kémény (madárfészek, beomlás, korom lerakódás) n n n b. ) hibás tervezésű kémény, a szél visszanyomja a füstgázokat c. ) egy kéménybe több tüzelőberendezést kötnek d. ) a lakásban nyomáscsökkenés következik be (nagyteljesítményű elszívást megvalósító konyhai légelszívó, központi porszívó, üzemelő kandalló)
Beltéri légszennyeződés Füstgázok közvetlenül a lakótérbe kerülnek: n a. ) Gázkészülékek időszakos karbantartásának elmulasztása (A hőcserélő bordái között lerakódott égéstermékek elzárják a füstgáz útját, a füstgáznak csak egy része jut el a kéménybe a többi a lakótérbe áramlik. ) n b. ) Vegyes tüzelésű kazánoknál, cserépkályhánál a levegő útját olyankor zárjuk el, amikor még jelentős mennyiségű el nem égett izzó szén található a tűztérben (robbanás veszély is!) n n c. ) Szobai grillezés faszénen (életveszély !) d. ) Részleges kapcsolat a füstgáz forrása és a kémény között (füstcső meghibásodása vagy hiánya) e. ) Családi házzal összeépült garázs d. ) Lakástűz
Szén-monoxid emisszió csökkentésének lehetőségei n Antropogén főként közlekedésből ered Megoldások: n n Tüzelőanyag levegővel való tökéletes elegyítése → magas technikai színvonalú, már nem javítható n Füstgázok lassú lehűtése → gépkocsinál nem megoldható n Gyors oxidálása szén-dioxiddá: a füstgáz útjában elhelyezett katalizátorral (A katalizátor a más légszennyező anyagok (NO, CH-ek) koncentrációit is csökkenti) Energiatermelés, tüzelőberendezések működtetése: Bár az összes CO kibocsátás tekintetében nem játszanak kiemelkedő szerepet, mégis rendeletekkel szabályozzuk a füstgázban megengedhető szén-monoxid koncentrációt. Az előírt határérték az alkalmazott tüzelőanyag függvénye. Különböző tüzelőanyagokkal üzemeltett tüzelőberendezések füstgázaiban megengedett kibocsátási koncentrációk [mg/Nm 3] (273 K, 101, 3 k. Pa, vízmentes) 140 k. W-50 MW között 23/2001 KöM Szennyezőanyag Szilárd tüzelőanyag Folyékony tüzelőanyag Gáz tüzelőanyag Szén-monoxid 250 175 100 3 tf% oxigén tartalomra normálva 3 tf% füstgáz oxigén tartalomra normálva, biogáz tüzelésnél 11 tf% füstgáz oxigén tartalomra normálva 21 - O 2 ref (tf%) Cv =------------ * Cmért (mg/Ndm 3) 21 – O 2 mért (tf%) Széntüzelésnél 7 tf%, biomassza tüzelésnél 11 tf% füstgáz oxigén tartalomra normálva
Szén-monoxid emisszió csökkentésének lehetőségei Tüzelőberendezéseknél a szén-monoxid emisszió függ: n tüzelőanyag szemcseméretétől (nagyobb szemcseméretnél n tüzelőanyag szerkezetétől (levegős, laza szerkezet esetén a n tüzelőanyag és a levegő elegyítésének mértékétől n légfelesleg-tényezőtől (oxigénhiány alakul ki, vagy gyorsan hűl a n tartózkodási időtől (hosszabb tartózkodási idő nagy növekszik a CO emisszió lehetősége) tüzelőanyag belsejében gyorsan kialakul az oxigénhiányos állapot) (minél jobb az elegyítés annál kisebb a valószínűsége a helyi oxigénhiányos térfogatoknak) füstgáz) lánghőmérsékleten csökkenti, rövid tartózkodási idő gyors hőmérséklet csökkenéssel növeli a füstgáz CO tartalmát) Fosszilis tüzelőanyaggal üzemelő kazánok esetén az előbb felsorolt paraméterek beállításával minimalizálják a CO emissziót.
Szén-monoxid emisszió csökkentésének lehetőségei: kazánok n Termikus utóégető Jelentős CO és Cx. Hy tartalom esetén A kezelendő CO n. Katalitikus (pl. lazaszerkezetű tartalmú füstgáz utóégetők bár biomassza tüzelés) előmelegítése után a termikus utóégetőt lényegesen füstgázt egy segédégő lehet használni. Ebben alacsonyabb az egységben a forró lángján vezetik hőmérsékleten füstgáz éghető keresztül, ahol a szén 400 -600 ºC-on anyagtartalmát monoxidálódik. szükség szerint működnek, de a Az oxidáció lassúsága pótlevegővel elegyítve katalizátor egy segéd miatt a COégő eltávolító elszennyeződésének lángjával égetjük el. utóégetőknél (korom) és minimálisan 2 sec mérgeződésének tartózkodási időt kell (nehézfémek biztosítani legalább beépülése 850 széntüzelésnél) ºC-on. lehetősége miatt általában ezen a területen nem használják.
Szén-monoxid emisszió csökkentésének lehetőségei: közlekedés n A közlekedés CO emissziójának csökkentési lehetőségeivel egy későbbi előadás alkalmával részletesen foglalkozunk.
- Slides: 29