- Kuinka happea sade muodostuu?
- Kemialliset lähtöaineet
- Troposfäärinen prosessi ja tuotetut hapot
- Reaktion tuki
- Typpihappo
- Rikkihappo
- Hiilihappo
- Suolahappo
- sademäärä
- Sävellys
- Happosateen kemialliset reaktiot
- Rikkihapon (H2SO4) muodostuminen
- Kaasufaasi
- Nestemäinen faasi
- Typpihapon (HNO3) muodostuminen
- Vaikutukset ympäristöön
- Maaperän happamoituminen ja sen vaikutukset kasvillisuuteen
- Vaikutus pohjakerroksiin ja ihmisten terveyteen
- Rakennusten, muistomerkkien ja materiaalien huonontuminen
- Kalkkipitoiset kivet
- Muut syövyttämättömät materiaalit
- metallit
- kasvisto ja eläimistö
- Kasvit ja eläimet lentiissä vesistöissä
- Kasvillisuuden ja ravintoaineiden saatavuus
- Suorat vahingot kasveille ja eläimille
- ratkaisut
- Vähennä päästöjä
- Suorita happamuuden korjaustoimenpiteet
- Pintasuojaus
- Kivi
- Metalli
- Viitteet
Happosade on märkä tai kuiva aineiden saostumisen, jotka tuottavat pH on alle 5,6. Sade voi olla märkä (laimennettu sadeveteen) tai kuiva (hiukkas- tai aerosolikerrostumiset).
Englannin tutkija Robert Angus Smith ehdotti termiä "hapan sade" ensimmäisen kerran vuonna 1850 teollisuusvallankumouksen keskellä. Yleisimmät hapot, joita atmosfäärissä muodostuu, ovat typpi- ja rikkihapot hapettamalla luonnollisia tai keinotekoisia pilaavia aineita.
Hapan sadekartta. Lähde: Alfredsito94
Merkittävimmät pilaavat aineet ovat oksidit: NO2, NO3, SO2, joiden luonnollisia lähteitä ovat tulivuorenpurkaukset, metsäpalot ja bakteerien hajoaminen. Keinotekoiset lähteet ovat fossiilisten polttoaineiden palamisesta aiheutuvia kaasupäästöjä (teollisuustoiminta ja autoliikenne).
Hapan sade aiheuttaa kielteisiä vaikutuksia ympäristöön, kuten maaperän ja vesien happamoituminen, vaikuttaen eläviin olentoihin, mukaan lukien ihmiset. Lisäksi maaperä ja vesi ovat saastuneet raskasmetalleilla, ja vesistöissä tapahtuu rehevöitymistä.
Kasvillisuuden tasolla lehtiä vaurioitetaan suoraan ja kasvien kasvu vaikuttaa. Lisäksi maaperän happamoituminen estää ravinteita ja vaikuttaa mykorrizaisiin (maaperän sieniin). Samoin rakennukset, koneet, monumentit ja taideteokset, jotka altistuvat elementeille, hapettuvat tai purkautuvat voimakkaasti saostuneiden happojen vaikutuksesta.
Happosateen vaikutuksen korjaamiseksi voidaan ryhtyä joihinkin välttämättömiin toimenpiteisiin, kuten muistomerkkien suojaamiseen ja maaperän ja vesien happamoitumisen korjaamiseen. Happosateiden emäksinen ratkaisu on kuitenkin vähentää happojen muodostumisen esiasteiden kemiallisten yhdisteiden päästöjä ilmakehään.
Kuinka happea sade muodostuu?
Happosumu, joka johtuu PDVSA: n Curaçaon jalostamon SO2-päästöistä. Lähde: HdeK
Kemialliset lähtöaineet
Happasateen ilmiö alkaa kemiallisten yhdisteiden, jotka ovat happojen muodostumisen esiasteita, päästöillä ilmakehään. Nämä yhdisteet voivat päästää luonnollisista tai keinotekoisista lähteistä.
Luonnollisia lähteitä ovat tulivuorenpurkaukset, kasvillisuuspalot ja valtameren päästöt. Kun keinotekoiset lähteet toimivat teollisuuden päästöissä, polttomoottoriajoneuvojen päästöissä tai jätteiden polttamisessa.
Nämä lähteet lähettävät erilaisia yhdisteitä, jotka voivat tuottaa happoja ilmakehään. Tärkeimpiä ovat kuitenkin typen oksidit ja rikkioksidit.
Typpioksidit tunnetaan nimellä NOx, ja niihin kuuluvat typpidioksidi (NO2) ja typpioksidi (NO). Rikkioksidi puolestaan on SO2 tai rikkidioksidi.
Troposfäärinen prosessi ja tuotetut hapot
Happasateen ilmiö esiintyy troposfäärissä (ilmakehän vyöhyke, joka kulkee maan pinnasta 16 km: n korkeuteen).
Troposfäärissä ilmavirrat voivat kuljettaa näitä yhdisteitä minkä tahansa planeetan osan yli, mikä tekee siitä globaalin ongelman. Tässä prosessissa typpi ja rikkioksidit ovat vuorovaikutuksessa muiden yhdisteiden kanssa, jolloin muodostuu typpihappo ja rikkihappo.
Reaktion tuki
Kemialliset reaktiot voidaan suorittaa joko suspensiossa oleville kiinteille hiukkasille tai vesipisaroille suspensiossa.
Typpihappo muodostuu pääasiassa kaasufaasissa johtuen sen alhaisesta liukoisuudesta veteen. Rikkihappo puolestaan liukenee paremmin veteen, koska se on happosateen pääosa.
Typpihappo
Typpihapon (HNO3) muodostukseen typpioksidit reagoivat veden, radikaalien, kuten OH (pienemmässä määrin HO2: n ja CH3O2: n kanssa), tai troposfäärin otsonin (O3) kanssa.
Rikkihappo
Rikkihapon (H2SO4) tuotannon yhteydessä mukana ovat myös radikaalit OH, HO2, CH3O2, vesi ja otsoni. Lisäksi se voidaan muodostaa saattamalla reagoimaan vetyperoksidin (H2O2) ja erilaisten metallioksidien kanssa.
Hiilihappo
H2CO3 muodostuu hiilidioksidin valokemiallisella reaktiolla ilmakehän veden kanssa.
Suolahappo
HCl edustaa vain 2% happosateista, ja sen edeltäjä on metyylikloridi (ClCH3). Tämä yhdiste tulee valtamereistä ja hapetetaan OH-radikaalien avulla suolahapon muodostamiseksi.
sademäärä
Kun happamat yhdisteet (typpihappo tai rikkihappo ja vähemmässä määrin suolahappo) on muodostettu, ne saostuvat.
Saostuminen voi tapahtua saostamalla suspendoituneet hiukkaset, joissa happamoitumisreaktio on tapahtunut kaasufaasissa. Toinen tapa on tiivistynyt vesi saostua sateessa, jossa hapot muodostuivat.
Sävellys
Sateen luonnollinen happamuus on lähellä pH: ta 5,6, vaikka joillakin saastumattomilla alueilla arvot ovat 5. Nämä alhaiset pH-arvot on liitetty luonnollisten alkuperää olevien happojen läsnäoloon.
Sateen katsotaan jakautuvan pH-tasosta riippuen:
a) Lievästi happamat (pH välillä 4,7–5,6)
b) Keskipitkähappoinen (pH välillä 4,3–4,7)
c) Voimakkaasti hapan (pH pienempi tai yhtä suuri kuin 4,3).
Jos sateen pitoisuus on> 1,3 mg / L nitraateilla ja> 3 mg / L sulfaattien kohdalla, pilaantumisen katsotaan olevan korkea.
Happosade koostuu yli kahdessa kolmasosassa tapauksista rikkihapon läsnäololla, jota seuraa runsaasti typpihappo. Muita komponentteja, jotka voivat vaikuttaa sateen happamuuteen, ovat suolahappo ja hiilihappo.
Happosateen kemialliset reaktiot
Rikkihapon (H2SO4) muodostuminen
Rikkihapon tuotanto voi tapahtua kaasufaasissa tai nestefaasissa.
Kaasufaasi
Vain 3 - 4% SO2: sta hapetetaan kaasufaasissa rikkihapon tuottamiseksi. Rikkihapon muodostumiselle kaasumaisista esiasteista on monia reittejä, tässä näytetään SO2: n reaktio troposfäärin otsonin kanssa.
Reaktio tapahtuu kahdessa vaiheessa:
1.- Rikkidioksidi reagoi troposfäärin otsonin kanssa muodostaen rikkitrioksidia ja vapauttaen happea.
SO2 + O3 = SO3 + O2
2.- Sitten rikkitrioksidi hapettuu vesihöyryllä ja tuottaa rikkihappoa.
SO3 + H20 = H2SO4
Nestemäinen faasi
Vesipisaroissa, jotka muodostavat sateen, rikkihappoa voidaan tuottaa monin tavoin:
1.- SO2 liukenee veteen muodostaen rikkihappoa, ja tämä hapetetaan vetyperoksidilla:
S02 + H20 = H2SO2
H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H20
2. Valokatalyyttinen mekanismi: Tällöin metallioksidihiukkaset (rauta, sinkki, titaani) aktivoituvat auringonvalon vaikutuksesta (fotokemiallinen aktivointi) ja hapettavat SO2: n muodostaen rikkihappoa.
Typpihapon (HNO3) muodostuminen
Troposfäärin otsoni O3 tuottaa NO2: n muutoksen HNO3: ksi kolmivaiheisessa prosessissa:
1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3
Vaikutukset ympäristöön
Hapan sateen vaikutus metsässä Jizera-vuorilla Tšekin tasavallassa. Lähde: Lovecz
Maaperän happamoituminen ja sen vaikutukset kasvillisuuteen
Happosateen vaikutus maaperään vaihtelee sen koostumuksesta riippuen. Esimerkiksi kalkkipitoisen, basaltti- ja maapitoisen maaperän kyky neutraloida happamuus.
Maaperät, joissa on paljon kvartsia inerttinä materiaalina, eivät puolestaan kykene säätelemään happopitoisuutta. Siten maaperässä, jossa hapan sade lisää happamuutta, kasveille ja eläimille myrkylliset metalli-ionit vapautuvat ja kulkeutuvat pois.
Asiaan liittyy alumiinisilikaattien liukeneminen, jotka vapauttavat kasvillisuudelle erittäin haitallisia alumiini-ioneja.
Maaperän happamuus heikentää yleensä kasvien ravintoaineiden saatavuutta. Lisäksi se edistää kalsiumin vapautumista ja pesemistä, mikä aiheuttaa puutteita kasveissa.
Vaikutus pohjakerroksiin ja ihmisten terveyteen
Useimmissa tapauksissa hapan sade ei näytä tai maistu erilaiselta kuin normaali sade, eikä se aiheuta tuntemuksia iholla. Sen vaikutukset ihmisten terveyteen ovat epäsuorat, ja se aiheuttaa harvoin ihovaurioita äärimmäisen happamuuden vuoksi.
Yksi happosateen ongelmista on, että alentamalla pH-arvoja alle 5, raskasmetallit vapautuvat ja kulkeutuvat pois. Nämä epäpuhtaudet, kuten alumiini ja kadmium, voivat päästä pohjavesikerroksiin.
Jos vesi näistä saastuneista pohjavesikerroksista kulkee ihmisten käyttöön tarkoitettuihin kaivoihin, se voi aiheuttaa vakavia haittoja terveydelle.
Rakennusten, muistomerkkien ja materiaalien huonontuminen
Happosateiden vaurioittama kurpitsa Lähde: Nino Barbieri
Kalkkipitoiset kivet
Happosade vaikuttaa voimakkaasti kalkkikivellä tai marmorilla tehtyihin rakennuksiin, monumentteihin ja veistoksiin. Tämä on melko vakava asia, koska monet historialliset rakennukset ja taideteokset on rakennettu näillä materiaaleilla.
Kalkkikiven tapauksessa hapan sade aiheuttaa kalkkikiven liukenemisen ja aiheuttaa kalsiitin uudelleenkiteytymisen. Tämä uudelleenkiteytys tuottaa valkeahkoja sävyjä pinnalle.
Rikkihapon kanssa sadetta koskevassa erityistapauksessa tapahtuu sulfaation ilmiö. Tämän prosessin avulla kallion pinta muuttuu kipsiksi ja CO2 vapautuu.
Marmori, vaikkakin kestävämpi, vaikuttaa myös hapan sade. Tässä tapauksessa kivi kuorii, minkä vuoksi sen pinnalliset kerrokset irtoavat.
Muut syövyttämättömät materiaalit
Joissakin rakennuksissa rakenteen heikkeneminen on vähäistä, mutta sillä on myös kielteisiä vaikutuksia. Esimerkiksi kuivahappokerrostumat tekevät seinistä likaantuneita, mikä lisää ylläpitokustannuksia.
metallit
Hapan sade aiheuttaa metallien korroosion hapettumisen vuoksi. Tämä aiheuttaa valtavia taloudellisia menetyksiä, koska rakenteet, laitteet, koneet ja ajoneuvot, joissa on metalliosat, kärsivät vakavasti.
kasvisto ja eläimistö
Hapan sade tappoi kalat. Lähde: Yhdysvaltain kala- ja villieläinpalvelu.
Hapan sade muuttaa vesi- ja maaekosysteemien luonnollista tasapainoa.
Kasvit ja eläimet lentiissä vesistöissä
Lentiset vesimuodostumat ovat herkempiä happamoitumiselle, koska ne ovat suljettuja ekosysteemejä. Lisäksi happojen kertymisellä veteen on kielteisiä vaikutuksia sen elämään.
Toinen seuraus happamoitumisesta on nitraattien saostuminen sateen kautta, mikä aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä. Ylimääräiset ravintoaineet vähentävät saatavissa olevaa happea ja vaikuttavat haitallisesti vesieläinten selviytymiseen.
Toinen epäsuora kielteinen vaikutus on raskasmetalli-ionien kulkeutuminen maaympäristöstä vesistöihin. Nämä ionit vapautuvat maaperään hydroniumionien vaikutuksesta, kun happamuus kasvaa.
Kasvillisuuden ja ravintoaineiden saatavuus
Vakavimmat maaperän happamoitumisen aiheuttamat ongelmat ovat välttämättömien ravintoaineiden liikkumattomuus ja myrkyllisten metallien määrän lisääntyminen.
Esimerkiksi alumiini ja magnesium vapautuvat maaperän hiukkasista korvaamalla vedyllä. Alumiini vaikuttaa juurien rakenteeseen ja toimintaan ja vähentää kasveille välttämättömän kalsiumin imeytymistä.
Toisaalta maaperän happamoituminen aiheuttaa vaurioita mykorrizaille (juuriin liittyville sienille), jotka ovat välttämättömiä metsän dynamiikassa.
Suorat vahingot kasveille ja eläimille
Rikkihappo aiheuttaa välittömiä vahinkoja lehtiä hajottamalla klorofylliä ja tuottamalla kloroosia (lehden kellastuminen). Joillakin lajeilla elinkykyisten siementen kasvu ja tuotanto vähenevät.
Sammakkoeläimet (sammakot ja rupikonna) ovat erityisen alttiita veden happamuusvaikutuksille. Jotkut vahingot ovat välittömiä vammoja ja heikentynyttä suojaa patogeenejä (etenkin ihosieniä) vastaan.
ratkaisut
Vähennä päästöjä
Hapan sateen tarkoituksena on vähentää happojen edeltävien kemikaalien päästöjä ympäristöön. Tärkeimpiä näistä ovat rikki- ja typen oksidit.
Tällä on kuitenkin joitain vaikeuksia, koska se merkitsee vaikutusta yritysten ja maiden talouteen ja kehitykseen. Yksi tärkeimmistä rikkidioksidin lähteistä on esimerkiksi kivihiilen polttaminen, jonka osuus Kiinan energiasta on yli 70%.
On joitain teknisiä vaihtoehtoja, jotka voivat auttaa vähentämään päästöjä. Esimerkiksi teollisuudessa ns. Leijukerrokset sisältävät absorboivia aineita (kalkkikivi tai dolomiitti), jotka pidättävät SO2: n. Moottoriajoneuvojen ja polttomoottoreiden osalta katalysaattorit noudattavat myös ohjeita vähentää SO2-päästöjä.
Toisaalta jotkut maat ovat toteuttaneet erityisiä ohjelmia happosateiden vähentämiseksi. Esimerkiksi Yhdysvallat on kehittänyt kansallisen happojen saostumisen arviointiohjelman (NAPAP). Joidenkin NAPAP: n suunnittelemien toimenpiteiden joukossa on vähärikkisten polttoaineiden käytön toteuttaminen.
Toinen mahdollinen toimenpide on ajoneuvokannan korvaaminen sähköautoilla sekä happosateiden että ilmaston lämpenemisen vähentämiseksi. Vaikka tekniikkaa tämän saavuttamiseksi on olemassa, auto- ja öljyteollisuuden painostus on kuitenkin viivästyttänyt päätöksiä tässä suhteessa. Muut tekijät, jotka vaikuttavat, ovat kulttuurielementit, jotka liittyvät ajoneuvon odotettavissa olevaan nopeuteen.
Suorita happamuuden korjaustoimenpiteet
Joissakin tapauksissa maaperän ja vesien pH: ta voidaan nostaa lisäämällä emäksiä, esimerkiksi lisäämällä suuria määriä kalkkia. Tätä käytäntöä ei kuitenkaan voida toteuttaa erittäin suurilla maa-alueilla.
Pintasuojaus
Kivi
On olemassa erilaisia menetelmiä kivin pilaantumisen suojaamiseksi tai ainakin vähentämiseksi hapan sateen vaikutuksesta. Yksi näistä menetelmistä on pestä se höyryllä tai kuumalla vedellä.
Kemiallisia aineita, kuten fluorivetyhappoa tai ammoniumbifluoridia, voidaan myös käyttää. Pesun jälkeen kivi voidaan sulkea levittämällä erityisiä tuotteita, jotka tukkevat huokoset, kuten bariumhydroksidia.
Metalli
Syövyttävät metallipinnat voidaan suojata päällystämällä ne syövyttämättömällä metallilla, kuten sinkillä.
Tätä varten voidaan levittää sähkömaadoitus tai suojattava metallirakenne upottaa suojametalliin nestemäisessä tilassa.
Viitteet
- Espada L ja A. Sánchez (1995). Happosateen vaikutus metallien korroosioon. ss. 145-171. Julkaisussa: Sastre de Vicente M. (koordinaattori) Sähkökemia ja ympäristö XXI-luvun kynnyksellä. La Coruñan yliopisto. Julkaisupalvelu. La Coruña, Espanja.
- García-Ruiz G (2018). Rakennusrakenteiden suojaaminen syövyttävässä ympäristössä. Tuotantotekniikan tutkinnon loppupää. Cartagenan ammattikorkeakoulu. Teollisuustekniikan korkeakoulu. Cartagena, Espanja. 75 s.
- Granados-Sánchez D, GF López-Ríos ja MA Hernández-García (2010). Hapan sade ja metsien ekosysteemit.. Revista Chapingo Metsä- ja ympäristötieteiden sarja 16: 187-206.
- Likens GE, CT Driscoll ja DC Buso (1996). Hapan sateen pitkäaikaiset vaikutukset: metsäekosysteemin reagointi ja palautuminen. Science, 272; 244-246.
Likens GE ja FH Bormann (1974). Hapan sade: Vakava alueellinen ympäristöongelma. Science, 184: 1176-1179.
- Schindler DW (1988). Hapan sateen vaikutukset makeanveden ekosysteemeihin. Science, 239: 149-157.
- Vélez-Upegui JJ, MC Valencia-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). Ilman pilaantuminen ja hapan sade. Diagnoosi ilmiöstä Manizalesin kaupungissa. Tekniikan ja arkkitehtuurin tiedekunta. Kolumbian kansallinen yliopisto. Manizalesin päämaja. Toimituksellinen Blanecolor Ltda., Ensimmäinen painos. Manizales, Kolumbia. 150 s.