Impactul CTE asupra mediului (curs)

11 .. VV II AA ŢŢ ĂĂ -- EE NN EE RR GG II EE –– MM EE DD II UU

1.1. Aspecte generale

Una dintre problemele principale, de a cărei soluţionare depinde dezvoltarea civilizaţiei noastre, problema care a revenit pe primul plan al preocupărilor oamenilor de ştiinţă, este asigurarea cu energia necesară dezvoltării activităţilor de bază, care condiţionează evoluţia progresivă a nivelului de trai al populaţiei globului terestru.

Creşterea nivelului de trai nu poate avea loc fără o creştere corespunzătoare a consumului de energie. De aceea, atunci când vrem să analizăm necesarul consumului de energie este util să trecem în revistă evoluţia istorică a acestuia. Consumul minim de energie necesar unui om este cantitatea de energie obţinută din hrana necesară pentru a trăi. În urmă cu un milion de ani, ca de altfel şi astăzi, în unele regiuni de pe glob, oamenii trăiesc cu hrana ce conţine circa 1800 calorii pe zi de fiecare om sau, dacă am măsura energia în unităţile cu care ne-am obişnuit, doi kilowaţi-ore pe zi şi pe om. Această energie este consumată în două scopuri: asigurarea unei temperaturi constante a corpului şi asigurarea energiei mecanice necesară pentru mişcările cu care omul îşi procură hrana şi diferite deplasări.

Transformarea energiei chimice din alimente în energie termică, căldura necesară menţinerii temperaturii corpului, cât şi în energia mecanică a muşchilor, se realizează prin procedee biologice incomplet cunoscute. Sursa principală de energie acum un milion de ani, ca de altfel până la descoperirea energiei nucleare, era energia solară care, prin procesul de fotosinteză, producea hidrocarburile necesare hranei.

În urmă cu aproximativ o sută de mii de ani s-a facut un salt important, prin utilizarea controlată a focului.

Energia solară, transpusă prin fotosinteză în lemn, este prima sursă de energie pe care omul o transformă, prin mijloace externe, în formele de energie necesare lui, în primul rând în căldură. Lemnul devine primul combustibil care, printr-un proces chimic, combinarea carbonului cu oxigenul din aer, se transformă în energie termică.

Energia termică astfel produsă este utilizată pentru prepararea hranei, încălzirea şi iluminarea locuinţei. Totodată, ea îi permite omului să prelungească ziua şi să sperie animalele periculoase în cursul nopţii, când acestea devin periculoase.

Un salt simţitor, care a deschis o nouă eră în economia energetică, s-a făcut cu circa 7000 de ani înaintea erei noastre, când omul a învăţat să domesticească animalele şi să facă agricultură. În societatea agricolă, hrana este produsă prin cultivarea pământului şi omul nu numai că poate mânca mai mult, consumând circa 4 kWh pe zi, dar are un surplus cu care poate să hrănească animalele domesticite,

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI 18

care îi folosesc pentru a produce energia mecanică necesară în transport şi în cultivarea pământului.

Dezvoltarea agriculturii a condus la o despădurire accentuată a suprafeţelor terestre, pentru a se obţine terenurile necesare cultivării plantelor agricole. Astfel, în regiunile populate, a început o despădurire intensă. Întrucât prin despădurire această sursă începe să se micşoreze, era de aşteptat ca, în timp, să se ivească o problemă a resurselor de energie termică.

Energia solară se manifestă la suprafaţa Pământului şi sub formă de energie mecanică a vânturilor şi a apelor. Deşi aceste surse au fost folosite cu câteva sute de ani înaintea erei noastre, totuşi, utilizarea lor intensivă începe abia în jurul anului 1400 al erei noastre, când se extinde utilizarea energiei apei şi a vântului. Aceasta introduce o producţie suplimentară de energie şi atrage după sine un consum industrial de energie.

Dispariţia treptată a pădurilor şi creşterea consumului casnic şi industrial împing oamenii către introducerea în circuitul energetic a combustibililor fosili: cărbune, petrol şi gaze, care, în raport cu lemnul, au o putere calorifică mult mai mare pe unitatea de masă sau volum.

După anul 1800, cărbunele începe să fie utilizat intens, odată cu introducerea în circuitul industrial al maşinilor cu abur. Apoi, odată cu apariţia motoarelor cu explozie, începe exploatarea tot mai intensă a petrolului.

În secolul al XIX- lea structura cosumului de energie începe să reflecte aspectele societăţii industriale. Consumul pentru hrană creşte la 8 kWh/zi/om, consumul casnic este mult mai mare, de 36 kWh/zi/om, consumul industrial devine 27 kWh/zi/om, iar consumul pentru transport creşte apreciabil, la 16 kWh/zi/om.

Al XX-lea secol introduce ca noutate posibilitatea transformării energiei termice şi a energiei mecanice în energie electrică.

Energia electrică se substituie din ce în ce mai mult altor forme de energie, datorită uşurinţei cu care este transportată la distanţă şi a posibilităţii de a o transforma în alte forme de energie utilă ca: energie mecanică, lumină, căldură, energie chimică. Aceasta a făcut ca astăzi, din totalul energiei consumate, peste 30 % să fie energie electrică.

Actual, repartiţia cosumului de energie pe cele patru categorii (hrană, casnic, industrial şi transport) se caracterizează printr-o creştere de 4÷5 ori faţă de secolul trecut.

Deci, cele patru cicluri energetice prin care a trecut omenirea sunt: • omul izolat, cu posibilităţile de conversie biologică a energiei chimice,

având un consum de 2 kWh/zi/om; • societatea de vânători, care utiliza arderea lemnului ca o posibilitate de

conversie externă a energiei regenerative înmagazinate prin fotosinteză, cu un consum de 5 kWh/zi/om;

• societatea agricolă, care conduce la distrugerea pădurilor, a sursei de energie regenerativă, cu un consum de 8 kWh/zi/om ;

Viaţă-energie -mediu 19

• societatea industrială modernă, caracterizată prin utilizarea energiei regenerabile, a combustibililor fosili şi nucleari şi prin posibilităţi de conversie a energiei dintr-o formă în alta, cu un consum în continuă creştere.

Creşterea consumului de energie reflectă o creştere a nivelului de trai. Un aspect, deloc neglijabil, al creşterii nivelului de trai îl constituie posibilitatea de

izolare a omului de mediul nociv extern şi crearea unor condiţii care să-i asigure

o viaţă sănătoasă, un număr cât mai mare de ani. Viaţa medie creşte odată cu nivelul de trai şi cu consumul specific de energie.

Unica sursă de energie, care a alimentat civilizaţia noastră până în acest secol, a fost energia solară înmagazinată sub formă de energie chimică, prin procesul de fotosinteză, în surse regenerative (lemnul, apele, vântul) sau în combustibili fosili (cărbune, petrol, gaze naturale), a căror constantă de formare este de ordinul milioanelor de ani.

O analiză sumară a obiectivelor pentru care este necesar să consumăm energie în vederea menţinerii unui nivel de trai adecvat, evidenţiază că acestea sunt:

• asigurarea apei potabile; • asigurarea hranei; • asigurarea metalelor, a fibrelor şi materialelor de construcţie; • asigurarea unui mediu înconjurător tolerabil.

Aceste obiective constituie elementele necesare civilizaţiei umane pentru a trăi. Reacţia negativă a poluării este exemplificată în figura 1.1.

Apa este necesară direct pentru menţinerea vieţii, dar şi indirect, pentru asigurarea fertilităţii terenurilor utilizate pentru agricultură. Din nefericire, apa potabilă nu este distribuită uniform pe suprafaţa Pământului şi există regiuni întinse în care, pentru fertilizarea solului este nevoie să se utilizeze apa de mare. Aceasta trebuie însă distilată, acest proces necesitând un consum de energie. Producerea apei potabile prin desalinizarea apei de mare nu este economică.

Asigurarea hranei pentru societatea noastră ridică, în primul rând, problema conversiei de energie în fertilizanţi, prin fixarea azotului, prin producerea de săruri de potasiu şi superfosfaţi. Elementele necesare pentru asigurarea ciclului hranei sunt: energia solară, dioxidul de carbon, apa şi azotul, care, prin intermediul solului, produc elemente nutritive pentru plantele agricole. Aceştia, la rândul lor, constituie, fie hrană pentru om, fie pentru animale, a căror carne devine hrană.

Metalele sunt absolut necesare pentru a asigura menţinerea şi dezvoltarea civilizaţiei noastre. În natură, ele se găsesc sub formă de oxizi. Pentru a le extrage şi prelucra, este necesar un consum de energie.


Fig. 1.1. Reacţia negativă a poluării.

Pentru asigurarea unui mediu tolerabil (în locuinţe, birouri şi exterior) este necesar un consum din ce în ce mai mare de energie şi, în consecinţă, un consum sporit de combustibili fosili, care accentuează poluarea atmosferei, constituind o buclă cu reacţie negativă asupra dezvoltării.

Cea mai importantă problemă ridicată de creşterea consumului de energie necesar pentru realizarea creşterii nivelului de trai al omenirii este impactul ecologic, prin reducerea rezervelor de combustibili şi materii prime strict necesare, ca şi fenomenul de poluare, care trebuie strict controlat, pentru menţinerea unui mediu de viaţă fără noxe. Numai astfel se poate obţine un nivel de trai ridicat al omenirii şi mai ales sănătos.

Energia este în acelaşi timp o soluţie şi o problemă pentru dezvoltarea durabilă, deoarece facilitează progresul, dar este şi cauza majoră a poluării şi a altor prejudicii aduse sănătăţii oamenilor şi mediului.

Consumul mondial de energie a crescut semnificativ şi se prevede că va continua să crească până în 2020, cu o rata anuală de 2 %. Dacă rata globală de creştere a consumului de energie, de aproximativ 2 % pe an, continuă, se prevede o dublare a consumului de energie până în 2035 şi o triplare a acestuia până în 2055, faţă de anul 1998.

Cea mai mare creştere în ceea ce priveşte consumul de energie a fost înregistrat în transporturi, unde 95 % din energia consumată este obţinută din petrol. Se prevede că, în acest sector, consumul de energie va creşte cu o rată anuală de 1.5 %, în ţările dezvoltate şi de 3.6 %, în ţările în curs de dezvoltare.


Pentru a satisface noua cerere de energie sunt necesare investiţii de circa 2÷2.5 % din PIB.

La ora actuală, o treime din populaţia totală a globului (circa 2.5 miliarde de oameni) nu are acces la servicii moderne utilizând energie. Aceasta este în general săracă, trăieşte în zone rurale şi se bazează pe arderea lemnelor de foc şi a altor elemente de biomasă pentru prepararea hranei, iluminat şi asigurarea confortului termic. Acest gen de combustibil este ieftin, dar contribuie la poluarea din interiorul caselor, dând naştere la intoxicări cu monoxid de carbon, iar necesarul de lemn de foc duce la defrişări masive în multe zone ale lumii.

Serviciile moderne de energie, bazate în principal pe arderea combustibililor fosili, pot extinde posibilităţile oamenilor de îmbunătăţire a nivelul de trai.

La ora actuală se pun următoarele întrebări: • care este ritmul în care cererea mondială de resurse energetice poate să

crească în cursul deceniilor următoare ? • în profitul căror forme finale de energie (combustibili, carburanţi,

electricitate), evoluează nevoile economice şi sociale? • până în ce punct, contribuţiile actuale ale surselor fosile şi regenerabile

sunt susceptibile de a fi modificate?

Aceste întrebări nu sunt noi, ele au fost puse încă din secolul al XIX-lea, în industria energetică şi administraţie. Totuşi, de două decenii, ele au devenit acute, inducând un sentiment de teamă, după crizele petroliere din 1973 şi 1979, accentuat şi de efectele asupra mediului, prin emisii de gaze cu efect de seră şi risc de schimbare climatică, ceea ce a condus la elaborarea unor scenarii de dezvoltare.

Dintre numeroasele instituţii care pregătesc aceste scenarii, două merită o atenţie deosebită:

• Agenţia Internaţională a Energiei (AIE), [1], care îşi actualizează în fiecare an studiul pe termen mediu-lung (până în 2010), mai ales îndreptat asupra pieţelor şi preţurilor marilor surse comerciale de energie (cărbune, petrol, gaz natural, electricitate);

• Congresul Mondial al Energiei (CME), [2], care cercetează de câţiva ani orizonturile cele mai îndepărtate (2020, apoi 2050 începând cu Congresul de la Tokyo, din 1995) ataşând tendinţele cererii şi orientările tehnologice.

Pentru perioade îndepărtate, amploarea incertitudinii impune noi metode de explorare. Simpla extrapolare a cererii şi a consumului nu este acceptabilă. Trebuie să se recurgă la scenarii energetice, posibile şi coerente cu evoluţiile tehnologice, economice şi sociale, adaptate la o descriere a consecinţelor lor ecologice şi industriale. Astfel, factorii de decizie sunt capabili să evite riscurile cele mai grave şi să orienteze evoluţiile energetice în direcţiile dorite.

Care sunt direcţiile ? La un nivel foarte general, CME afişează un spectru larg pentru atingerea unei aprovizionări mondiale, astfel încât “o cantitate


suficientă de energie să poată fi oferită în mod continuu şi la un cost acceptabil pentru nevoile tuturor“, asigurând totodată o întreţinere şi o protecţie acceptabilă a mediului înconjurător, [2]. Acest obiectiv poate fi atins graţie proceselor tehnologice.

Care direcţii trebuie privilegiate ? • eficacitatea energiei; • noile procedee de transformare a surselor primare în surse secundare; • descoperirea energiei nucleare; • perfecţionarea procedeelor de explorare, recuperare a surselor fosile.

Perspectivele energetice exprimă diversitatea evoluţiilor posibile, după scenarii prezentate sub forma unor bilanţuri energetice proiectate până la un interval de timp dat: 2010, 2020 sau 2050.

Fiecare bilanţ cuprinde ansamblul nivelurilor energetice anuale, care sunt: • volumul de resurse brute precum: petrol, gaz natural, electricitate

nucleară, biomasă (pentru consum primar ); • transformarea fizică, chimică sau biochimică în produse diverse,

necesare nevoilor energetice (pentru consum secundar sau primar ); • necesarul pentru diverse sectoare ale activităţii economice (industrie,

rezidenţial, terţiar).

Bilanţurile s-au stabilit în etaloane comune tuturor surselor de energie cu ajutorul unor coeficienţi, exprimând cantitatea de căldură pe care fiecare sursă poate să o genereze.

1.2. Necesităţi energetice – perspective ale cererii de

energie

Încă de la revoluţia industrială, utilizarea în lumea întreagă a energiei obţinute în centrale electrice din energia fosilă acumulată în combustibili fosili a crescut continuu, cu o rată medie anuală de 2 %. La această energie, în prezent se adaugă o cantitate crescândă, obţinută din biomasă. Perioada creşterii celei mai rapide a utilizării combustibililor fosili a început după al doilea război mondial, perioadă în care consumul global de energie era doar de 10 % din cel actual.

Deoarece cantităţile sunt atât de mari, s-a propus introducerea unui parametru Q, care este egal cu 1021 jouli, ca fiind cantitatea brută de energie termică generată de arderea unei grămezi de cărbune de 20 km2 (un cub cu latura de aproximativ 2.7 km). Anual, oamenii consumă circa 0.5 Q energie curentă.

Folosirea energiei de către o ţară în scopuri comerciale depinde de mulţi factori, incluzând nu numai populaţia, geografia şi clima, cât şi costul energiei. Dar în acelaşi timp, cel mai important factor în folosirea energiei este produsul intern brut, PIB. În societăţile industrializate producerea unei energii de circa 20 MJ, necesită cheltuieli medii de circa 1000 $ şi conduce la eliberarea unei cantităţi de


peste 1 kg CO2. De obicei, în raport cu PIB, energia creşte când ţara începe să se dezvolte şi poate scădea odată cu dezindustrializarea ţării respective. Creşterea devine tot mai lentă, pe măsură ce ramurile de înaltă tehnologie participă tot mai semnificativ la formarea PIB.

În evoluţia consumului mondial de energie intervin numeroşi parametri (demografici, economici, tehnologici etc.). Trebuie analizate foarte riguros efectele acestor parametri asupra consumului mondial de energie primară şi asupra consumului de energie utilă. Datorită insuficienţei informaţiilor disponibile şi a incertitudinilor asociate, consumurile, final şi primar, trebuie reactualizate continuu. Totuşi, populaţia creşte semnificativ în ţările slab dezvoltate, unde consumul total de energie este oricum mic. Creşterea fantastică a consumului de energie în cea de-a doua jumătate a secolului al XX-lea a fost datorată în special extinderii şi dezvoltării industriale şi standardelor de viaţă din ţările dezvoltate. Utilizarea energiei în aceste ţări continuă să se extindă acum mai încet, cum se indică şi în figura 1.2.

Creşterea economică din ţările dezvoltate, în care trăieşte 75 % din populaţia globului, se dezvoltă repede şi, odată cu aceasta, şi consumul de energie. Deşi ţările dezvoltate au folosit numai 30 % din energia produsă în 1993, se aşteaptă ca aceasta să crească cu încă jumătate în primele două decade ale secolului al XXI-lea, depinzând de scenariul de dezvoltare (vezi figura 1.2).

Fig. 1.2. Istoricul şi previziunile consumului de energie.

În prima jumătate a anului 1990, emisiile de CO2 din instalaţiile de producere a acestei energii, a crescut cu 5 % în regiunea Asia-Pacific (excluzând Japonia, Australia şi Noua Zeelandă). Conform AIE, între 1994 şi 2010, cu participarea tuturor ţărilor dezvoltate, rata utilizării energiei a crescut şi se aşteaptă să fie 4 % anual, cea ce ar conduce la dublarea rapidă a energiei consumate, exprimată în TEP (tone echivalent petrol). Pentru ţările foarte dezvoltate, creşterea anuală a energiei


va fi doar de 1.5 %, ridicându-se la 28 % pentru întreaga perioadă până în 2030.

1.2.1. Istoricul şi previziunile consumului primar de energie

În fiecare regiune, consumul primar este proiectat, începând de la un an de referinţă sau iniţial (notat cu indicele 0), până la anul vizat, cu ajutorul relaţiilor simplificate de tipul:

( )( )

( )( )000000 YE

YE

HY

HY

H

H

E

E⋅⋅=

(1. 1)

unde: E - consum de energie primară; H - număr de locuitori; Y - produsul intern brut (PIB ); E/Y - intensitatea energetică a PIB. Anul de referinţă este în general 1990, iar anul până la care se estimează este 2020 sau 2050.

Pe orizonturi de timp mai scurte, sau pe regiuni mai omogene, este posibil de a integra într-un singur indicator componentele demografice şi economice şi de a integra în intensitatea energetică a PIB efectul preţurilor (printr-un coeficient de elasticitate a cererii funcţie de variaţia preţurilor) şi câştigurile eficienţei energetice autonome, independente de preţuri.

Pe regiuni, consumatorii sunt grupaţi în mod frecvent în trei subansamble geopolitice, reprezentând: ţările capitaliste avansate membre a OECD (Organizaţia Cooperării şi Dezvoltării Economice), vechile ţări socialiste reunite sub sigla ECO-CEI (Europa Centrala şi Orientală – Comunitatea Statelor Independente) şi ţările în curs de dezvoltare.

Sunt luate în consideraţie trei scenarii de dezvoltare (tabelul 1.1), [3]: • scenariul A, care prevede condiţii favorabile pentru creşterea

economică, mai ales în curs de dezvoltare, fără efort excepţional pentru ridicarea eficienţei utilizării energiei;

• scenariul B, care prevede condiţii de creştere economică intermediară; • scenariul C, care prevede condiţii favorabile de creştere economică,

însoţite de un transfer masiv de resurse financiare şi tehnologice către ţările care trebuie să se dezvolte fără a afecta mediul lor înconjurător.

Tabel 1.1.

Perspectivele cererii de energie primară (în Gtep)

2020 2050 Anul/scenariul

Ţări 1990

A B C A B C

OECD 4.2 5.7 5.2 3.7 6.7 5.6 3.0 ECO/CEI 1.7 2.3 1.7 1.7 3.7 2.4 1.7 Ţări în curs de dezvoltare 3.1 7.4 6.7 6.0 14.4 11.8 9.5 Total în lume 9.0 15.4 13.6 11.4 24.8 19.8 14.2

Aproape de anul 2050, abaterea de la consumul primar dintre scenariile A şi


C va depăşi consumul mondial din 1990, ceea ce înseamnă o supraestimare a potenţialei creşteri a eficienţei energetice în perioada considerată. Considerând toate scenariile, aceste perspective exprimă două tendinţe ale consumului mondial, în prima jumătate a secolului al XXI-lea: deplasarea continuă a acestui consum de la ţările dezvoltate (OECD) către ţările în curs de dezvoltare; încetinirea creşterii consumului de energie, care chiar ar putea deveni negativ în ţările din OECD (tabelul 1.2).

Tabel 1.2.

Creşterea medie anuală a cererii de energie primară (în %)

1990 - 2020 2020 - 2050 Anul/scenariul

Ţări A B C A B C

OECD 1.0 0.7 -0.4 0.5 0.2 -0.7 ECO/CEI 1.0 0.0 0.0 1.6 1.2 0.0 Ţări în curs de dezvoltare 2.9 2.6 2.2 2.2 1.9 1.5 Total în lume 1.8 1.4 0.8 1.6 1.3 0.7

1.2.2. Consumul final

Resursele primare constrâng evoluţia structurii ofertei, influenţând cererea de electricitate şi pe cea de carburant. Ponderea cererii de energie electrică în consumul global a crescut continuu. Totodată, atât cererea de energie electrică, cât şi cea de energie primară au tendinţa de scădere, în mod regulat, la scară mondială, începând din anii ’60, [5,6]. Creşterea medie anuală de energie electrică, în %, este redată în tabelul 1.3, iar cea de carburant în tabelul 1.4.

Tabel 1.3.

Creşterea medie anuală a cererii de energie electrică (în %)

1990 - 2020 2020 - 2050 Anul/scenariul

Ţări A B C A B C

OECD 1.0 0.7 -0.4 0.5 0.2 -0.7 ECO/CEI 1.0 0.0 0.0 1.6 1.2 0.0 Ţări în curs de dezvoltare 2.9 2.6 2.2 2.2 1.9 1.5 Total în lume 1.8 1.4 0.8 1.6 1.3 0.7

Tabel 1.4.

Creşterea medie anuală a cererii de carburant (în %)

1990 - 2020 2020 - 2050 Anul/scenariul

Ţări A B C A B C

OECD 0.2 -0.3 -1.7 -0.7 -0.9 -2.0 ECO/CEI 1.4 -1.0 0.0 2.3 2.3 0.0 Ţări în curs de dezvoltare 3.7 3.2 2.8 2.0 1.8 1.5 Total în lume 1.8 1.1 0.4 1.3 1.0 0.6


Foarte accentuată în perioada anilor 1990, diferenţa de creştere dintre ţările dezvoltate şi ţările în curs de dezvoltare se atenuează în cursul următoarei perioade, deoarece creşterea cererii de carburant scade cu 50 % în toate scenariile. Aşteptarea unei foarte puternice creşteri a eficienţei energetice în sectorul transporturilor justifică contrastul între aceste perspective şi creşterea actuală a cererii de carburant în numeroase ţări (cuprinsă între 5 % şi 10 % în toată Asia de Sud-Est).

1.3. Rezervele de energie

Estimarea rezervelor de energie care nu pot fi reînnoite (neregenerabile) sunt redate în tabelul 1.5. Rezervele demonstrate sunt acelea care sunt într-adevăr disponibile şi care pot fi exploatate.

Tabel 1.5.

Rezervele globale de energie, în unităţi Q [1021

J].

Tipul de combustibil Rezerve demonstrate Rezerve estimate

Cărbune 25 118 Petrol 5 9 Gaze naturale 4 10 Uraniu 2* 2*

TOTAL 36 139 * Folosit la reactoarele rapide, ar creşte la 100 Q; 1 Q = 1021 J.

În mod clar, rezerva principală de combustibil fosil este cărbunele, care este abundent în multe regiuni ale lumii, chiar şi în ţările dezvoltate şi al cărui transport şi exploatare sunt ieftine.

Pe lângă carbon, cărbunele conţine şi alte elemente naturale şi, de aceea, la arderea cărbunelui nu se emit doar CO2 şi apă, ci şi cantităţi destul de mari de substanţe poluante, cum ar fi dioxidul de sulf, fluorură, uraniu, alte metale radioactive şi metale grele. De aceea, cărbunele are reputaţia de a fi un “combustibil murdar”. Este deci necesară reţinerea acestor impurităţi, în special sulfura, prin tehnici adecvate. Arderea cărbunelui în sobe, cazane şi furnale produce o mare cantitate de cenuşă şi funingine şi, din această cauză, folosirea lui a fost întreruptă în unele ţări. Este însă folosit în multe ţări dezvoltate şi în curs de dezvoltare pentru producerea energiei electrice, în centrale termoelectrice clasice cu generatoare de abur, având drept combustibil cărbunele.

Proporţia de dioxid de carbon obţinută prin arderea cărbunelui este mai mare decât cea obţinută din arderea altor combustibili fosili. Cărbunele poate fi folosit pentru a obţine combustibili alternativi, dar transformarea nu este atât de eficientă energetic, iar emisia de CO2 nu este redusă de aceste transformări, permiţându-se însă reducerea emisiei de dioxid de sulf şi a altor poluanţi, obţinând metode "curate" de a folosi cărbunele.


Rezervele reale de petrol brut ajung pentru aproximativ 50 de ani şi cele de combustibili minerali solizi pentru 275 de ani (tabelul 1.6), [4].

Tabel 1.6.

Estimarea rezervelor şi resurselor fosile (în GTEP)

Resurse Consum

1990

Resurse

confirmate

Resurse

recuperabile

Resurse

totale

Petrol brut - convenţional 3.1 150 145 - neconvenţional 193 332 1900 Gaz natural - convenţional 1.7 141 279 - neconvenţional 192 258 400 - gaz-hidraţi 18 700 Cărbune 2.2 606 2 794 3 000 Total 7.0 1 292 3 808 24 000

Cantităţile extrase anual pot să crească mult şi să devină insuficiente, mai ales în cazul petrolului brut, mult înainte de 2050. Rezervele inventariate de companiile petroliere şi miniere nu corespund totuşi, decât cu resursele cunoscute şi considerate exploatabile, în condiţiile tehnologice şi economice ale momentului. Dacă se adaugă la aceste rezerve confirmate resursele recuperabile fără limite de cost, stocul mondial se multiplică de 2 ori pentru hidrocarburi şi de 4 ori pentru combustibili minerali solizi. Dacă se încorporează, în sfârşit, şi cele pe care noile tehnologii ar putea să le facă accesibile (de exemplu gaz-hidraţii), ultimele resurse obţinute pot să satisfacă consumul mai multe secole.

Nici un scenariu al ofertei nu este deci limitat de cantitatea fizică a

resurselor fosile. Dar acestea din urmă nu sunt accesibile în orice condiţii politice, economice şi ecologice.

Rezervele de petrol confirmate sunt inegal repartizate: aproape 54 % în Orientul Mijlociu (cu durata de viaţă de 80 de ani pentru Kuweit, Arabia Saudită), faţă de 5 % în America de Nord, 3 % în Europa Ocidentală, 16 % în America Latină, 8 % în Africa, 11 % în fosta Uniunea Sovietică şi 3 % în Asia Pacifică. Asociată din raţiuni geologice, cu costurile de exploatare cele mai scăzute de pe planetă (90 % din rezervele accesibile, la mai puţin de 4 $ barilul), această concentrare geografică din Orientul Mijlociu generează o piaţă petrolieră mai vulnerabilă la evenimente politice decât pieţele de gaze şi mai ales pieţele cărbunelui. Exploatarea rezervelor fosile este în mod normal supusă legii randamentelor descrescătoare, localizările din ce în ce mai mult în zona marină, zona oceanică, zona arctică şi subarctică, diminuarea măsurii medii a descoperirilor, creşterea profunzimii medii a forajelor, ridicarea ratei de recuperare.

Energia nucleară nu este limitată de minereul de uraniu, dar singurele resurse cunoscute şi regenerabile la mai puţin de 80 $ kilogramul reprezintă 41 de ani de


consum, la rata de extracţie actuală (tabelul 1.7). Această durată poate să fie dublată de exploatarea de zăcăminte, până la 130 $ kilogramul. După aceea, explorarea resurselor încă neinventariate va trebui să fie relansată.

În cazul energiilor regenerabile, limitările provin mai puţin din mărimea fluxurilor fizice ale mediului terestru. Potenţialul lor este estimat să provină din capacitatea de captare a acestor fluxuri şi din conversia lor în servicii energetice adaptate la cerinţe (tabelul 1.7). Mai mult, cu sursele fosile şi cu energia nucleară, resursa este aici funcţie de starea tehnologiilor.

Tabel 1.7.

Estimarea altor resurse energetice

Resurse Consum

1990

Resurse

confirmate

Resurse

recuperabile

Nuclear: uraniu (în GTEP) - în reactoare termice 0.5 57 410 - în reactoare reproducătoare 3 390 21 050 Noi energii regenerabile (în MTEP) minim 2020 minim 2020 - biomasă modernă 243 561 - solară 109 355 - eoliană 85 215 - geotermică 40 91 - microhidroturbine 48 69 - oceanică 14 54 Total 539 1 345 Cerere totală (în %) 3÷4 8÷12

Echivalenţi ai TEP

Valorile consumului de energie, cât şi sursele de energie sunt exprimate în TEP (Tone Echivalent Petrol – sau tep).

Factorii de conversie şi echivalenţa variază de la o organizaţie la alta, respectiv de la Agenţia Internaţională a Energiei (AIE) - International Energy Agency (IEA) şi Consiliul Mondial al Energiei (CME) - World Energy Council (WEC), după cum se observă şi din tabelul 1.8, respectiv tabelul 1.9.

Tabel 1.8.

Echivalenţi ai tep adoptaţi de AIE

Resursa Unitatea de măsură Echivalenţa

Petrol 1 tep 7.2 barili petrol Gaz natural

1 tep 42 800 ft3 (SUA) 1 300 m3 (Europa)

0.855 t GNL – Gaz Natural Lichefiat (Japonia) Cărbune 1 tep 1.707 tonă scurtă - short ton (SUA)

1.55 t - tone (Europa); 1.726 t (Japonia)


Agenţia Internaţională a Energiei consideră pentru electricitatea primară următoarele randamente şi factori de conversie:

• hidraulică : 1 000 kWh = 860 Mcal (randament 100 %); • nucleară : 1000 kWh = 2 606 Mcal (randament 33 %); • geotermală: 1000 kWh = 8 600 Mcal (randament 10 %); • altele (eoliană etc): 1000 kWh = 860 Mcal (randament 100 %).

Tabel 1.9.

Echivalenţi ai tep adoptaţi de CME

Unitatea GJ Mcal tep

1 tep 42 10 034 1 1 tec (tona echivalent cărbune) 29.3 7000 0.697 1 000 m3 gaz natural 36 8 600 0.857 1 000 kWh electicitate primară 9.36 2 236

860 cu un randament de 38.46%

0.223

1 t lemne pentru foc 0.380

1.4. Criterii şi principii care stau la baza

reglementărilor de mediu

Elaborarea legilor în domeniul protecţiei mediului presupune o abordare multidisciplinară, deoarece aceste legi integrează realizările obţinute din domenii diverse precum: ştiinţele naturii (botanică, zoologie, anatomie), medicină, ecologie, chimie şi ştiinţe sociale şi, nu în ultimul rând, ştiinţe inginereşti, cu referire la mediu.

Legile din domeniul mediului înconjurător se disting prin modalitatea lor de abordare complexă. Aceste legi reglementează practic toate activităţile umane semnificative, care, într-un fel sau altul, au o incidenţă asupra mediul înconjurător. Aceste activităţi sunt privite, atât prin prisma impactului lor negativ asupra mediului, în scopul eliminării sau cel puţin al micşorării acestui efect, cât şi din punctul de vedere al dezvoltării activităţilor umane într-un mediu înconjurător sănătos.

La elaborarea legilor privind mediul înconjurător se iau în consideraţie patru caracteristici ale utilizării acestuia:

• mediul înconjurător este un sistem dinamic, în cadrul căruia se produc numeroase interacţiuni, de cele mai multe ori deosebit de complexe; o modificare substanţială a oricărei componente individuale a sistemului conduce la modificarea parţială sau chiar globală a întregului sistem;

• prejudicierea mediului înconjurător are în general un caracter latent, astfel încât pierderile nu sunt direct şi permanent observabile, ci, de multe ori, ele sunt


identificate atunci când este prea târziu pentru a repara pagubele; • resursele naturale devin din ce în ce mai rare şi, din acest motiv, este necesar să

se aibă în vedere nu numai faptul că resursele neregenerabile trebuie exploatate în mod raţional, dar şi faptul că anumite resurse regenerabile devin mai sărace;

• protecţia mediului constituie o modalitate extrem de importantă pentru menţinerea unui mediu înconjurător sănătos.

Legile privind protecţia mediului constituie cadrul global pentru componentele individuale ale acestuia. Ele trasează liniile directoare fundamentale pentru codificarea legală a mediului şi, totodată, furnizează instrumentele semnificative utilizate de state pentru a pune în aplicare reglementările adoptate.

Reglementările legale din domeniul protecţiei mediului sunt caracterizate, indiferent de ţara în care sunt adoptate, de următoarele obiective:

• prevenirea poluării şi degradării mediului, cât şi implementarea măsurilor adecvate pentru atingerea acestor deziderate;

• protecţia sănătăţii umane; • dezvoltarea şi amenajarea echilibrată a teritoriului în ansamblu, precum şi a părţilor sale componente;

• posibila regenerare a resurselor naturale şi valorificarea raţională a resurselor rare şi neregenerabile, privite prin prisma necesităţilor prezente şi viitoare ale omenirii;

• prezervarea echilibrului ecologic natural şi a capacităţii de reproducere a ecosistemelor;

• menţinerea sănătăţii mediului înconjurător.

Unul dintre principiile fundamentale ale protecţiei mediului exprimat în reglementările legale, este cel de prevenire. Modalitatea de bază prin care se realizează prevenirea constă în obligaţia solicitantului de a cere aprobarea guvernului înainte de a desfăşura activităţi care ar putea prejudicia mediul înconjurător. Autoritatea statală abilitată aprobă desfăşurarea respectivei activităţi numai dacă solicitantul garantează că va respecta condiţiile preventive impuse şi specificate în decizia de autorizare. Solicitanţii sunt obligaţi să includă odată cu cererea de aprobare a activităţii şi un studiu de impact al acesteia asupra mediului. Studiul trebuie să conţină obligatoriu o analiză a stării prezente a mediului, o analiză a posibilelor consecinţe ale activităţii propuse asupra mediului, o prezentare a diverselor variante de realizare, precum şi o listă a măsurilor prin care se poate realiza prevenirea sau cel puţin micşorarea efectelor dăunătoare ale respectivei activităţi. Studiul de impact trebuie să fie finalizat prin prezentarea modalităţilor de compensare pentru posibilele prejudicii aduse calităţii mediului înconjurător. Totodată, trebuie menţionat faptul că aprobarea acordată pentru desfăşurarea activităţilor solicitate este de obicei valabilă pe o perioadă limitată de timp.

Un alt principiu semnificativ este cel care are la bază conceptul de mediu


durabil; acest concept a devenit în ultimii ani unul dintre cele mai importante principii legale referitoare la reglementările din domeniul mediului înconjurător. Conform acestui principiu, toate procesele de luare a deciziilor, dezvoltarea economică şi acumularea capitalului trebuie să fie verificate cu atenţie, pentru a fi consecvente cu exploatarea raţională a resurselor naturale şi pentru a nu produce efecte dăunătoare asupra mediului.

Principiul poluatorul plăteşte, care se aplică în cadrul tuturor sistemelor legale, solicită celui care poluează mediul să plătească nu numai taxe sau amenzi, ci acesta este răspunzător şi obligat să plătească şi compensaţii pentru prejudiciul adus.

Un alt principiu care stă la baza reglementărilor legale privind mediul înconjurător este cel al controlului obiectiv exercitat de autorităţile centrale şi teritoriale statale, care răspund de acest domeniu.

1.5. Evoluţia reglementărilor din domeniul mediului

Reglementările care privesc mediul înconjurător sunt cuprinse în codurile de legi ale statelor încă din antichitate; de exemplu, în Dreptul Roman, există reglementări legate de exploatarea şi protecţia apelor; de asemenea, în legile majorităţii statelor europene şi asiatice antice există reglementări ale vânătorii în perioadele de reproducere.

O dezvoltare semnificativă a legislaţiei referitoare la protecţia diverselor componente ale mediului s-a produs cu adevărat în secolul al XIX-lea, odată cu apariţia primelor reglementări împotriva poluării aerului şi primele măsuri de igienă. Principalul scop al acestora era de protejare a sănătăţii umane, dar includeau şi măsuri care aveau menirea de a proteja, direct sau indirect, principalele componente ale mediului (aerul şi apa). În plus, în anumite ţări europene (în special în Germania şi Austria), au fost promulgate o serie de legi în domeniul apelor şi pădurilor. În anumite ţări europene, (Finlanda, Austria) s-au stabilit reglementări pentru protecţia vieţii sălbatice. Aceste legi erau deosebit de progresiste pentru epoca în care au apărut, motiv pentru care au rămas în vigoare în forma originală sau revizuită până în prezent.

Se poate observa că, în timp, în ciuda unei creşteri accelerate a poluării mediului înconjurător, nu s-a constatat o dezvoltare corespunzătoare a legislaţiei în domeniul protecţiei componentelor de mediu. Creşterea poluării mediului înconjurător s-a datorat în special descoperirii şi dezvoltării unor mijloace de transport care utilizau ca sursă de energie arderea combustibililor fosili, lichizi sau gazoşi, a expansiunii producţiei industriale şi a unităţilor de producere a energiei, precum şi tehnologizării şi chimizării agriculturii. Momentul decisiv al dezvoltării reglementărilor legale, referitoare la componentele individuale ale mediului, se plasează pe la mijlocul secolului al XX-lea. În această perioadă au fost identificate primele efecte ale deteriorărilor principalelor componente ale mediului, în special apa şi aerul.


Un număr de state europene au reacţionat la această ameninţare prin adoptarea unor acte de protecţie a aerului, apei, naturii şi solului.

Necesitatea elaborării legislaţiei în domeniul protecţiei componentelor de mediu s-a intensificat, fiind reclamată de următoarele cauze:

• creşterea gradului de ameninţare asupra mediului, proporţional cu ritmul creşterii producţiei industriale şi de energie în special, cât şi între creşterea producţiei agricole şi deteriorarea calităţii apei şi solului;

• creşterea interesului publicului pentru problemele de mediu, ajungându-se la integrarea reglementărilor într-un sistem complet şi complex, pluridisciplinar, sub denumirea de „Legislaţia mediului”.

Un impact dominant al legilor mediului este creşterea substanţială a timpului de demarare pentru planificarea şi construirea de noi unităţi industriale. Orice companie care planifică o extindere majoră trebuie, încă de la început, să se concentreze asupra factorilor de mediu. Mai mult ca niciodată, acceptabilitatea politică şi publică a unui proiect poate fi crucială.

Evoluţia legislaţiei de mediu în România

Anii ’70 au reprezentat, după cum s-a arătat anterior, un punct de cotitură în legislaţia de mediu pe plan mondial şi chiar în România, ţară socialistă în acea perioadă, deoarece au fost adoptate acte juridice care au avut în vedere mediul.

Astfel, în 1973, a fost adoptată pentru prima dată Legea privind protecţia mediului, îmbunătăţită în 1995. În 1955 a fost elaborat Standardul român pentru apele de suprafaţă, împreună cu categoriile şi condiţiile tehnice de calitate, standard revizuit ulterior în 1966 şi 1973. În 1974 a fost elaborată şi adoptată legea apelor, împreună cu metoda de stabilire a normelor naţionale de protecţie împotriva principalilor poluanţi ai apei. De asemenea, în 1976 a fost emisă legea referitoare la conservarea şi dezvoltarea fondului forestier, în 1977 au fost elaborate o serie de norme departamentale privind protecţia calităţii solului, iar în 1978, legea privind asigurarea sănătăţii populaţiei.

După decembrie 1989, s-au făcut paşi importanţi în activitatea de protecţie a mediului în România. Astfel, s-au redus cantităţi importante de poluanţi, în parte, şi datorită restrângerii activităţii industriale dezvoltată uneori forţat şi aberant în anii industrializării socialiste.

În plan legislativ s-a desfăşurat şi se desfăşoară un efort susţinut pentru alinierea legislaţiei de mediu la cea a ţărilor membre ale Uniunii Europene. De asemenea, este necesară şi armonizarea standardelor şi normativelor privind concentraţiile de poluanţi şi elaborarea de normative privind emisiile de poluanţi la surse, similare celor din Uniunea Europeană.

Adecvarea legislaţiei de mediu la cea a Uniunii Europene reprezintă una dintre condiţiile esenţiale ce trebuie îndeplinite înainte de aderare.

Similar, trebuie îndeplinite angajamentele luate de ţara noastră în momentul


aderării sau participării la Convenţii şi Programe internaţionale de mediu.

Definiţii şi noţiuni generale

Conform Legii protecţiei mediului 137/1995, [7], mediu este ansamblul de condiţii şi elemente naturale ale Pământului, respectiv aerul, apa, solul şi subsolul, toate straturile atmosferice, toate materiile organice şi anorganice, precum şi fiinţele vii, sistemele naturale în interacţiune, cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale şi spirituale.

Atmosfera este definită ca masa de aer care înconjoară suprafaţa terestră, incluzând şi stratul de ozon.

Prin poluant se înţelege orice substanţă solidă, lichidă, sub formă gazoasă ori de vapori sau formă de energie (radiaţie electromagnetică, ionizantă, termică, fonică sau vibraţii) care, introdusă în mediu, modifică echilibrul constituenţilor acestuia şi al organismelor vii şi aduce daune bunurilor materiale.

În general, prin poluare se denumeşte orice concentraţie de poluant în mediu ce depăşeşte valoarea naturală. Directiva CEE 84/360 din 28/06/1984, [8], valabilă şi în prezent, defineşte poluarea atmosferică ca introducerea în atmosferă de

către om, direct sau indirect, de substanţe sau energie având acţiune nocivă, de

natură să pună în pericol sănătatea omului, să strice resursele biologice,

ecosistemele, să deterioreze bunurile materiale, valorile de agrement şi alte

utilităţi legitime ale mediului înconjurător. Convenţia de la Geneva din 13/11/1979, [9], defineşte juridic poluarea

transfrontalieră ca fiind poluarea atmosferică ale cărei surse sunt cuprinse total

sau parţial într-o zonă supusă jurisdicţiei naţionale a unui stat şi care exercită

impact de mediu într-o zonă supusă jurisdicţiei altui stat, la o distanţă astfel încât

nu este în general posibil să se distingă aportul surselor individuale sau în grupe

de surse de emisie.

Prin emisia poluanţilor în aer se înţelege faptul că există locuri de percepere a emisiilor în atmosferă a gazelor, a particulelor solide sau lichide, corosive, toxice sau odorante, de natură să compromită sănătatea publică sau calitatea mediului, să dăuneze zonelor agricole, forestiere sau construcţiilor publice. O astfel de definiţie este necesară pentru a caracteriza o situaţie de poluare atmosferică, pentru a lua în consideraţie un număr important de constituenţi ce se prezintă sub formă de gaze, de aerosoli sau particule.

Dacă concentraţiile de poluanţi, sau numai a unuia, în mediu depăşesc pragurile de alertă prevăzute în reglementările privind evaluarea poluării mediului, atunci există o poluare potenţial semnificativă. Pragurile de alertă avertizează autorităţile competente asupra existenţei, într-o anumită situaţie, a unei poluări potenţiale în aer, apă sau sol.

Poluarea semnificativă apare atunci când concentraţiile de poluanţi, sau numai a unui poluant, în mediu depăşesc pragurile de intervenţie prevăzute în reglementările privind evaluarea poluării mediului. Pragurile de intervenţie sunt


pragurile de poluare la care autorităţile competente apreciază oportunitatea şi solicită, dacă este necesar, executarea studiilor de evaluare a riscului.

Riscul este probabilitatea apariţiei unui efect negativ într-o perioadă de timp specificată. Există o gamă largă de metodologii diferite, pentru evaluarea riscului, atât calitative, cât şi cantitative.

Prin risc ecologic potenţial se înţelege probabilitatea producerii unor efecte negative asupra mediului, care pot fi prevenite pe baza unui studiu de evaluare.

Prin impact de mediu se înţelege: a) modificarea negativă considerabilă a caracteristicilor fizice, chimice sau

structurale ale componentelor mediului natural; b) diminuarea diversităţii biologice; c) modificarea negativă considerabilă a productivităţii ecosistemelor naturale şi antropizate;

d) deteriorarea echilibrului ecologic, reducerea considerabilă a calităţii vieţii sau deteriorarea structurii antropizate, cauzată în principal de poluarea apelor, a aerului şi a solului;

e) supraexploatarea resurselor naturale, gestionarea, folosirea sau planificarea teritorială necorespunzătoare a acestora, ce poate apărea în prezent sau să aibă o probabilitate ridicată de manifestare în viitor.

1.6. Ingineria mediului – o nouă profesie

Ingineria mediului este o profesie relativ nouă, dar cu o lungă istorie. Titlul descriptiv de “inginerie a mediului” nu a fost folosit până în anul 1960,

când programe academice din inginerie şi-au extins domeniile. Profesia îşi trage rădăcinile din mai multe discipline, inclusiv ingineria civilă,

sănătate publică, ecologie, chimie şi meteorologie. Din fiecare, ingineria mediului îşi extrage sferele de cunoştiinţe, competenţe şi profesionalism.

Din etică, ingineria mediului extrage conceptul de “mai binele tuturor”. Inginerii de mediu sunt angajaţi în prezent în aproape toate industriile şi în

companii, în domeniul lucrărilor publice şi management al acestora. Specialiştii din acest domeniu se ocupă cu calitatea aerului, calitatea apei şi managementul acesteia, calitatea solului, managementul resurselor naturale ale pădurilor etc. Ingineria controlului poluării este o altă direcţie care solicită specialişti de mediu.

Inginerii de mediu au o istorie mândră şi un viitor luminos. Este o carieră care poate să fie competitivă, plăcută şi cu satisfacţii personale.

22.. CCEENNTTRRAALLAA TTEERRMMOOEELLEECCTTRRIICCĂĂ ––

SSUURRSSĂĂ DDEE PPOOLLUUAARREE

Producerea energiei electrice şi/sau termice se realizează în instalaţii grupate în spaţiu, a căror caracteristică principală o constituie centralizarea, astfel încât se poate spune că producerea energiei (electrice şi/sau termice) are loc în centrale.

O centrală termoelectrică este un ansamblu sistemic de echipamente şi instalaţii care realizează un lanţ (o serie) de transformări energetice, în scopul obţinerii energiei electrice şi termice. Criteriul principal de clasificare îl constituie felul energiei primare, care stă la baza lanţului de transformări. În tabelul 2.1 este prezentată această clasificare, cu indicarea notaţiilor convenţionale adoptate în ţara noastră pentru aceste centralele.

Tabelul 2.1.

Clasificarea centralelor termoelectrice după criteriul energiei primare

Denumirea

centralei

Energia primară Modul de

transformare

Lanţul

transformărilor

Notaţii

Centrală

termoelectrică

clasică

-energia solară fosilă (cărbuni, petrol, gaz, turbă, şisturi bituminoase); - resurse energetice secundare (deşeuri lichide, solide, gazoase din industrie şi menajere).

ardere

energie chimică ⇒ energie termică ⇒ energie mecanică ⇒ energie electrică

CTE -centrală termoelectrică de condensaţie CET - centrală electrică de termoficare CTG - centrală cu turbine cu gaze. CDE - centrală diesel electrică

Centrală

nuclearo-

electrică

energia nucleară de legătură între nuclee prin: - ruperea nucleelor grele; - sinteza (combinarea) nucleelor uşoare

fisiune

fuziune

energie nucleară ⇒ energie termică ⇒ energie mecanică ⇒ energie electrică

CNE - centrală electrică nucleară CNET - centrală nuclearo-electrică de termoficare


2.1. Fluxuri de masă şi de energie

Principalele fluxuri masice şi de energie sunt, [1]: • F1 - fluxul de combustibil; • F2 - fluxul de aer necesar arderii; • F3 - fluxul de apă-abur; • F4 - fluxul de energie electrică spre sistemul electroenergetic; • F5 - fluxul de energie electrică pentru serviciile interne electrice; • F6 - fluxul de energie termică spre consumatorii externi; • F7 - fluxul apei de răcire; • F8 - fluxul apei de adaos; • F9 - fluxul de gaze de ardere; • F10 - fluxul de noxe solide şi lichide reţinute; • F11 - fluxul de noxe aeropurtate evacuate pe coş.

Principalele fluxuri de masă şi de energie dintr-o centrală termoelectrică clasică sunt redate în figura 2.1.

Fig. 2.1. Fluxurile de masă şi energie dintr-o centrală termoelectrică clasică

F1 - fluxul de combustibil este unul dintre cele mai importante fluxuri intrate. El este în esenţă un flux material care depinde de puterea centralei, calitatea combustibilului (prin puterea calorifică inferioară Hi), perfecţionarea centralei (prin consumul specific de combustibil), coeficientul de utilizare a puterii instalate anuale, Ku, an. Acest flux produce probleme de poluare legate de depozitarea

Centrala termoelectrică – sursă de poluare 37

combustibilului şi, în cazul utilizării cărbunelui, depozitarea zgurei şi cenuşei. F2 - fluxul de aer necesar arderii este un flux material şi de energie, fiind

preluat din exteriorul sau din interiorul sălii cazanului şi este introdus la arzătoare cu ajutorul ventilatoarelor de aer, VA. Acest flux depinde de tipul combustibilului, de perfecţiunea arderii şi de consumul efectiv de combustibil.

F3 - fluxul de apă - abur este fluxul fluidului de lucru, fiind caracterizat pe traseu de variaţii mari ale volumului specific. Acest flux este o cantitate de apă în evoluţie care primeşte o cantitate de energie la sursa caldă (căldura q1 primită în generatorul de abur, GA) pe care o cedează turbinei cu abur, TA (pentru a se transforma în energie mecanică) şi condensatorului, Cd (pentru a condensa, constituind sursa rece a ciclului). O anumită parte din căldură este recuperată prin regenerare şi cedată preîncălzitoarelor (de unde şi denumirea de preîncălzire regenerativă).

Apa este tratată chimic, fiind dedurizată şi demineralizată (practic apă distilată) pentru a nu conţine gaze necondensabile (în special oxigen) care să corodeze ţevile suprafeţelor de schimb de căldură din cazan.

F4 - fluxul de energie electrică spre sistem este principalul flux de energie finală livrată de centrală, prin transformatorul principal, TRP, Sistemului Electroenergetic. Pentru ca acest flux să poată fi transportat la consumator este necesară existenţa liniilor electrice, ce constituie un element de bază, care determină locul de amplasare a centralei electrice în raport cu consumatorii. Acesta este în esenţă un flux de energie care depinde de puterea centralei.

F5 - fluxul de energie electrică pentru servicii interne reprezintă fluxul de energie electrică necesar alimentării tuturor consumatorilor electrici interni ai centralei, preluat din fluxul primar de energie electrică produsă de generatorul electric, GE, prin transformatorul de servicii interne electrice (denumite uneori servicii proprii), TrSI.

Valoarea acestui flux depinde de tipul centralei, tipul combustibilului, tipul răcirii etc.

F6 - fluxul de energie termică către consumatorii externi este un flux specific centralelor de termoficare. Mărimea acestui flux depinde de cererea de energie termică a consumatorilor externi corelat cu tipul turbinei cu abur, TA.

Energia termică se poate livra consumatorilor industriali, TI, sub formă de abur sau apă fierbinte şi/sau consumatorilor urbani, TU, de regulă sub formă de apă fierbinte sau apă caldă. Transportul acestui flux necesită conducte de apă sau abur care leagă centrala de consumator, ca şi conducte de condensat sau apă caldă prin care acest flux se întoarce de la consumator la centrală.

F7 - fluxul apei de răcire este un flux de masă şi de energie şi se caracterizează prin debite de apă de răcire foarte mari.

De menţionat că componenta energetică (≈ 0 6, din energie primită la generatorul de abur) a acestui flux conduce la poluarea termică a apei, din care cauză sunt necesare măsuri de limitare a temperaturii maxime a apei restituite. În


cazul turnurilor de răcire apar probleme de poluare cu picăturile antrenate (smog). F8 - fluxul apei de adaos compensează pierderile de apă din circuitul

termic (prin neetanşeităţi, purjări, care sunt de ordinul 1 ÷ 3 % din debitul de abur viu), cât şi pierderile prin reţeaua de transport a fluxului F6, de energie termică către consumatorii externi (care poate atinge uneori, când nu se returnează condens, 30 ÷ 40 % din debitul de abur produs de cazan). Rezultă de aici că amplasarea instalaţiilor de tratare a apei de adaos (în special staţia de tratare a condensatului, STC) diferă de la o centrală la alta şi formează o grupă de instalaţii necesare şi importante.

F9 - fluxul de gaze de ardere este un flux de masă şi energie evacuată în mediu. Debitul de gaze evacuat depinde de tipul combustibilului, puterea centralei, felul arderii.

Debitele volumetrice mari necesită canale de evacuare cu secţiuni considerabile deoarece şi viteza de circulaţie este redusă ( de 0,8 ÷ 1,2 m/s). Aceste debite de gaze conţin o cantitate de căldură care constituie principala pierdere la un cazan. Temperatura gazelor evacuate este funcţie de conţinutul de sulf din combustibil, pentru a nu apărea fenomenul de rouă acidă (prin condensarea H2SO4), ajungând uneori 170 ÷ 180 0C.

F10 - fluxul de noxe reţinute depinde în principal de calitatea combustibilului (prin conţinutul iniţial de anorganic, Ai , de sulf Si şi azot, Ni), de tipul focarului (prin gradul de reţinere a zgurii şi cenuşii în focar), de existenţa măsurilor primare sau finale de reţinere a noxelor. Acest flux este în esenţă un flux material.

F11 - fluxul de noxe aeropurtate este un flux material de substanţe nocive (cenuşă, compuşi ai azotului cu oxigenul, NOx, compuşi ai sulfului cu oxigenul, SOx, acid clorhidric, HCl, hidrocarburi nearse, HC etc.) evacuate în atmosferă, o dată cu gazele arse. El depinde de perfecţionarea instalaţiilor care reţin fluxul F10 şi valoarea diverselor noxe emise este limitată prin norme severe de protecţie a atmosferei. Pentru o bună dispersie, care să reducă gradul de poluare la sol (numit grad de imisie), sunt necesare coşuri de fum cu înălţimi foarte mari (până la 300÷400 m). Acest flux influenţează alegerea zonei de amplasare prin limitările de protecţie a atmosferei.

2.2. Impactul CTE asupra mediului – reziduuri rezultate

Restricţiile ecologice şi de mediu impun un anumit regim de amplasare şi funcţionare a centralelor termoelectrice, astfel încât, [2]:

�� nivelul poluării în zonă să nu depăşească limitele prescrise; �� să existe o zonă de protecţie sanitară depinzând de noxele produse

(având o rază de până la 1 km, pentru CTE, şi de până la 10 km, pentru CNE);


�� construcţiile să nu producă dezechilibru în mediu şi să aibă un aspect urbanistic plăcut (în special construcţiile şi liniile electrice aeriene).

Reziduurile (denumite de multe ori şi deşeuri) produse datorită generării de energie electrică şi termică depind de sursa primară de energie (tipul de combustibil utilizat sau energia regenerabilă) şi energia produsă de acestea.

Instalaţiile pe cărbune produc mari cantităţi de reziduuri care sunt, de obicei, greu de controlat.

Centralele clasice cu turbine cu gaze produc reziduuri asociate arderii gazului şi provenite din întreţinerea şi reparaţia echipamentelor.

Centralele nuclearo-electrice produc şi alte tipuri de reziduuri periculoase, respectiv apă contaminată şi combustibil uzat, care nu pot pot fi reciclate, ci numai stocate pe termen lung.

Centralele cu turbine cu gaze sau motoare Diesel sunt, de obicei, folosite pentru generarea energiei în zone îndepărtate sau pentru a satisface cererea de vârf în zonele urbane. Generatoarele Diesel sunt, de asemenea, folosite ca echipament de rezervă când distribuţia obişnuită de electricitate este întreruptă şi se funcţionează insularizat. Un alt combustibil folosit pentru a produce energia necesară este gazul natural în zone care au resurse suficiente. Reziduurile produse de aceste instalaţii includ emisii poluante de aer şi cele produse în urma întreţinerii şi reparaţiei echipamentelor.

Din punctul de vedere al efectelor acestora asupra mediului şi sănătăţii reziduurile pot fi grupate în: reziduuri netoxice şi nepericuloase, reziduuri periculoase şi reziduuri ce produc deteriorări semnificative, [3].

Reziduurile netoxice şi nepericuloase sunt aşa numitele “reziduuri comune”, în care sunt incluse cele reutilizabile (majoritatea reziduurilor rezultate din înlocuirea echipamentelor din unităţile energetice) şi cele biodegradabile (menajere şi agricole).

Un reziduu este periculos dacă prezintă una dintre următoarele caracteristici: inflamabilitate, corozivitate, reactivitate şi toxicitate.

În categoria reziduurilor ce produc deteriorări semnificative sunt incluse majoritatea reziduurilor gazoase, al căror efect nu se manifestă pe termen scurt asupra sănătăţii. Pe termen lung, acestea provoacă deteriorări semnificative ale mediului înconjurător, cuantificate în cadrul următoarelor fenomene: ploi acide, încălzire globală, subţierea statului de ozon etc. Pentru apele uzate, o mare atenţie este acordată scurgerilor în afara facilităţilor uzinale şi contactului apei pluviale cu structura de beton a instalaţiilor energetice.

Reziduuri lichide

La centralele termoelectrice (clasice şi nucleare) se produce un volum mare de reziduuri lichide, respectiv: ape uzate, apă de răcire, apă pentru spălare


echipamente. Mai apar cantităţi relativ reduse de lubrifianţi şi alte fluide pe bază de petrol.

Apele uzate au un volum scăzut provenind din: demineralizarea apei, reţinerea şi transportul cenuşei, de la stivele de cărbune, puncte joase.

Demineralizarea se realizează prin schimb de ioni şi se utilizează pentru producerea apei necesare alimentării cazanului. Periodic, schimbul de ioni este regenerat, folosind acid. Reziduurile provenite din regenerare sunt caracterizate printr-o mare aciditate sau alcalinitate şi concentraţii ridicate de solide dizolvate. Reziduurile mai cuprind ape folosite la clătire care sunt destul de curate. Apele de clătire pot fi reciclate şi folosite la turnurile de răcire sau tratate şi refolosite la cazan.

În cadrul reţinerii şi transportului cenuşii se utilizează apa ca mijloc de îndepărtare şi transport hidraulic al cenuşii. La transportul uscat al cenuşii, mijloacele de transport sunt spălate în zona de încărcare-descărcare pentru a îndepărta cenuşa acumulată. Aceste ape poluate conţin concentraţii foarte mari de solide în suspensie şi anumite metale conţinute în cenuşă. Apa poluată care transportă cenuşa depusă nu are un pH foarte ridicat şi conţine o concentraţie mai scăzută de metale grele.

Apa de ploaie scursă de pe stivele de cărbune poate să conţină concentraţii ridicate de metale, în special fier şi să fie acidă, în funcţie de cantitatea de sulf din cărbune. Caracteristica curgerii depinde de tipul cărbunelui şi de configuraţia şi mărimea stivei de cărbune. Cu cât apa de ploaie este în contact mai îndelungat cu cărbunele, cu atât concentraţia apei care se scurge va fi mai mare. Acidul din apa care se scurge provine din oxidarea sulfului din cărbune la acid sulfuric.

Apele uzate „puncte joase” cuprind scurgeri neutilizabile energetic de la conducte şi echipamente (scăpări şi răciri tehnologice lagăre) şi de la spălarea podelelor. Reziduurile au concentraţii ridicate de solide în suspensie, de uleiuri şi unsori.

La centralele termoelectrice nucleare apa grea (pentru moderare şi răcire), conţine tritiu, astfel că tratarea acestora se face după metode specifice.

Apa de răcire este strict necesară realizării ciclului termic, respectiv a sursei reci. Apa trecută o dată prin condensator poate să conţină cloruri reziduale şi metale, mai ales cupru şi zinc provenite din coroziunea ţevilor condensatorului.

Mai poate conţine cloruri şi alte chimicale adăugate pentru a controla şi inhiba creşterea biologică sau coroziunea din condensator.

Apa de spălare echipamente rezultă în urma folosirii apei la presiuni ridicate pentru spalarea cazanului, curăţirea încălzitoarelor de aer, arzătoarelor, răcitoarelor şi condensatoarelor. Aceasta este acidă şi conţine concentraţii ridicate de solide în suspensie şi metale grele. Unele echipamente sunt periodic curăţate cu acid pentru a îndepărta crusta formată. Agenţii de curăţire pot să conţină o varietate de acizi. Din aceste cauze reziduurile au o mare aciditate şi o concentraţie mărită


de metale grele, ajungând uneori la o concentraţie de fie de 5000 ppm. La utilizarea cărbunelui drept combustibil apare un consum de apă pentru a

spăla cenuşa depusă pe vatra cazanului, în electrofiltre şi pentru a transporta hidraulic cenuşa. Apa poluată care transportă cenuşa este acidă şi conţine o concentraţie ridicată de metale grele. Apa utilizată la spălări nu are un pH foarte ridicat şi conţine o concentraţie mai scazută de metale grele.

Lubrifianţi şi alte fluide pe bază de petrol sunt constituite, în principal, din uleiul hidraulic, uleiul izolator, uleiul de frână sau de transmisii şi rezultă în urma procesului de întreţinere a echipamentului. Reziduurile din lubrifianţi şi unsori sunt generate atât de funcţionarea, cât şi de întreţinerea echipamentului. În majoritatea cazurilor, aceste reziduuri pot conţine poluanţi periculoşi precum metalele grele. O proporţie mică de reziduuri ale produselor petroliere poate fi contaminată cu solvenţi sau alte materiale.

Reziduuri solide

Activităţile generatoare de reziduuri solide din centralele termoelectrice sunt cele legate de distribuţia energiei, de întreţinerea căilor de acces, a terenurilor, a echipamentelor folosite, rezultate în urma reparaţiilor din centrală şi din staţiile de transformare. Activităţile de birou, lucrările de construcţii şi transportul/recepţia materialelor produc, de asemenea, reziduuri. Datorită numărului echipamentelor intermediare necesare şi lungimii reţelelor de distribuţie obişnuite, se poate acumula o cantitate mare de reziduuri, împrăştiate pe spaţii destul de întinse, [4,5].

Materiale care conţin azbest. Această categorie este formată din materiale izolante şi plăci care conţin azbest. Alte reziduuri care conţin azbest sunt materiale contaminate şi costumele de protecţie. Aceste reziduuri sunt generate în timpul renovării, demolării sau reparaţiilor. Muncitorii sunt obligaţi să separe aceste reziduuri şi să le depoziteze în saci de culoare galbenă sau de altă culoare marcaţi distinctiv. Aceste reziduuri sunt stocate în locuri de depozitare speciale pentru materialele care conţin azbest.

Cenuşa zburătoare şi cea care se depune este produsă de centralele termoelectrice funcţionând pe cărbune sau păcură, volumul fiind mai mare la cele pe cărbune. Cenuşa zburătoare, rezultată de la gazele de coş, conţine mici particule.

Cenuşa care se depune conţine particule mai mari. Ambele categorii de cenuşi conţin metale grele. Cantitatea de cenuşă rezultată din arderea cărbunelui depinde de conţinutul în cenuşă al acestuia. Componentele primare ale cenuşii sunt oxizii de siliciu, aluminiu, fier şi calciu.

Pulberi. Pentru a îndepărta rugina şi alte depuneri de pe echipamentele metalice, în timpul operaţiunilor de întreţinere şi preparare a suprafeţelor înainte de vopsire, sunt produse pulberi (nisip şi alte materiale fine).


Reziduurile rezultate sunt de obicei nepericuloase dar, uneori, ele sunt considerate riscante, datorită nivelurilor ridicate de crom, plumb sau cadmiu.

Zgura din cazan este cenuşa topită de pe fundul cazanului care s-a transformat în solid şi este recuperată din cazan. De obicei, zgura seamănă cu nişte bulgări de rocă.

Cenuşa şi zgura rezultată din arderea cărbunelui conţine oxizi de siliciu, de aluminiu, de fier, oxizi de calciu, de magneziu şi bioxid de sulf. Temperatura medie de topire este de circa 1200÷1300 °C, iar temperatura de curgere este de circa 1250÷1500 °C.

Chimicale. Aceste fluxuri de reziduuri solide conţin reziduuri riscante şi reziduale şi sunt generate fie în laboratoarele din interior, ca rezultat al curăţirii chimicalelor expirate, fie în urma renunţării la anumite aparate de măsură sau a altor echipamente care conţin mercur. În funcţie de tipul materialului aceste reziduuri sunt duse în zone special amenajate.

Resturi de la morile de cărbune. Resturile de la morile de cărbune cad la fundul morii şi sunt, sau scurse către un rezervor, sau depozitate sub formă uscată într-un bazin sau haldă. În timpul pulverizării cărbunelui, părţile din material care au un conţinut ridicat de minerale sunt separate, prin îndepărtarea părţilor grele şi evacuate. Aceste reziduuri reziduale sunt numite şi “pirite”, datorită conţinutului ridicat de sulfaţi de fier.

Sedimentele provenite de la turnul de răcire. Acest flux de reziduuri este rezultatul circulaţiei continue a apei uzate prin turnul de răcire, care generează sedimente. Metodele moderne de management prevăd îndepărtarea acestora pe perioada reparaţiilor sau întreruperilor. Depozitarea se face uzual, prin deshidratare şi depunere într-o haldă.

Nămolul provenit de la desulfurarea gazelor de ardere. Pentru îndepărtarea dioxidului de sulf din gazele de ardere evacuate sunt utilizate preponderent scrubăre umede. Pentru absorbţia sulfului este utilizată, de regulă, o soluţie apoasă, în care este dizolvat calcar sau hidroxid de sodiu. Nămolul produs este un compus primar de gips (sulfat de calciu) sau sulfat de sodiu, cu o concentraţie scăzută de cenuşă.

Reziduuri provenite de la vopsire şi curăţare. Acestea provin din vopsele precum şi din alte soluţii cu rol similar (pe bază de latex sau ulei), rezultate în urma procesului de vopsire a unor echipamente sau din curăţarea unui strat existent de vopsea. Chiar dacă nu sunt inflamabile sau toxice, ele sunt dăunătoare, devenind chiar şi în cantităţi mici, reziduuri reziduale. Cutiile goale de vopsea sunt uneori aruncate cu gunoiul obişnuit.

Cârpele îmbibate cu lubrifianţi şi unsori sunt generate de funcţionarea cât şi de întreţinerea echipamentului. În majoritatea cazurilor, aceste reziduuri pot


conţine poluanţi periculoşi, precum metalele grele. O proporţie mică de reziduuri ale produselor petroliere poate fi contaminată

cu solvenţi sau alte materiale. Similar reziduurilor petroliere sunt şi filtrele de ulei uzate, înlocuite în cadrul procesului de întreţinere.

Reziduuri care conţin PCB. Aceste reziduuri conţin difenil policlorinat (PCB) lichid sau solid, cu concentraţii cuprinse între 2 şi 50 ppm şi provin, în principal, din uleiuri şi alte lichide utilizate la răcirea transformatoarelor sau alte echipamente electrice. Aceste lichide sunt plasate în containere şi apoi duse în locuri de depozitare autorizate. În categoria solidelor care conţin PCB intră şi containerele în care se păstrează lichidele mai sus menţionate, dar şi roci sau solul contaminat. Reziduurile solide sunt, de asemenea, plasate în containere şi depozitate în locuri autorizate.

Pesticidele sunt reziduuri folosite pentru controlarea dezvoltării vegetaţiei în zonele de acces sau lucru. Această practică produce reziduuri, printre care: recipiente golite, alte obiecte contaminate în timpul folosirii substanţelor şi materiale expirate care trebuie casate/aruncate. Deşi cantitatea acestui tip de reziduu nu este mare, natura lui necesită o grijă deosebită la manevrare şi eliminare.

Reziduurile provenite din procesarea fotografiilor, xerografiere şi monitorizarea convorbirilor în timpul avariilor. Aceste reziduuri includ cartuşe de toner, fluide antistatice, lubrifianţi, benzi de magnetofon şi substanţe rezultate în urma developării fotografiilor şi microfilmelor. Aceste reziduuri pot fi considerate periculoase, în funcţie de echipamentul şi substanţele chimice utilizate.

Metalele. Reziduurile din fire de cupru, atât cele izolate cât şi neizolate, reprezintă o mare parte din gama de reziduuri metalice generate de unităţile energetice. Întreţinerea şi reparaţia echipamentelor electrice produc mari cantităţi de reziduuri metalice printre care, reziduuri de aluminiu şi cupru, carcase metalice şi diferite metale feroase şi neferoase. Aceste reziduuri sunt golite de lichidele pe care le conţin şi sortate în funcţie de tipul metalului.

În urma lucrărilor de reparaţii sau înlocuire a echipamentelor electrice, apar rebuturi de aluminiu şi containere metalice, în cantitate mai mică. Înainte de casare, utilajele sunt deseori dezasamblate, iar fluidele pe care acestea le conţin sunt scurse şi colectate.

În cazul în care aparatele electrice conţin fluide cu difenil policlorinat, carcasele metalice sunt considerate reziduu PCB.

Bateriile de acumulatoare sunt folosite la centrale pentru a asigura energia de funcţionare în cazul unei avarii. Înlocuirea periodică a bateriilor consumate determină un tip de reziduu, care poate fi compus dintr-o gamă variată de acumulatoare: cu plumb-acid, plumb-antimoniu, plumb-calciu, potasiu sau nichel-cadmiu, sau cu pilă uscată.


Corpurile de iluminat. Sursa acestui tip de reziduu o reprezintă înlocuirile corpurilor de iluminat care, în mod obişnuit, sunt cu sodiu la presiune mare, haloid metalic şi uneori, vapori de mercur (la instalaţii mai vechi). Corpurile de iluminat sunt înlocuite în funcţie de necesităţi sau potrivit unui plan stabilit anterior. Becurile sunt păstrate separat de alte tipuri de reziduuri şi apoi sunt eliminate în locuri speciale, în afara centralelor şi staţiilor de transformare. Există şi pericolul ca, uneori, becurile să conţină plumb.

Materiale radioactive. Acestea apar în urma iradierii la funcţionarea în zona activă a reactorului. O categorie aparte o reprezintă combustibilul ars, care are elemente radioactive cu timp foarte mare de dezintegrare, astfel că, depozitarea trebuie făcută iniţial în bazine pentru răcirea acestuia şi apoi definitiv în recipiente rezistente la coroziune şi în locuri special amenajate.

Reziduuri organice. În mod normal, cea mai mare cantitate de reziduuri organice generate la sistemele de distribuţie rezultă din nevoia de a menţine accesul la echipamentele de transformare şi de distribuţie şi din necesitatea de a separa liniile electrice de vegetaţie.

Curăţarea terenului şi ajustarea/tunderea copacilor pot produce o mare cantitate de reziduuri care, în majoritatea zonelor urbane şi în unele dintre cele rurale, trebuie transportate şi îngropate în locuri special amenajate.

Alte tipuri de reziduuri solide. Această categorie o formează reziduurile solide rezultate din materiale de împachetat sau transport, sau din activităţi administrative, lucrări de construcţie şi întreţinere.

Hârtia de scris, de imprimantă şi diverse alte tipuri de hârtie au un volum de reziduuri solide destul de mic în comparaţie cu cantităţile produse de alte activităţi, însă cantitatea lor nu este de neglijat. Lucrul la construcţii, demolări sau lucrările de întreţinere, precum reparaţia utilajelor, produce reziduuri mixte de origine textilă.

Reziduuri gazoase

Arderea combustibililor fosili pentru producerea energiei electrice generează emisii gazoase. Acestea sunt tipice oricărui proces de ardere, însă tipul de combustibil folosit are un efect important asupra calităţii emisiei. Prin urmare, unităţile energetice şi, în special, cele care produc energia pe seama arderii combustibililor fosili, produc reziduuri sub formă gazoasă, cunoscute sub denumirea de poluanţi atmosferici. Poluanţii constituie o categorie aparte de reziduuri gazoase care se elimină de la centrală şi au efecte asupra unor zone întinse, pentru care sunt promulgate reglementări specifice.

Pentru analiza unitară, mai jos, se definesc cei mai cunoscuţi poluanţi atmosferici.


Gazele sunt fluide care ocupă întregul spaţiu al incintei în care se află şi pot fi lichefiate numai prin efectul combinat al presiunii mărite şi al temperaturii scăzute. Heliul, hidrogenul, monoxidul de carbon, oxidul de etilenă, formaldehida, sulfura de hidrogen şi radonul sunt exemple de gaze.

Vaporii sunt produsul evaporării substanţelor care, la temperatura camerei sunt totodată şi lichide, cum ar fi benzenul, toluenul şi stirenul. Vaporii pot fi şi produsul sublimării (evaporarea direct dintr-un solid) la temperatura camerei, ca de exemplu iodul ce apare la centralele nucleare. O sursă importantă de vapori o constituie turnurile de răcire de la centralele termoelectrice cu condensare.

Un aerosol este un sistem care constă din particule solide sau lichide suspendate, dispersate într-un curent de aer, de obicei în atmosferă. Aerosolii sunt generaţi de arderea, eroziunea, sublimarea, condensarea şi abraziunea materialelor, substanţelor organice şi a altor substanţe anorganice. Clasificarea aerosolilor depinde de natura lor fizică, dimensiunile particulelor şi de metoda de generare.

Prafurile sunt generate din materiale anorganice sau organice solide, ale căror dimensiuni sunt reduse prin procese mecanice cum ar fi aşchierea, sfărâmarea, măcinarea, pulverizarea şi alte acţiuni abrazive. Prafurile pot să provină din minerale anorganice ca azbestul, calcarul şi nisipul, din diverse metale, precum şi cel de şlam de canalizare. În amestec cu praful, mai ales cel cu bază organică, se găsesc deseori organisme microbiene. Cel mai adesea, particulele de praf au o formă oarecum sferică. Praful prezintă interes din punctul de vedere al acelor particule care au diametrul aerodinamic echivalent sub 10 mm, deoarece acestea rămân suspendate în atmosferă şi sunt respirabile. Diametrul aerodinamic echivalent este diametrul unei sfere ipotetice cu densitatea unitară, având aceeaşi viteză finală de sedimentare în aer ca şi particula în cauză, indiferent de dimensiunile geometrice, formă şi densitate reală.

Emisiile nocive sub formă de fum sunt produse prin reacţii chimice şi prin procese ca distilarea, combustia, calcinarea, condensarea şi sublimarea. Fumurile sunt solide atunci când rezultă prin condensarea substanţei solide din starea de vapori. Ca exemple, se dau emisiile de la sudură, asfalt fierbinte şi hidrocarburile aromatice polinucleare volatilizate în cursul operaţiilor de cocsificare. Când se evaporă un metal sau un material plastic, atomii sau moleculele se dispersează individual în aer şi formează un amestec gazos uniform. În aer, acestea se combină rapid cu oxigenul şi recondensează, formând particule foarte fine cu dimensiuni variind între 1.0 mm şi 0.0001 mm. Gazele de eşapament de la automobile şi ceaţa

de vopsitorie nu intră în categoria fumuri. Fumurile sunt produsele combustiei incomplete a materialelor ce conţin carbon. Particulele de fum au în general dimensiuni cuprinse între 0.3 şi 0.5 mm în diametru şi sunt caracterizate prin densitate optică.

Ceţurile sunt picături lichide suspendate. Acestea sunt generate prin condensarea de la starea gazoasă la starea lichidă sau prin pulverizarea mecanică a unui lichid spre starea dispersă prin procesele de pulverizare, stropire, spumare sau


"atomizare". Ca exemple, se dau ceaţa de ulei care se produce din fluidele de răcire în decursul prelucrării pieselor metalice şi ceaţa de solvent care se observă deasupra tancurilor de galvanizare. Unele ceţuri pot avea şi o componentă de vapori. Atunci când este necesar să se facă deosebirea între componenta sub formă de picături şi cea sub formă de particule a unui aerosol, se foloseşte termenul colectiv de material sub formă de particule.

Fibrele sunt particule care au lungimea mai mare decât grosimea. Ele pot fi generate din minerale cum ar fi azbestul şi din surse artificiale, printre care fibra de sticlă prezentă în materialele izolante termic, dacă compoziţia materialului se pretează dezintegrării care produce astfel de particule. În scopul clasificării, unor fibre li se atribuie un criteriu de dimensiune minimă, cunoscut şi ca raportul de

aspect, de exemplu particulele de azbest trebuie să aibă lungimea de cel puţin trei ori mai mare decât grosimea, pentru a fi considerate fibre. Se consideră că, în plămâni, fibrele se comportă diferit de particulele de formă sferică.

Compuşii organici volatili (COV) sunt definiţi ca substanţe organice, excluzând metanul, conţinând carbon şi hidrogen, care este substituit parţial sau total de alţi atomi şi care se găsesc în stare gazoasă sau de vapori în condiţiile funcţionale din instalaţii. Proiectul de directivă europeană completează diferitele definiţii care se referă la COV, adăugând că aceştia se comportă asemeni compuşilor organici având o tensiune a vaporilor mai mare sau egală cu 10 Pa la 273.15 K.

Poluanţii organici persistenţi (POP) sunt o categorie aparte de reziduuri gazoase ce apar din combustia produşilor fosili la temperatură ridicată. La instalaţiile energetice mai vechi izolaţia electrică a cablurilor este formată din materiale ce au în compoziţia lor POP, precum hidrocarburi aromatice policiclice (HAP), policrorobifenil (PCB), dioxid de furan, tetracloretilenă etc.

Odorizanţii sunt reziduuri de natură gazoasă, fiind percepuţi datorită senzaţiei de miros neplăcut provocată de un compus chimic, ca de exemplu hidrogenul sulfurat, dioxidul de sulf etc.

2.3. Strategii de reducere a reziduurilor

Regula de bază în reducerea reziduurilor este reciclarea şi reutilizarea oricărui tip de reziduu, care poate fi folosit ca materie primă pentru un alt produs finit. O alternativă pentru unităţile energetice este stabilirea cu furnizorii a unor programe de recuperare a materiilor prime.

Reducerea reziduurilor lichide

Reducerea reziduurilor lichide (ape reziduale) are următoarele efecte pozitive: 1) micşorarea costurilor de capital pentru noi sisteme de epurare sau pentru modernizarea celor existente; 2) scăderea cheltuielilor de funcţionare şi


întreţinere; 3) diminuarea cantităţii de materii poluante care intră în pânzele freatice de suprafaţă; 4) minimizarea complexităţii sistemului de tratare.

Un efect deosebit asupra reducerii reziduurilor lichide îl au anumite măsuri

de întreţinere locală şi, mai mult, modificări aduse echipamentelor sau proceselor

de producţie. Principalele măsuri de întreţinere locală, care conduc la reducerea

reziduurilor lichide, sunt: • evitarea pătrunderii uleiului în sistemele de colectare a apei uzate, prin

instalarea unor rigole sau structuri de colectare în jurul echipamentelor sau recipientelor, care ar putea avea scurgeri de ulei (de exemplu la transformatoare);

• eliminarea sau blocarea scurgerilor, prin sifoane de pardoseală, care colectează apa uzată de la operaţiile de spălare;

• limitarea cantităţii de apă contaminată în cadrul proceselor, prin înlocuirea curăţării prin spălare, prin operaţii mecanice, mai ales la colectarea cenuşii;

• evitarea folosirii furtunelor lungi, de la instalaţiile de stins incendii, deoarece acestea produc o cantitate de apă uzată, mult mai mare decât furtunele mici;

• limitarea volumului de apă de ploaie contaminată la contactul cu zona de lucru, prin construirea de rigole sau sisteme de captare/colectare, în jurul ariilor afectate ;

• apa de ploaie necontaminată poate fi deversată fără a fi necesară tratarea; • apa de ploaie contaminată poate fi apoi deversată spre un sistem de

tratare, împreună cu celelalte reziduuri; poate fi tratată separat sau tratată iniţial, pentru înlăturarea unor cantităţi mari de cenuşă sau ulei, apoi, combinată cu alte tipuri de reziduuri pentru tratare şi epurare;

• reducerea volumului de apă reziduală din zonele de descărcare a cenuşii, cu conţinut ridicat de solide, prin înlăturarea mecanică a reziduurilor.

Principalele modificări aduse echipamentelor sau procesului de producţie, care conduc la reducerea reziduurilor lichide, sunt :

• îmbunătăţirea dispozitivelor de etanşare hidraulică; • înlocuirea sistemelor de colectare şi transport hidropneumatic al cenuşii,

cu cele mecanice; • reciclarea unei cantităţi cât mai mari de apă de proces; • înlocuirea sistemele de răcire cu un singur circuit, cu răcirea intermediară

(cu două circuite) şi, în acest fel, se poate elimina pericolul contaminării apei cu ulei sau alte scurgeri;

• minimizarea suprafeţei utilizate pentru stocarea cărbunelui; • trecerea de la un sistem deschis, la unul închis, în ceea ce priveşte

spălarea cenuşii;


• utilizarea osmozei înainte de schimbul de ioni, pentru demineraliazare şi reducerea frecvenţei de regenerare;

• reducerea suprafeţei folosite pentru depozitarea cărbunilor ; • asigurarea unui bun sistem de scurgere, în jurul depozitelor de cărbuni,

pentru a reduce contactul apei de ploaie cu cărbunele şi pentru a reduce formarea acidului sulfuric.

Reducerea lubrifianţilor şi a altor fluide pe bază de petrol este realizată, în primul rând, prin programe de reciclare. Reciclarea uleiurilor reprezintă o practică curentă în anumite zone, iar majoritatea lubrifianţilor pe bază de petrol produşi în unităţile energetice poate fi inclusă în acest proces, deoarece cantităţile de reziduuri realizate de industria energetică nu justifică o reciclare internă.

Alte fluide pe bază de petrol, precum lichidele de frână, transmisie sau izolante sunt utilizate în cantităţi mari, dar această utilizare nu este limitată la industria energetică. Programele de reciclare pentru aceste materiale sunt adesea dezvoltate pe plan intern, iar costurile acestora trebuie comparate cu cele reclamate de depozitarea şi înlocuirea uleiurilor. Reciclarea poate cuprinde doar filtrare şi amestecare cu uleiuri noi.

La momentul extragerii uleiurilor de izolare din echipament, aceastea au suferit deja şocuri termice importante, care le-au alterat calităţile şi, de aceea, depozitarea lor poate fi mai ieftină decât reprocesarea.

Reducerea reziduurilor pe bază de petrol şi a altor fluide se realizează în primul rând prin programe de reciclare.

Reducerea reziduurilor solide

În cazul reziduurilor solide, există mai multe opţiuni de reciclare. În mod normal, reducerea volumului surselor de reziduuri solide nu este semnificativă, decât la schimbarea tipului de combustibil; de exemplu, o centrală care funcţionează cu combustibil solid cărbune, trece la folosirea combustibilului lichid, păcură, sau pe gaze naturale.

Cenuşa zburătoare este dispusă în halde, iar, dacă este de calitate, poate fi şi reutilizată. Cea mai comună utilizare a cenuşii zburătoare este ca agregat în ciment. În conformitate cu estimările actuale, 30 % din cenuşa provenită din cărbuni poate fi reutilizată. Din cantitatea reutilizată, aproximativ 40 % este folosită pentru beton şi 4 % pentru plombe de asfalt. Principala îngrijorare generată de reutilizarea cenuşii de cărbune este legată de potenţiala scurgere în mediu a metalelor grele conţinute. Domeniile de utilizare a cenuşii zburătoare sunt: beton şi produse de ciment, construcţia de drumuri, stabilizarea solului, materiale abrazive, dezăpeziri, plombe de asfalt. Dacă se doreşte reutilizarea, cenuşa zburătoare trebuie colectată în sisteme de transport uscate. Utilizarea cenuşii zburătoare ca substituent în ciment este cea mai comună reutilizare.

Unităţile energetice generează cantităţi mari de reziduuri metalice: cupru,


aluminiu, plumb şi metale feroase, titan, vanadiu. Sunt două metode primare prin care poate fi redus acest flux de reziduuri: utilizări interne şi reciclare. Cel mai mare potenţial o are reciclarea chiar dacă cererea de pe piaţa diferitelor metale variază considerabil.

Fierul este obţinut din cenuşa bituminoasă, prin extracţia de magnetită. Titanul este obţinut prin tratare cu clor la temperaturi înalte. Procedeele de extracţie a altor componente, inclusiv siliciu, aluminiu, calciu şi magneziu se află de asemenea în cercetare.

Aluminiul şi cuprul sunt extrem de comercializabile în comparaţie cu metalele feroase, care au preţuri foarte mici.

Cenuşa din termocentralele pe păcură poate conţine concentraţii mari de vanadiu, utilizat ca agent de întărire în producerea aliajelor de oţel. Cererea de vanadiu nu mai este însă la fel de mare ca în trecut, iar obţinerea vanadiului din această cenuşă a pierdut din interes.

Există şi probleme de altă natură: amplasare unităţilor energetice la distanţe mari faţă de locurile de recepţie a metalelor, existenţa izolaţiilor electrice, prezenţa metalelor în aliaje.

Accesul reciclatorilor de metal la aceste reziduuri poate fi îmbunatăţit prin următoarele măsuri:

• “nivelarea” valorilor metalelor prin includerea unor condiţii de reciclare a metaleleor ieftine, alături de metalele mai scumpe;

• “nivelarea” valorii pe unitate, în arii geografice, prin obligativitatea de a recicla metale scumpe din zone îndepartate, la acelaşi preţ pe unitate;

• procesarea internă a metalelor, incluzând sortarea şi curaţirea metalelor reziduale, acolo unde valoarea astfel recuperată justifică efortul.

Nămolul, provenit din desulfurarea gazului de evacuare, se reutilizează. Gipsul, principalul component al nămolului, este utilizat pentru: panouri, ciment, umplutură structurală, ameliorator agronomic şi sursă pentru industria sulfului. Costul mare al preparării pentru reutilizare, face ca aceasta să devină uneori neeconomică. În plus, cererea de gips va fi depăşită de marea cantitate produsă de instalaţiile de desulfurare.

Reziduurile organice. Adoptarea unor practici alternative de eliminare a resturilor obţinute prin tunderea pomilor, reziduuri rezultate în urma întreţinerii zonelor de acces şi a tunderii tufişurilor, pot oferi soluţii mai bune decât îngroparea lor. Uzinele angajează, de obicei, firme specializate pentru a îndeplini acest tip de muncă, iar deseori, aceste firme sunt obligate să se ocupe şi de eliminarea reziduurilor rezultate. Câteva metode de reducere a acestor reziduuri cuprind:

• măcinarea resturilor, chiar la locul unde se lucrează şi folosirea lor pentru a acoperi terenul (în zonele de acces);

• măcinarea resturilor şi transportarea lor la o unitate centrală de procesare, pentru distribuirea lor la public sau diferite organizaţii caritabile/fundaţii,


pentru folosirea sau revânzarea lor ; • dezvoltarea sau participarea în cadrul unor programe de compostare, în

colaborare cu organizaţii municipale sau comunitare; • includerea în contractul cu firma angajată, a unor clauze, potrivit cărora,

compostarea să fie inclusă în atribuţiile acesteia.

În plus, pot fi implementate programe de control a vegetaţiei cuprinzând: • selectarea speciilor poate fi utilizată pentru a descuraja creşterea

copacilor problemă; • erbicidele se pot folosi în zone potrivite din punct de vedere ecologic;

acest control chimic se combină cu controlul fizic pentru a întârzia recreşterea şi a reduce frecvenţa programelor de întreţinere;

• folosirea unor zone ca spaţiu cu alte destinaţii; • în zonele urbane, se pot oferi informaţii publicului despre speciile

potrivite de arbori ornamentali, care pot fi plantaţi lângă liniile electrice, pentru a reduce viitoare probleme; această metodă poate include şi reduceri de preţuri pentru clienţii care cumpară pomii potriviţi.

Adesea, cârpele folosite pentru curăţare pot fi spălate şi refolosite. Constrângeri cu privire la acest procedeu pot proveni, fie din cerinţe de puritate, în cazul curăţirii echipamentelor sensibile, fie că sunt îmbibate cu o substanţă greu de îndepărtat (ulei, vopsea). Cârpele pot fi spălate şi refolosite prin programe de returnare la producător (acesta spală cârpele sau le înlocuieşte).

Uzinele electrice primesc adeseori echipamente şi resurse pe paleţi, dar rareori au nevoie de paleţi pentru a expedia material. Paleţii tind să se acumuleze şi, cel mai adesea, sunt depozitaţi pe câmp sau arşi. Refolosirea la nivel intern poate fi încurajată prin standardizarea mărimii acestora. Dacă marimea standard este aceeaşi cu cea a furnzorilor externi, se poate găsi o piaţă pentru paleţii nedeterioraţi. O altă opţiune este folosirea unor paleţi făcuţi din materiale reciclabile.

Reciclarea filtrelor de ulei este disponibilă în multe zone. Filtrele de ulei sunt sparte, uleiul este recuperat şi reciclat, iar metalul de asemenea. Hârtia rezultată este, în general, incinerată. Unităţile de reciclare ale filtrelor de ulei pot fi suficient de rentabile, pentru a funcţiona la nivel local. La unele filtre, se poate păstra carcasa metalică, înlocuindu-se doar componentul de hârtie.

33.. II MM PP AA CC TT UU LL CC OO MM BB UU SS TT II BB II LL II LL OO RR

AA SS UU PP RR AA MM EE DD II UU LL UU II

Se numeşte ardere, procesul chimic de combinare a două substanţe, combustibil şi oxidant, care are loc cu degajare de căldură, provocând o creştere bruscă a temperaturii amestecului substanţelor aflate în reacţie (deosebindu-se astfel de arderea lentă). Oxidant poate fi orice substanţă care conţine şi care poate degaja atomi de oxigen în stare liberă.

Prin noţiunea de combustibil fosil se înţelege orice substanţă care conţine şi poate degaja liber elemente carburante în stare atomică. Din punct de vedere energetic, pentru ca o substanţă să fie folosită drept combustibil, aceasta trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: o să se combine exotermic cu oxigenul din aer, iar degajarea specifică de căldură

să fie cât mai mare; o să se găsească în cantităţi suficiente accesibile unei exploatări economice şi să

nu aibă o utilizare superioară arderii (de exemplu în petrochimie); o să-şi menţină constante în timp calităţile fizico-chimice şi tehnologice, pentru a

putea fi prelucrată; o să conţină, în cantităţi foarte reduse, substanţe, ca sulful sau vanadiu, care, prin

ardere, produc gaze cu acţiune nocivă asupra pereţilor metalici.

Combustibilii fosili se clasifică după starea de agregare (în solizi, lichizi şi gazoşi), provenienţă (în naturali şi artificiali), vârstă geologică, putere calorifică (în superiori, medii şi inferiori) etc.

Elementele ce intră în compoziţia unui combustibil fosil pot fi grupate în: masă combustibilă, masă minerală necombustibilă şi umiditate. Masa combustibilă este partea care nu este legată direct de balast, fiind compusă din carbon (C), hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) şi o parte din sulf (S). Masa minerală necombustibilă (A) provine din substanţele minerale, sulfaţi, oxizi, carbonaţi, oxizi metalici, săruri etc., care au intrat în combustibil. Umiditatea (W), se compune din cantitatea totală de apă din combustibil.

3.1. Combustibili energetici

Combustibili solizi. Din categoria combustibililor solizi cei mai utilizaţi în procesele energetice sunt cărbunii, iar dintre aceştia, cărbunele brun şi huilele; lemnele sunt folosite numai pentru scopuri de încălzire locală.

Cărbunele brun cuprinde mai multe grupe, funcţie de vârsta geologică şi


anume: brun lemnos (BL), numit şi lignit; brun mat (BM); brun pământos (BP); brun smâlos (BS); brun huilos (BH).

Huilele se întâlnesc sub formă de huilă cu flacără lungă (HL), huilă pentru gaz (HG), huilă grasă (HG), huilă pentru cocs (HC), huilă slabă sau semigrasă (HS) şi huilă antracitoasă (H/A).

Antracitul (A) este cel mai vechi cărbune natural, nu se utilizează în scopuri energetice şi are o putere calorifică apropiată de cea a combustibilul convenţional.

Caracteristicile tehnice şi energetice principale ale cărbunilor sunt:

• materiile volatile (V), respectiv cantitatea totală de gaze formate în procesul de transformare termică a masei combustibile (determinate prin încălzire timp de 7 min. la cca. 815 °C), care determină temperatura de aprindere a cărbunelui (practic egală cu cea a volatilelor), lungimea flăcării produse prin ardere şi prin aceasta, înălţimea focarului;

• cenuşa (Ai), care provine din masa minerală rămasă după arderea combustibilului, influenţează prin compoziţia sa chimică, temperatura de topire şi vâscozitate, acţiunea corosivă asupra focarului, evacuarea zgurii şi alegerea echipamentelor de desprăfuire;

• temperatura de curgere a cenuşii este temperatura la care corpul de probă curge pe placă şi influenţează sistemul de evacuare;

• vâscozitatea zgurii sau rezistenţa pe care o opune deplasării particulelor în timpul curgerii influenţează evacuarea lichidă;

• balastul reprezintă partea din combustibil care nu produce căldură prin ardere (suma dintre umiditate şi anorganic);

• puterea calorifică inferioară, Hi [kJ/kg] - cantitatea de căldură degajată prin arderea unităţii de combustibil, fără ca vaporii de apă să condenseze, se calculează funcţie de conţinutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate la starea iniţială;

• cenuşa raportată, ,1868.4

kJ

kg

i

irap

H

AA

⋅=

care influenţează tipul de

grătar şi modul de ardere (dacă Arap > 0.1; se recomandă grătare mecanice sau ardere pulverizată);

• umiditatea (Wi), reprezintă cantitatea de apă din combustibilul solid şi se compune din cea higroscopică sau internă, care leagă elementele chimice şi cea superficială sau externă, care depinde de condiţiile de depozitare; umiditatea influenţează capacitatea de alunecare la descărcare;

• rezistenţa de stocare reprezintă timpul în care cărbunele se degradează (se fărâmiţează), până la mărunţirea completă; influenţează timpul de stocare.

În tabelul 3.1 se prezintă compoziţia elementară la starea iniţială a unor cărbuni energetici uzuali din ţară.

Impactul combustibililor asupra mediului 53

Tabel 3.1.

Compoziţia elementară la stare iniţială a unor combustibili solizi din ţară

Compoziţia elementară [%]

Exploatarea minieră Ci

Hi

Si

Oi

Ni

Ai

Wi

sector 1 Ojasca sector 2 producţie curentă

25.2 27.2 27.5

2.1 2.3 2.3

2.3 2.3 2.5

9.0 9.8 9.8

0.7 0.9 0.7

17.2 16.7 22.7

43.5 40.8 34.5

sector 1 Ceptura sector 2 producţie curentă

28.9 28 30.5

2.3 2.4 2.7

2.3 3 3.3

10.7 9.3 10.9

0.8 0.9 0.8

18.8 23.6 20.5

36.2 32.8 31.3

Filipeşti sector 1 de sector 2 Pădure sector 3

21.9 23.4 24.5

1.8 2 2

1.4 1.5 3.9

8.1 8.8 8.5

0.3 0.3 0.5

25.8 31 25.3

40.7 33 35.3

sector 1 Doiceşti sector 2 sector 3 producţie curentă cu mult sulf

30.3 32.3 21.18 27 19.77

2.5 2.7 2.2 2.3 2

0.6 0.2 1.1 0.2 2.5

12.7 14.1 11.12 12.1 9.3

0.9 0.8 0.6 0.8 0.8

15.4 20.4 26.5 20.6 25

37.6 29.5 37.3 36.1 40.63

Schitu Goleşti 33.3 2.9 0.3 13.9 0.5 16.2 32.9 Cuceşti sector 1 producţie curentă

33.2 34.7

3.1 2.9

0.6 0.3

14.2 14.4

0.8 0.7

14.9 13.4

33.2 33.6

Borsec sector 1 sector 2

35.9 38.6

3 3.2

1.4 1.1

13.8 14.1

0.8 1

26.1 23.6

19 18.4

sector 1 Sărmăşag sector 2 sector 3

35.2 38.2 33.2

3 3.1 2.8

1.3 1.2 1.6

13.4 13.4 11.9

0.7 0.7 0.4

14.6 12 12.7

31.8 31.4 37.4

sector 1 Voevozi sector 2 sector 3

24.2 25.8 26.7

2.1 2.2 2.5

2.6 1.4 3.1

10.7 11.8 12.8

0.4 0.4 0.4

20.4 20.2 21.9

39.6 38.2 32.6

Corniţel sector 1 Borod sector 2 producţie curentă

22.6 21.3 19.1

2.1 2 1.8

2.7 2.9 3.3

8.8 8.3 7.2

0.3 0.4 0.3

26.5 29.3 30.7

37 35.8 37.8

Valea sector 1 Neagră sector 2

27.3 21.5

2.4 2

1.3 1.4

11.9 10.2

0.3 0.3

27.3 31.5

29.5 33.1

Caransebeş sector 1 sector 2

19.3 16.7

1.9 1.7

1.5 1.7

9.3 7.6

0.5 0.6

37.8 40.8

29.7 30.9

Sinersig 22.1 2.3 0.9 10.3 0.3 23.6 40.5 Cireşul 31 3 0.2 18.3 0.4 11.4 35.7 sector 1 Rovinari sector 2 producţie curentă

20.5 19.41 19.5

1.81 1.3 1.76

0.69 0.88 0.63

9.6 10.63 8

0.4 0.8 1.9

27 27 25.2

40 40 43

Horezu 21.9 2 1.56 8.24 1.3 24 41 Motru 19.3 1.8 0.73 0.6 1.7 28.3 41 Deşeuri de huilă 28.2 2.4 2.8 10.2 0.8 24 31.6 mediu Şisturi Anina 1 bituminoase Anina 2 Doman

10 11.49 10 13.34

1.8 1.86 1.6 1.68

1.2 0.87 0.7 0.42

8.2 6.65 5.5 8.24

1.5 0.21 3.7 0.24

72.5 74.9 72 72.76

5 4.1 6.5 3.32


Combustibilii lichizi. Sunt amestecuri de hidrocarburi lichide şi compuşi ai acestora cu oxigenul, sulful sau azotul, care se obţin prin distilarea fracţionată sau prin dizolvare din ţiţei (combustibil lichid natural) sau din şisturi bituminoase, [2].

Combustibilii lichizi se împart în, [1]: • benzine, amestecuri de hidrocarburi care fierb între 30°C şi 205°C şi se

folosesc la motoarele cu aprindere prin scânteie; • petroluri, amestecuri de hidrocarburi care fierb între 150°C şi 280°C,

clasificându-se după utilizare în: petrol lampant, petrol pentru tractor, petrol pentru reactor;

• motorine, amestecuri complexe de hidrocarburi mai grele, care fierb între 200°C şi 380°C şi se folosesc la motoare Diesel;

• păcuri, amestecuri de hidrocarburi grele care fierb între 300°C şi 550°C, având la temperatura mediului ambiant consistenţă vâscoasă, culoare neagră, tendinţă de oxidare (asfaltizare), utilizate cel mai frecvent, după o încălzire prealabilă, în instalaţiile de ardere;

• combustibil lichid uşor (de calorifer), amestec de produse petroliere (de regulă motorină şi păcură), care se foloseşte la instalaţiile de ardere de capacitate redusă.

Păcura este combustibilul lichid cel mai utilizat în instalaţiile de ardere ale generatoarelor de abur energetice. După conţinutul de substanţe parafinoase, păcurile pot fi parafinoase sau neparafinoase, iar după procentul de sulf din compoziţie, pot fi cu conţinut redus, mediu sau ridicat.

Caracteristicile energetice principale ale combustibililor lichizi sunt: • vâscozitatea - rezistenţa pe care o opune combustibilul lichid deplasării

particulelor lui în timpul curgerii, care pentru pompare, trebuie să fie de 30°E ÷ 90°E, iar pentru pulverizare, între 2÷3 °E;

• temperatura (punctul) de congelare - temperatura la care combustibilul lichid devine atât de vâscos, încât într-o epruvetă umplută cu lichid şi înclinată la 45°, timp de un minut, meniscul nu se deplasează;

• temperatura (punctul) de inflamabilitate - temperatura minimă la care, la presiune atmosferică normală, vaporii degajaţi în amestec cu aerul se aprind de la o sursă incandescentă;

• compoziţia elementară - participaţia masică a fiecărui component, rezultată în urma analizei tehnice imediate;

• conţinutul de impurităţi mecanice care trebuie să nu depăşească 1%, pentru a nu conduce la obturarea orificiilor de pulverizare;

• conţinutul de vanadiu, asociat pericolului formării pentoxidului de vanadiu V2O5 care corodează oţelul;

• conţinutul de sulf, asociat pericolului formării acidului sulfuros H2SO3 şi sulfuric H2SO4 cu acţiune foarte corosivă asupra suprafeţelor metalice;


• puterea calorifică inferioară - cantitatea de căldură degajată prin arderea unităţii de combustibil, fără ca vaporii de apă să condenseze; se calculează funcţie de conţinutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate, la starea iniţială;

În tabelul 3.2 se prezintă, [1,2], compoziţia elementară, la starea iniţială, a unor combustibili lichizi uzuali.

Păcura se fabrică în mai multe tipuri, diferenţiate prin gradul de vâscozitate şi temperatura de congelare. Notarea tipurilor de păcură se face, conform STAS 51-70, sub formă de fracţie, având la numărător vâscozitatea convenţională maximă la 50 °C, iar la numitor temperatura de congelare maximă admisă.

Tabel 3.2.

Compoziţia elementară a unor combustibili lichizi uzuali

Compoziţie C

[ % ]

H

[ % ]

S

[ % ]

O

[ % ]

N

[ % ]

A

[ % ]

W

[ % ]

Benzină 85 14.9 0.05 0.04 0.01 0 0 Petrol lampant 86 13.7 0.2 0.09 0.01 0 0 Combustibil motoare Diesel şi tractoare 86.27 13.3 0.3 0.1 0.01 0.01 0.01 Motorină 86.35 12.7 0.3 0.35 0.05 0.2 0.05 Păcură cu conţinut redus de sulf

87.1

11.2

0.6

0.4

0.3

0.2

0.2 Păcură cu conţinut mediu de sulf

86.7

11

1.5

0.4

0.3

0.2

0.2 Păcură cu conţinut ridicat de sulf

85

9.75

4

0.5

0.35

0.2

0.2 Combustibilii gazoşi. Sunt amestecuri de gaze combustibile, oxigen, azot şi

vapori de apă. După natura lor, combustibilii gazoşi pot fi:

• naturali, obţinuţi prin sondaje, din zăcăminte subterane, precum: gaze naturale libere, gaze de sondă;

• artificiali, obţinuţi prin prelucrarea cărbunelui sau a petrolului, rezultând gaze de gazogen, de furnal, de cocserie, din cracarea petrolului, din gazificarea cărbunelui etc.

Caracteristicile energetice principale ale combustibililor gazoşi sunt: • compoziţia volumetrică - explicitează participaţia volumetrică a fiecărui

component;

• densitatea [ ]3Nmkg ρ , având pentru gazul natural, valoarea 0.716

[ ]3Nmkg ;


• puterea calorifică inferioară [ ]∑=

⋅=n

jjj,ii XHH

1

3NmkJ , unde Xj sunt

participaţiile volumetrice ale componentei j a combustibilului, iar

[ ]H i j, kJ mN3 , sunt puterile calorifice inferioare ale componentei j;

• temperatura de autoaprindere a gazului în amestec cu aerul - temperatura la care are loc autoaprinderea instantanee şi explosivă, fără a exista o sursă incandescentă de aprindere;

• temperatura de aprindere - temperatura la care are loc aprinderea de la o sursă incandescentă, iar arderea este normală.

În tabelul 3.3 se prezintă compoziţia unor gaze naturale libere din Ardeal, [2], iar în tabelul 3.4 compoziţia unor gaze de sondă din ţară, [1,2].

Tabel 3.3.

Compoziţia unor gaze naturale din Ardeal

Compoziţia [[[[%]]]] din volum

Câmpul de sonde aer CO2 CH4 C2H6

Saraş 0.69 - 98.51 0.80 Botorca 0.12 - 99.88 - Sărmăşel 0.7 0.1 99.2 -

Tabel 3.4.

Compoziţia unor gaze de sondă din ţară

Compoziţia [[[[%]]]] din volum

Denumirea gazului CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 CO2

Gaz bogat de Boldeşti Prahova

78.00 9.24 6.23 3.46 1.10 1.77 0.2

Gaz sărac de Moreni Gura Ocniţei

95.93 1.19 1.35 0.73 0.46 0.34 -

Gaz sărac de Măneşti Vlădeni

99.80 - - - - - 0.20

Gaz sărac de Ariceşti 95.00 2.00 - - - - 3.00

Gazul natural din Ardeal are caracteristici foarte apropiate de cele ale gazului metan pur, motiv pentru care de cele mai multe ori este cunoscut sub această denumire. Gazul metan este incolor şi inodor, dar din motive de securitate, se odorizează cu mercaptan.

Gazele de sondă sunt amestecuri de hidrocarburi aflate în aproprierea zăcămintelor de petrol şi exploatabile concomitent cu acestea sau după epuizarea ţiţeiului.


3.2. Noxe produse în procesul de ardere al

combustibililor

Procesul de ardere a combustibilului se desfăşoară organizat, în focarul generatorului de abur, camera de ardere a turbinei cu gaze, cilindrul motorului cu ardere internă.

Arderea combustibilului este, în esenţă, un proces de oxidare, a cărui complexitate nu poate fi descrisă prin ecuaţii simple. Calculul cantităţilor de aer necesare arderii şi al produselor de ardere se face cu relaţii de bilanţ material, pe baza ecuaţiilor chimice stoichiometrice globale.

Compoziţia chimică pentru un combustibil solid sau lichid se poate prezenta sub forma:

100 = x+x+x+x+Sx+x+Cx WANOcH (3. 1)

unde xi [%] este conţinutul procentual respectiv: xC - de carbon; xH - de hidrogen; xSc - de sulf combustibil; xN - de azot molecular; xA - de anorganic (masă minerală necombustibilă); xW - de umiditate.

Compoziţia chimică pentru un combustibil gazos se poate prezenta sub forma:

100 = x+x+x+x+x+x+x+x

... +x+x+x+x+x+x+x+x+x

14H6C6H6C12H5C10H4C8H4C8H3C6H3C6H2C

4H2C2H2CS2H2HCO2N2O2CO4CH (3. 2)

unde xi [%] este conţinutul procentual respectiv: xCH4 - de metan; xCO2 - de bioxid de carbon; xO2 - de oxigen molecular; xN2 - de azot molecular; xCO - de oxid de carbon; xH2 - de hidrogen molecular; xH2S - de hidrogen sulfurat; xC2H2 - de acetilenă; xC2H4 - de etilen; xC2H6 - de etan; xC3H6 - de propilen; xC3H8 - de propan; xC4H8 - de butilen; xC4H10 - de butan; xC5H12 - de pentan; xC6H6 - de benzen; xC6H14 - de hexan.

Puterea calorifică inferioară, Hi, a combustibilului solid sau lichid, având compoziţia chimică prezentată mai sus, se poate calcula cu relaţia:

,6258

2808118.4kg

kJ i

iii

ii

⋅−⋅+

−⋅+⋅⋅=

WS

OHCH

(3. 3)

unde Ci, Hi, Oi, Si, Wi reprezintă conţinutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate, la starea iniţială.

Puterea calorifică inferioară, Hi, a combustibilului gazos, având compoziţia chimică prezentată mai sus, se poate calcula cu relaţia:


,100

1

m

kJ

146146

6666

125125

104104

8484

8383

6363

6262

4242

2222

44

22

22

3N

⋅+⋅+⋅

+⋅+⋅+⋅+

⋅+⋅+⋅+⋅

+⋅+⋅+⋅+⋅

⋅=

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

HCiHC

CHiCH

SHiSH

HiH

COiCO

i

HxHxHx

HxHxHx

HxHxHxHx

HxHxHxHx

H

(3. 4)

unde

3Nm

kJ j

iH este puterea calorifică inferioară a componentei j (j fiind respectiv

CO, H2, H2S, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, C4H8, C4H10, C5H12,

C6H6, C6H14). Valorile uzuale ale puterii calorifice inferioare, în [ ]3NmkJ , sunt

respectiv: 12620=COiH ; 233542 =H

iH ; 233542 =SHiH ; H i

CH 4 35764= ;

5687022 =HCiH ; 5899042 =HC

iH ; H iC H2 6 63670= ; Hi

C H3 6 85890= ;

HiC H3 8 91138= ; 11337084 =HC

iH ; 118500104 =HCiH ; 145900125 =HC

iH ;

14020066 =HCiH ; 173190146 =HC

iH .

Se precizează că puterea calorifică inferioară a combustibilului convenţional, la care se pot raporta toţi combustibilii, este de cca. 29307 kJ/kg (7000 kcal/kg).

Volumul teoretic de aer uscat necesar arderii, 0

aV , este:

• pentru combustibil solid sau lichid,

,i03330i2650i3750i08890kg

3Nm

0 O.H.Sc.C.Va ⋅−⋅+

⋅+⋅=

(3. 5)

• pentru combustibil gazos,

,

21465.9

665.7

1258

1045.6

846

835

635.4

625.3

423

225.2

42

25.1

25.05.0

21

13N

m

3N

m 0

−⋅+⋅+⋅+⋅

+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅

+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅

⋅=

Ox

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

CHx

SHx

Hx

COx

aV

(3. 6)

unde, în plus, xO2 este conţinutul procentual de O2.

Volumul teoretic de aer umed necesar arderii, 0 , umaV , este:


, 3418015

9645281

kg

m 0

3N0

aaerum,a Vx.

.V ⋅

⋅+=

(3. 7)



,18015.34

28.9645+1=

m

kJ 0

3N

0 aaerum,a VxV ⋅

⋅

(3. 8)

unde xaer [g/kg] este conţinutul de umiditate al aerului.

Volumul teoretic de bioxid de carbon, CO2, rezultat din ardere, 02COV , este:


, 100

i8671

kg

3Nm

02

C.VCO =

(3. 9)


( )( ) ( )

( ),

146666

1255

104844

83633

6242222

42

100

13N

m

3N

m 0

2

+⋅+⋅

++⋅++⋅

+++⋅++⋅+

⋅=

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

CHx

COx

COx

COV

(3. 10)

Volumul teoretic de bioxid de sulf, SO2, rezultat din ardere, 02SOV , este:


,100

i8671

kg

3Nm

02

cS.VSO ⋅=

(3. 11)


,22

100

13Nm

3Nm

02

SHxVSO ⋅=

(3. 12)

Volumul teoretic de azot, N2, introdus şi rezultat din ardere, 02NV , este:


,0.79+ 100

i

28

41422

kg

3Nm

002 aN V

N.V ⋅⋅=

(3. 13)



,0790100

23Nm

3Nm

02 aV.Nx

VN ⋅+=

(3. 14)

Volumul teoretic (minim) de gaze de ardere uscate, 0gV , este:

• pentru combustibil solid sau lichid ,

, +kg

3Nm

02

02

02

0NSOCOg VVVV +=

(3. 15)


, +3Nm

3Nm

02

02

02

0NSOCOg VVVV +=

(3. 16)

Volumul teoretic de apă, H2O, introdus şi rezultat din ardere, 02OHV , este:


, 0a1000

aer100

i

100

iH9

18

41422

kg

3Nm

02

⋅++⋅⋅=

VxW.

V OH

(3. 17)


( )( ) ( ) ,

1467

1256

1045

84834

6663623

4242

2222

100

13N

m

3N

m 0

2

⋅+⋅+⋅

++⋅+++⋅

++⋅++⋅+

⋅=

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

HCx

CHx

HCx

SHx

Hx

OHV

(3. 18)

Volumul teoretic de (minim) de gaze de ardere umede, 0

um,gV , este:


, kg

3Nm

02

00OHgum,g VVV +=

(3. 19)



,3Nm

3Nm

02

00OHgum,g VVV +=

(3. 20)

Volumul real de aer umed necesar arderii, um,aV , este:


, kg

3Nm

0um,afocarum,a VV ⋅α=

(3. 21)


, 3Nm

3Nm

0um,afocarum,a VV ⋅α=

(3. 22)

unde focarα este coeficientul de exces de aer în focar, care are următoarele valori

uzuale: 1.02÷1.05 pentru gaze şi păcură; 1.15÷1.25 pentru cărbune pulverizat; 1.25÷1.4 pentru cărbune ars pe grătar; 1.6÷2 pentru gunoi.

Volumul real de azot, N2, introdus şi rezultat din ardere, 2NV , este:


( ) , 1 0.79 + kg

3Nm

0022 acosNN VVV ⋅−α⋅=

(3. 23)


( ) , 1 0.79 + 3Nm

3Nm

002

02 acosNN VVV ⋅−α⋅=

(3. 24)

unde α∆+α=α focarcos este coeficientul de exces de aer la coş, iar α∆ sunt

infiltrările pe traseul focar-coş, care au următoarele valori uzuale: 0.2 în preîncălzitorul de aer rotativ; 0.1 în filtrele de cenuşă şi instalaţia de desulfurare; 0.02÷0.04 prin neetanşeităţile focarului şi canalului convectiv.


Volumul real al gazelor de ardere uscate rezultate din ardere, gV , este:


( ) , 1kg

3Nm

00acosgg VVV ⋅−α+=

(3. 25)


( ) , 13Nm

3Nm

00acosgg VVV ⋅−α+=

(3. 26)

Volumul real de apă, H2O, introdus şi rezultat din ardere, OHV 2 , este:


, 1000

aer100

i

100

i9+

18

41422

kg

3Nm

02

⋅α⋅++⋅=

acosOH VxWH.

V

(3. 27)


( ) ,Vx.

VV acosaer

OHOH00

22 11000

05123Nm

3Nm

⋅−α⋅⋅

+=

(3. 28)

unde , aerx este umiditatea aerului introdus pentru ardere, ce se poate considera cca. 10 g/kg.

Volumul real al gazelor de ardere umede rezultate din ardere, um,gV , este:


, kg

3Nm

2OHgum,g VVV +=

(3. 29)


, 3Nm

3Nm

2OHgum,g VVV +=

(3. 30)


Volumul de oxigen rămas, după ardere, în gazele de ardere, 2OV , este:


( ) , 1 210kg

3Nm

02 acosO V.V ⋅−α⋅=

(3. 31)


( ) 1 2103Nm

3Nm

02 acosO V.V ⋅−α⋅=

(3. 32)

O problemă deosebilă, cu impact asupra mediului, se produce în cazul arderii incomplete. Arderea se numeşte incompletă când o parte din combustibil rămâne nears sau arde, astfel încât, o parte din produsele arderii, constituie componente combustibile. Deoarece dintre elementele principale constitutive ale combustibililor, carbonul arde cel mai greu, rezultă că, în cazul arderii incomplete, carbonul va rămâne, fie nears, producând funingine, fie se va transforma parţial în oxid de carbon, cu degajare mult mai mică de căldură.

Cauzele arderii incomplete pot fi: 1) lipsa de oxigen; 2) repartiţia neuniformă a aerului; 3) răcirea bruscă a camerei de ardere; 4) amestecarea defectuoasă a combustibilului cu aerul. Funinginea este o consecinţă a arderii incomplete şi este constituită din granule fine de carbon.

3.3. Impactul instalaţiilor de alimentare cu combustibil a

centralelor termoelectrice

În mod uzual, în centralele termoelectrice combustibilul utilizat este gazos, lichid sau solid. Funcţie de tipul combustibilului şi capacitatea centralei, apar instalaţii specifice şi cicluri diferite de preparare a combustibilului, care au impact asupra mediului, prin dimensiunea instalaţiei (teren ocupat), prin poluanţii rezultaţi din procesul de depozitare şi stocare şi, nu în ultimul rând, prin reziduurile rezultate, în cantităţi mari, care necesită depozitarea (zgură, cenuşă).

Instalaţii de alimentare cu combustibil gazos

Dezavantajul principal al utilizării gazelor drept combustibil de bază este posibilitatea redusă de stocare, astfel încât generatoarele de abur alimentate cu combustibil gazos sunt înzestrate şi cu dispozitive pentru arderea unui combustibil de rezervă (de regulă păcura).


Funcţiile instalaţiei de combustibil gazos se reduc la asigurarea unei presiuni cât mai constante a gazelor în faţa arzătoarelor, la contorizarea şi la asigurarea măsurilor de protecţie împotriva exploziilor. Măsurile de protecţie vizează asigurarea împotriva creşterii sau reducerii presiunii gazelor şi admisiei necontrolate în focar.

Alimentarea cu combustibil gazos se face în flux continuu, fără stoc, iar singura acumulare, ce compensează oarecum variaţiile între producţie şi consum, o constituie volumul conductelor de transport.

Acumularea de gaze are loc la nivel regional sau naţional prin prevederea unor stocuri subterane cu volum constant şi presiune variabilă sau constantă.

Gazele sunt aduse la centrală prin două conducte magistrale, 2 x 60 %, din consumul nominal de gaze. Alimentarea generatoarelor de abur se face prin staţii de reducere şi reglare a presiunii, astfel încât în faţa arzătoarelor să fie o suprapresiune de 0.2÷0.6 [bar]. La intrarea în acestea sunt filtre separatoare de apă şi nămol.

Staţia de reglare a presiunii poate avea una sau două trepte de reducere, funcţie de presiunea la care este racordată, pentru evitarea vitezelor supracritice.

Viteza gazelor este limitată la 60 ÷ 80 [m/s], pe conductele magistrale şi la 20÷30 [m/s], pe conductele spre generatorul de abur, din cauza pierderilor de presiune şi a zgomotului.

Conductele de gaze sunt izolate fonic, împotriva zgomotului, şi termic, împotriva pierderilor de căldură, care ar putea să conducă la condensarea apei (eventual chiar îngheţarea), strangulând astfel secţiunea conductei de transport.

Staţia de reglare a presiunii este amplasată la marginea centralei şi aparţine furnizorului. În figura 3.1 este prezentată o staţie de reglare a presiunii cu două trepte, în care: 1- conductă magistrală; 2 - filtru separator de apă şi nămol; 3 - instalaţie de reducere a presiunii, treapta 1; 4 - instalaţie de reducere a presiunii, treapta 2; 5 - contor măsură; 6 - colector ieşire; 7 - supapă de siguranţă.

Fig.3.1. Staţie de reglare cu două trepte


La turbină se prevede o uşoară încălzire a gazului în schimbătorul de căldură, Sch, pentru că, prin destinderea gazelor în turbină, temperatura s-ar reduce prea mult.

Instalaţii pentru alimentarea cu combustibil lichid

Combustibilul lichid folosit pentru generatoarele de abur industriale este în general păcura, produs rezidual obţinut din rafinarea ţiţeiului. Păcura este transportată, în mod normal, cu cisterne de cale ferată, având capacităţi între 20 şi 50 t; în unele situaţii (de exemplu la CET Palas), transportul se face direct prin pompare pe conducte. Cisternele de păcură sunt prevăzute cu serpentine interioare de încălzire. Instalaţia de combustibil lichid trebuie să asigure aprovizionarea optimă a centralelor cu păcură, descărcarea vagoanelor cisternă, depozitarea în condiţii de siguranţă, alimentare cu combustibil lichid a injectoarelor generatoarelor de abur.

Funcţiile instalaţiei de alimentare cu combustibil lichid sunt: 1) încălzirea; 2) descărcarea; 3) decantarea şi filtrarea; 4) pomparea; 5) depozitarea; 6) distribuţia la arzătoare.

Încălzirea, necesară pentru fluidizarea păcurii, se face generalizat cu abur şi deosebim: a) încălzirea vagoanelor cisternă, sau a cisternelor auto, care transportă păcură, până la fluidizare (circa 25÷50 ºC), realizată în marea majoritate a cazurilor cu abur având presiunea de 1.2 bar; b) încălzirea până la temperatura de pompare; c) încălzirea pentru pregătirea pulverizării realizată cu abur, având presiunea < 6 bar pentru păcuri vâscoase şi 13÷16 bar pentru păcuri foarte vâscoase. Încălzirile de tip b) şi c) se realizează în schimbătoare de căldură de suprafaţă.

În mod uzual durata de descărcare este de aproximativ 4 ore, pentru o garnitură. Debitul de abur necesar descărcării păcurii, este de circa 0.15 kg/s vara şi 0.3 kg/s iarna. Acest debit de abur poate proveni direct din circuitul termic (de la prizele fixe ale turbinei sau din staţii de reducere răcire), din transformatoare de abur (folosind ca sursă primară abur din circuitul termic), sau poate fi produs în generatoare de abur separate, de joasă presiune. În cazul în care vagoanele cisternă nu au în interior serpentine de încălzire, rampa de descărcare trebuie dotată cu serpentine mobile, ce trebuie să poată fi legate la sursa de abur în exteriorul vagonului. Nu se recomandă ca aburul introdus pentru încălzire să rămână în masa păcurii şi cu atât mai mult încălzirea prin barbotare, deoarece creşte conţinutul de apă din păcură, decât în cazul păcurilor foarte vâscoase.

Descărcarea păcurii se realizează în staţia de descărcare, dimensionată funcţie de consumul maxim zilnic de combustibil, considerând cel mult două cisterne pe zi pentru fiecare gură de descărcare. Staţia cuprinde 2÷4 linii de descărcare, trenul fiind poziţionat la punct fix, iar legătura dintre vagon şi gura de descărcare se realizează prin furtune flexibile, care pot fi etanşe numai la o extremitate (vagon sau conductă de descărcare), sau la ambele.

Înainte de a începe operaţia de descărcare, vagoanele cisternă se asigură contra deplasării şi descărcărilor electrice.


Decantarea şi filtrarea este necesară pentru protecţia pompelor şi reducerea depunerilor în schimbătoarele de căldură şi injectoarele de pulverizare a păcurii în focar. Decantarea se realizează în principal la rampa de descărcare şi în rezervoarele de stocare. Filtrarea este realizată în două trepte, respectiv o filtrare grosieră pentru protecţia pompelor şi o filtrare fină pentru protecţia injectoarelor. Atât filtrele grosiere, cât şi filtrele fine sunt dimensionate cu rezervă, pentru a permite succesiv curăţirea lor.

Pomparea poate fi de joasă presiune, necesară pentru transportul păcurii şi de înaltă presiune, necesară pulverizării păcurii.

Sunt utilizate pompe volumetrice cu roţi dinţate, pentru transport, iar pentru pulverizare sunt folosite pompe centrifuge, în mai multe trepte, care asigură presiunea necesară la injectoare. Pentru siguranţă se asigură o dublă sursă de alimentare a motoarelor electrice ale pompelor. Conform normelor de protecţie contra incendiilor, în staţiile de păcură totalitatea motoarelor electrice, aparatelor electrice şi de iluminat sunt capsulate (de tip etanş), rezistente la explozii. Sunt prevăzute stingătoare fixe cu spumă, verificate conform normelor de protecţie contra incendiilor.

Depozitarea păcurii se realizează în minimum două rezervoare. Depozitele mici pot fi realizate numai cu două rezervoare subterane, cele mijlocii cu rezervoare subterane de descărcare şi un număr de rezervoare supraterane de stoc, iar cele mari numai cu rezervoare supraterane metalice. Rezervoarele subterane sunt din beton armat, de forma unui cilindru plat sau prismatică, cu baza dreptunghiulară, şi pot fi îngropate sau semiîngropate, cu un volum util de 500÷5600 m3. Rezervoarele supraterane sunt metalice de forma cilindrică cu ax orizontal, cu o un volum util de 10÷50 m3 şi cu ax vertical, având un volum util de 100÷20000 m3. Volumul util a unui rezervor este doar de 75÷80 % din volumul geometric al acestuia.

Temperatura păcurii din rezervor trebuie să fie cu circa 10 °C mai mare decât punctul de congelare (curgere), astfel încât aceste rezervoare sunt prevăzute cu schimbătoare de căldură. Pentru perioade de depozitare de peste 10 zile, se recomandă ca temperatura să nu depăşească 60 °C, pentru a inhiba îmbătrânirea păcurii (precipitare asfaltene).

Încălzirea păcurii la aspiraţia în pompe se face până la 70÷80 °C şi se menţine constantă printr-un regulator de temperatură sau vâscozitate. Aceste schimbătoare de căldură (de aspiraţie) sunt înconjurate de un tub pentru ca energia termică să nu difuzeze prea mult în masa de păcură.

Temperatura peretelui schimbătoarelor de căldură nu trebuie să depăşească temperatura de cocsificare a păcurii (circa 200 °C).

Schema unui rezervor suprateran vertical de păcură este prezentată în figura 3.2, în care: 1 – rezervor; 2 – capac; 3 – intrare păcură; 4 – ieşire păcură; 5 – încălzire păcură; 6 – indicator de nivel; 7 – stingere foc interior; 8 – sistem stropire exterior; 9 – postament; 10 – sol.


Fig.3.2. Rezervor de păcură suprateran

Rezervoarele de păcură se protejează în exterior contra coroziunii datorate agenţilor atmosferici, iar solul pe care sunt amplasate trebuie să fie mai jos decât restul construcţiilor, rezistent şi netasabil.

Prevenirea incendiilor se face prin reducerea efectului radiaţiilor solare cu sistemul de stropire exterior, acoperirea cu pământ sau îndiguiri, sisteme de stingere a incendiilor în interior cu spumă sau apă, fixarea de distanţe obligatorii între rezervoare şi faţă de restul clădirilor. Digurile ce împrejmuiesc rezervoarele constituie cuve de retenţie, au înălţimi de 1÷2.5 m, trebuie să fie rezistente la solicitări mecanice şi termice în timpul avariilor şi incendiilor (minim 4 ore rezistenţă la foc).

Distribuţia la arzătoare se realizează prin schemele instalaţiilor de păcură pentru alimentarea injectoarelor. Pe conducta spre fiecare bloc energetic este prevăzut un ventil de închidere rapidă. Instalaţia exterioară de păcură este prevăzută cu rezervoare de drenaje şi pompe de evacuare aferente.

Totalitatea traseelor de păcură cu excepţia colectoarelor din staţiile de păcură, sunt încălzite.

Instalaţii pentru combustibil solid

Combustibilul solid utilizat cu precădere în centralele termoelectrice clasice este cărbunele; o utilizare mai redusă având şisturile bituminoase.

Cei mai utilizaţi cărbuni la centralele termoelectrice, potrivit gradului de incarbonizare, sunt cărbunii bruni (în special lignitul) şi huila.

Ciclul combustibilului solid se prezintă în figura 3.3. Durata ciclului este de ordinul orelor pentru extracţie şi consum, de ordinul minutelor pentru preparaţie, ameliorare, de ordinul orelor sau zilelor pentru transport şi ajunge la ordinul lunilor în stoc. De menţionat că extracţia din mină se caracterizează printr-o calitate a cărbunelui relativ constantă, determinată de natura zăcământului, pe când la extracţia din carieră calitatea este variabilă în funcţie de procedeu şi starea atmosferică.


Fig.3.3. Ciclul combustibilului solid

Totodată, stocul tampon este obligatoriu, iar cel în derivaţie poate să lipsească. La consum se realizează un stoc în buncării de cărbune, de ordinul a 4÷8 ore. Realizarea stocului de cărbune presupune o suprafaţă de teren care se scoate din circuitul agricol, având impact asupra mediului prin praful de cărbune antrenat de vânt, infestarea pânzei freatice, prin scurgerea apei de ploaie şi degajările de noxe în caz de incendiu.

Operaţia de aducere a cărbunelui poate fi continuă sau discontinuă. Aducerea continuă se realizează cu benzi de transport, cu funicularul sau hidraulic. Aducerea discontinuă se face prin transport rutier (cu autocamioane pe pneuri), pe cale ferată (cu vagoane), maritim sau fluvial.

Stocarea cărbunelui. Cantitatea de cărbune din stocul de descărcare trebuie să acopere întreruperile sistematice şi/sau aleatoare între aprovizionare şi consum. Acesta se dimensionează pentru 1÷3 zile de funcţionare. Pentru stabilirea volumului stocului ar trebui făcut un calcul de risc, care să cuantifice riscurile datorate accidentelor sau grevelor la sursă şi la transport, precum şi întreruperile datorate intemperiilor.

Din acest motiv trebuie ca în stocul de cărbune să fie o cantitate de cărbune BA, care depinde de durata maximă posibilă a întreruperii alimentării cu cărbune,

nZ şi de consumul maxim zilnic al centralei, maxzB , prin relaţia .max

zzA BnB ⋅=

Consumul maxim zilnic maxzB rezultă din consumul orar maxim al fiecărui

grup,

∑=

⋅σ=⋅σ=cazn

iBBB

1

hcazanmax,

zimax

hsc

zimax

maxz

(3. 33)

unde: σmax

zi - echivalentul timpului de funcţionare la plină sarcină (20 h / zi nu 24 h /

zi); [t/h] hscB - consumul orar al sălii generatoarelor de abur; [t/h] h

cazanmax,B - consumul


orar al unui generator de abur. Consumul orar are o valoare nominală pentru puterea

calorifică inferioară nominală, nomiH , care se asigură cu o probabilitate de 97÷98 %.

Durata maximă a întreruperii alimentării pentru dimensionare se consideră: 6 zile pentru o distanţă de transport sub 50 km şi o întrerupere de sub trei zile; 10 zile pentru o distanţă de transport sub 50 km şi o întrerupere de 3÷5 zile, sau distanţa de transport de 50÷150 km şi o întrerupere de sub trei zile; 15 zile pentru o distanţă de transport de 50÷150 km şi o întrerupere de 3÷5 zile, sau distanţa de transport peste 150 km şi o întrerupere de sub trei zile; 20 zile pentru distanţă peste 150 km şi o întrerupere de 3÷5 zile. Deci nz este numărul de zile de funcţionare la plină sarcină pentru care se dimensionează stocul la descărcare.

Începutul iernii trebuie să găsească depozitul de cărbune plin,

Bdepozit = nz. (Ba+ stocB∆ +Bmin.depozit+Bamestec) (3. 34)

unde: Ba - stoc aleator depinzând de aprovizionare datorită riscului; ∆Bstoc - stocare în perioada de exces de aprovizionare, rezultând din diferenţele între aprovizionare şi consum ştiut fiind că iarna produc mai multă energie cu un consum mai mare de combustibil şi vara mai puţină energie, deci şi mai puţin cărbune consumat; Bmin.depozit - rezerva minimă pentru cazuri excepţionale, similară cu rezerva din lacurile de acumulare; Bamestec - cantitate necesară pentru amestecare în vederea omogenizării.

Principiul de dimensionare a tuturor instalaţiilor de după stoc este de rezervare 100 %, prin urmare va fi o instalaţie în funcţiune şi una în rezervă.

Volumul depozitului V, în m3 este:

[ ] ,B

..Vcarbune ][t/m

[t]2111m 3

depozit3

ρ÷=

(3. 35)

cu [ ]3t/m 18.0 −=carbuneρ (la lignit 1÷1.1, iar la huilă 0.8).

Depozitul de cărbune va fi format din cel puţin 2 stive, situate la distanţă faţă de alte instalaţii şi clădiri, conform normelor de protecţie împotriva incendiilor.

Stivele de cărbuni se fac cu cărbune având caracteristici fizico-chimice apropiate.

Înălţimea maximă a cărbunilor netasaţi vor avea maximum 6÷8 m, fiind în stive descoperite. Pentru depozite cu volume mai mari de 10000 t este necesară compactarea cărbunilor în straturi. Înălţimea depozitului în stive sub şoproane este de 2 m la lignit şi 3÷4 m la huilă. Pentru cele descoperite înălţimea stivei este de 2.5÷6 m.

Degradarea cărbunelui la stocare. Prin stocare, cărbunele se degradează datorită umidificării, pierderii în timp a volatilelor, sau prin autoaprindere.

Umidificarea poate fi redusă numai prin măsuri de exploatare precum: • preluarea din depozit în tranşee verticale după ce suprafaţa exterioară a

stivei a fost protejată împotriva umidificării;


• suprafaţa de depozitare se acoperă cu piatră sau beton şi în jur se fac şanţuri de scurgere;

• stivele se taluzează, iar la partea superioară şi la baza taluzelor, se formează şanţuri, pentru scurgerea apei.

Pierderea volatilelor se produce prin încălzire de la radiaţia solară. Prevenirea pierderii volatilelor se face prin compactarea stratului.

Autoaprinderea cărbunelui este prin definiţie un proces de oxidare lentă în contact cu aerul, fiind un fenomen exotermic.

Viteza de reacţie depinde de temperatură fiind lentă sub 40 °C şi crescând rapid după aceea (vezi figura 3.4), astfel că la depăşirea valorii de 60 °C pot apărea centre de foc. Din această cauză se urmăreşte temperatura prin sonde de ţevi de oţel îngropate în cărbune până la fundul stivei, în care se coboară termometre, măsurând temperatura din 2 în 2 m adâncime, de obicei săptămânal. La depăşirea temperaturii de 40 °C controlul se face la interval de 12 h iar dacă temperatura depăşeşte 60 °C cărbunele se consumă imediat.

Fig.3.4. Variaţia vitezei de reacţie

Pentru a evita autoaprinderea, mai ales la depozite cu durate mari, cele pentru iarnă, se iau următoarele măsuri:

• depozitul se face cu cărbune concasat (granulaţie de cca. 30 mm); • stiva se compactează pentru a evita contactul cu aerul prin aşezarea

cărbunilor în straturi tasate cu buldozere sau cilindri cu o presiune de 2,5÷3 daN/cm2;

• se evită introducerea materialelor străine în cărbuni, în special lemn; • stivele se acoperă cu un strat de bitum care este eficient totodată şi

împotriva umidificării.

Pentru alimentarea instalaţiilor de ardere a cărbunelui pulverizat este necesară concasarea acestuia. Operaţia de concasare este în fond o strivire mecanică ce produce un nivel de zgomot ridicat şi totodată poluează aerul cu particule fine. Motorul concasorului este alimentat de pe bara de 6 kV; acesta este necesar să fie capsulat, pentru a evita intrarea prafului şi pericolul de explozie.

Se folosesc următoarele tipuri de mijloace de transport intern al

cărbunelui: a) transportoare cu bandă; b) elevator cu cupe; c) cu lanţuri cu racleţi.


Transportul cărbunelui este o sursă de poluare fonică şi prin particule antrenate de vânt. De asemenea, este o zonă de operare, pentru personalul de exploatare, cu pericol mare de accidente de muncă.

3.4. Reziduuri rezultate din arderea combustibililor solizi

În urma arderii combustibililor solizi rezultă cantităţi mari de reziduuri (zgură şi cenuşă), care trebuie evacuate şi depozitate. O altă sursă de reziduuri o constituie praful de cenuşă colectat la electrofiltre sau instalaţii de filtrare.

Zgura extrasă de sub focarul cazanului este răcită cu apă, concasată şi evacuată din sala cazanelor în starea umedă. La toate instalaţiile moderne, din cauza volumelor de transportat, nu se aplică decât transportul hidraulic.

Cenuşa eliminată din pâlnia drumului doi de gaze şi din pâlnia filtrelor de cenuşă poate fi extrasă pe cale hidraulică sau pe cale uscată.

În figura 3.5 este prezentată schema unei instalaţii în care toată evacuarea se face hidraulic, [3]. Deoarece majoritatea focarelor generatoarelor cu abur sunt cu depresiune, este necesară etanşarea hidraulică a circuitului de evacuare a cenuşii.

Pentru antrenarea cenuşii şi a zgurei se utilizează apă injectată sub presiune. În mod uzual, raportul dintre cantitatea de apă de antrenare şi materialul antrenat este de 6:1 până la 10:1. Canalele de zgură şi cenuşă sunt căptuşite cu materiale rezistente la eroziune şi coroziune. De-a lungul acestor canale, continuă să se injecteze din loc în loc apă pentru antrenare.

Colectarea reziduurilor de zgură şi cenuşă umede (noroiul) se colectează în bazine, de unde este evacuat spre depozit, fie cu ajutorul unor pompe speciale de noroi (pompe Bagger), fie cu ajutorul unor hidroejectoare. În acest ultim caz, este nevoie de o cantitate suplimentară de apă sub presiune, ceea ce măreşte raportul apă-cenuşă la 16: 1 până la 20:1.

În momentul de faţă sunt folosite cu precădere pompe de noroi. În funcţionare, acestea au o uzură rapidă a rotoarelor, avînd în vedere caracteristicile abrazive ale fluidului pompat.

Este de dorit să se evite ramificaţiile şi armăturile de pe traseul de evacuare a noroiului pentru a evita pericolul de înfundare sau de uzură prematură.

Conductele spre depozit având pantă coborâtoare continuă, pot asigura transportul pe distanţa până la 4-5 km. De remarcat este uzura neegală a acestora, care se accentuează în special pe arcul de 120° la partea inferioară. Rotirea la intervale de timp a conductei asigură prelungirea duratei ei de serviciu.

În cazul în care este lipsa mare de apă, sistemul hidraulic de transport poate lucra în circuit închis, refolosind o parte din apă după ce a fost decantată.

Depozitarea cenuşii. Volumul depozitului de cenuşă este dat de expresia

( ) [ ]/anm1 3ρ+⋅⋅⋅= uEcbV anan (3. 36)


unde: anV [m3/an] - volumul anual al depozitului; Ean [kWh/an] – energia anuală produsă; b [kg/kWh] - consumul specific mediu anual de combustibil; c - conţinutul de cenuşă; u - umiditatea sedimentului în depozit; ρ [kg/m3] - masa specifică a materialului sedimentat.

Fig.3.5. Schema de evacuare hidraulică a cenuşii

Depozitul se formează cu ajutorul unor diguri în pămînt care închid bazinul de decantare. Apa din bazin se scurge prin deversare în puţuri de golire, după cum se poate urmări şi în figura 3.6, [3], în care: 1 – dig iniţial; 2 – conducte de zgură şi cenuşă; 3 – puţ de deversare; 4 – conductă de golire; 5 – supraînălţarea digurilor; 6 – supraînălţarea puţului de deversare.

Fig.3.6. Secţiune într-un depozit de cenuşă

După umplerea volumului pregătit iniţial, digul circular poate fi supraînălţat folosind în principal chiar materialul sedimentat.

Înălţimea totală de depozitare a cenuşii poate atinge astfel 20÷25 m. Evacuarea uscată a cenuşii se face după schema de tipul celei prezentate în

figura 3.7, în care: 1 – electrofiltru; 2 – canale transportoare pneumatice cu pat fluidizat; 3 – ventilator; 4 – siloz de colectare; 5 – dispozitiv de inchidere; 6 – pompă de praf; 7 – siloz de praf; 8 – separator de praf; 9 – descărcare în cisternă; 10 – umidificare; 11 – descărcare pentru evacuare hidraulică sau transport umed.


Fig.3.7. Evacurea uscată a cenuşii

Din componenţa schemei se remarcă măsurile luate pentru limitarea poluării prin particule de praf.

Acest sistem de evacuare a cenuşii este preferat din următoarele motive: • pericol mai redus de înfundare; • bună etanşeitate; • posibilitatea de valorificare multiplă a cenuşii.

Transportul propriu-zis poate fi făcut în următoarele moduri: • în plan orizontal:

�� prin transportare cu melc; �� prin jghiaburi cu pat fluidizat, în amestec cu aerul;

• în plan vertical: �� prin elevatoare cu cupe; �� prin amestec cu aerul prin pompare (pompe speciale cunoscute

sub denumirea de pompe Fuller).


Materialul colectat în stare uscată poate fi introdus în jghiabul umed de transport al zgurii şi cenuşii sau poate fi încărcat în cisterne auto, cale ferată sau pe benzi de transport pentru a fi retransmis la mină sau cariera de cărbune.

Valorificarea zgurei şi a cenuşii. Zgura provenită de la cazanele de abur

poate fi folosită ca material de construcţie cu greutate specifică redusă şi bune proprietaţi de izolare termică, pentru cărămizi.

Condiţia de bază ce se impune este stabilitatea chimică în timp, ceea ce presupune absenţa produselor organice datorate arderilor mecanice incomplete.

Cenuşa colectată poate avea folosinţe multiple, cu aceeaşi condiţie de a nu conţine funingine provenită din arderi incomplete. Câteva dintre utilizări sunt:

• material de adaos pentru unele sorturi de ciment; unele tipuri de cenuşă reacţionează chimic cu apă şi realizează fenomenul de priză ca şi cimentul;

• material cu proprietaţi hidrofuge pentru izolare în strat sau ca adaos pe suprafaţa cartonului asfaltat;

• amendament de corecţie a solurilor agricole acide, în cazul cînd în componenţa cenuşilor intră în proporţie mare calciu, Ca.

Valorificarea zgurei şi a cenuşii nu trebuie urmărită în principal ca un mijloc de reducere a costului energiei electrice prin venituri secundare, ci ca singura cale de limitare a volumului depozitelor de cenuşă care implică ocuparea de terenuri întinse şi conduce la cheltuieli permanente de formare.

44 .. II MM PP AA CC TT UU LL UU TT II LL II ZZ ĂĂ RR II II EE NN EE RR GG II EE II NN UU CC LL EE AA RR EE


4.1. Tendinţe de utilizare a energiei nucleare

În timp ce energia cel mai mult folosită de oameni îşi are originea în căldura produsă de arderea combustibililor care conţin carbon, căldura în cantităţi comerciale poate fi produsă indirect, când au loc anumite procese ce implică nuclee atomice. Această sursă de energie este denumită energie nucleară.

Deoarece forţele nucleare sunt mult mai puternice decât cele chimice, energia eliberată pe atom în reacţiile nucleare este imensă în comparaţie cu cea obţinută din combustie.

Procentul energiei electrice produse din surse nucleare din totalul energiei electrice este de 76 % în Franţa, 47 % în Coreea de Sud, 33 % în Japonia, 20 % în SUA, 12 % în Rusia şi circa 10 % în România, [1,2].

Există două procese prin care energia este obţinută din nuclee atomice: fisiunea şi fuziunea. Stabilitatea energetică optimă pe particulă nucleară apare pentru nucleele de mărime intermediară, ca fierul. De aceea, fisiunea nucleului greu în două fragmente eliberează energie.

Analog, fuziunea a două nuclee foarte uşoare pentru a produce unul singur eliberează, de asemenea, cantităţi substanţiale de energie. Într-adevăr, reacţiile de fuziune sunt sursele de energie ale stelelor (inclusiv Soarele) şi din bombele cu hidrogen.

La fisiune, un nucleu greu (cu număr mare de neutroni şi protoni) este bombardat de un neutron, iar rezultatul este împărţirea nucleului în două părţi de aproximativ aceeaşi mărime şi eliberarea de energie, deoarece, împreună, fragmentele sunt mai stabile energetic decât a fost nucleul original.

Nucleul natural, care, prin bombardare cu neutroni termici (cu viteze relativ

mici) produce energie, este 235U: nKrBaUn10

9136

14256

23592

10 3++→+ . Rezultatele

descompunerii combinaţiei instabile a acestor două particule este un nucleu de bariu, 142Ba, unul de Kripton 91Kr şi 3 neutroni. Nu toţi atomii de uraniu care absorb un neutron formează exact aceleaşi produse, dar procesul produce întotdeauna două nuclee şi câţiva neutroni.

Cele două noi nuclee se mişcă foarte repede, ca şi neutronii. Acestui exces de energie cinetică i se datorează energia termică, căldura.

O medie de aproximativ 3 neutroni este produsă de fiecare nucleu 235U care reacţionează; unul dintre aceşti neutroni poate, de asemenea, să fie folosit pentru producerea fuziunii unui alt nucleu 235U, şi aşa mai departe, realizându-se o reacţie


în lanţ. La bombele atomice neutronii suplimentari sunt folosiţi pentru a induce o

fisiune foarte rapidă a întregului uraniu într-un volum mic şi aşa, energia este eliberată exploziv, în loc să fie eliberată gradat, ca într-un reactor de energie nucleară.

Singurul izotop natural al uraniului care poate fi folosit pentru fisiune este 235U, care constituie doar 0.7 % din uraniul natural, restul fiind 238U (99.3 %). Un neutron produs de fisiunea 235U poate fi absorbit ulterior după coliziune cu 238U. Nucleul 239U rezultat este radioactiv şi permite eliberarea particulelor β şi, de asemenea, realizează produsul greu (239Np) al acestui proces. În consecinţă se produce şi un nucleu de plutoniu 239Pu:

PuUUUn23994

23993

23992

23892

10 →→→+ −− ββ

PuNpUUn

23994

23993

23992

23892 +→+→→+ ββ

Principalele avantaje şi dezavantaje ale energiei nucleare produse prin fisiune sunt redate în tabelul 4.1.

Tabel 4.1.

Comparaţia energiei produse prin fisiune

Avantaje Dezavantaje

-poluarea minimă a apei şi a aerului; -folosirea eficientă a resurselor de combustibil; -costuri operaţionale relativ scăzute.

-produce deşeuri radioactive care presupun tratare specială; -posibilitatea producerii accidentelor care duc la probleme grave de sănătate*; -depozitarea pe termen lung a deşeurilor şi interzicerea exploatării uzinelor vor implica costuri ridicate; -se cere un sistem internaţional de securitate pentru prevenirea împrăştierii materialelor nucleare pentru fabricarea armelor.

* de exemplu efectul cronic major asupra sănătăţii al accidentului de la Cernobâl a fost dublarea ratei de cancer la tiroidă la copii datorită iodului radioactiv.

Combinaţia a două nuclee foarte uşoare, pentru a forma un singur nucleu, se numeşte fuziune şi are ca rezultat eliberarea unor cantităţi uriaşe de energie, deoarece nucleele combinate sunt mai stabile decât cele originale.

Din păcate, reacţiile de fuziune au energii enorme de activare, datorate respingerii electrostatice a două nuclee, care sunt apropiate foarte mult. De aceea este dificil să iniţiezi şi să susţii o reacţie de fuziune controlată, întrucât produce mai mult decât consumă.

Reacţiile de fuziune cu cel mai mare potenţial de producere a energiei implică nucleele celor mai grei izotopi ai hidrogenului: deuteriu, 2H şi tritiu, 3H:

Impactul utilizării energiei nucleare asupra mediului 77

nHeHH10

32

21

21 +→+ sau HH

11

31 +

altfel spus: nHeDD +→+ sau HT +

deuteriu + deuteriu -----> heliu + un neutron, sau tritiu + hidrogen normal

Energia eliberată, când una dintre reacţiile de mai sus apare, este de aproape 8104 ⋅ kJ/mol, de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cea produsă într-o

reacţie tipic exotermă. Există un surplus de deuteriu disponibil, din moment ce el este un izotop

neradioactiv natural (conţinând 0.015 % H) şi de aceea este un component natural al apei.

Pentru reacţia tritiului cu deuteriul este necesară o energie de activare:

nHeHH10

42

31

21 +→+ .

Totuşi, din cauză că tritiul este radioactiv (emiţător de radiaţii beta), cu o perioadă de înjumătăţire scurtă (12 ani), nu este un component semnificativ al hidrogenului actual şi va trebui să fie sintetizat de fisiunea litiului.

4.2. Impactul diferitelor faze ale ciclului combustibilului nuclear

Extracţia uraniului. În timpul extracţiei minereului de uraniu are loc şi contaminarea mediului cu substanţe radioactive. Deoarece, în mod natural, uraniul se descompune în alte substanţe, tot radioactive, minereul de uraniu conţine o varietate de elemente radioactive.

Reziduul radioactiv scos din minereu care, în esenţă, l-a imobilizat, se prezintă ca lichid sau ca pudră, amândouă numite steril. Sterilul lichid este în mod normal ţinut în bazine speciale, până când solidele se separă, dar poate apărea poluarea apei subterane locale, dacă bazinele curg sau se revarsă. Mai mult, sterilul solid expus aerului este dizolvat parţial de ploaie şi poate contamina alimentarea locală cu apă. Folosirea sterilului solid ca bază de susţinere în construcţii duce, de asemenea, la probleme, pentru că radonul produs de deteriorarea radioactivă a radiului din steril este foarte fluid.

Radonul este o particulă riscantă pentru minerii din minele de uraniu, pentru că gazul radioactiv este mereu prezent în minereu şi este eliberat în aerul din mină. Într-adevăr, prezenţa cancerului pulmonar printre minerii din minele de uraniu a fost frecventă, până a fost introdusă ventilaţia în mină.

Concentraţiile ridicate de uraniu din depozit pot conduce la o cantitate mai mică de deşeuri şi la un consum mai mic de energie. Extragerea cu concentraţii mai mici, din punct de vedere al mediului, poate fi realizabilă în mine unde se extrag şi alte materii prime, conducând astfel, la o distribuţie a impactului asupra mediului.


Emisiile de la faţa locului sunt mici în comparaţie cu alte metode de extracţie a uraniului.

Extracţia uraniului are o contribuţie majoră din punct de vedere al impactului asupra mediului.

Conversia. Acest proces prezintă două subprocese, curăţirea dioxidului de uraniu extras şi conversia hexafluoridei de uraniu. Impactul conversiei asupra mediului este mic, în comparaţie cu alte faze ale ciclului combustibilului nuclear. Volumul mare de reziduuri care rămân după ce uraniul este extras chimic din minereu este şi el radioactiv.

Îmbogăţirea. Procesele de îmbogăţire a uraniului sunt: centrifugarea gazoasă şi difuzia gazoasă, ultimul dintre acestea necesitând o cantitate mare de energie. În ciuda faptului că 80 % din uraniu este îmbogăţit prin metoda centrifugării gazoase, îmbogăţirea prezintă a doua contribuţie în cadrul emisiilor atmosferice de SO2 (28 %) şi CO2 (31 %) şi a treia contribuţie la nivelul NOx (19%). Motivul principal este utilizarea energiei produse din surse clasice, în care cea mai mare contribuţie o are arderea combustibilului fosil, [3].

În majoritatea reactoarelor nucleare de putere (sistemul canadian CANDU fiind principala excepţie), combustibilul de uraniu trebuie îmbogăţit în izotopul 235U fisionabil; prezenţa sa trebuie crescută la 3 % faţă de 0.7 %, cât există în mod natural.

Gradul de îmbogăţire cerut pentru folosirea uraniului în bombe este mult mai mare; uraniul suficient îmbogăţit pentru acest scop conţine cel puţin 90 % 235U.

Îmbogăţirea este foarte scumpă, necesitând un consum foarte mare de energie pentru procesare, deoarece aceasta este de tip fizic şi nu chimic, ştiindu-se că toţi izotopii unui element dat se comportă chimic identic.

Fabricarea combustibilului. Fabricarea combustibilului are un impact mic asupra ecoprofilului ciclului combustibilului nuclear, cu excepţia emisiilor gazoase care contribuie la formarea ozonului fotochimic (21 %). Aceasta se datorează în principal emisiilor de metanol. Contribuţia la gazele cu efect de acidificare (în principal SOx şi NOx) este de circa 15 %.

Centrala nucleară. Construirea şi decomisionarea unei CNE are o contribuţie relativ mare în cadrul impactului asupra mediului a ciclului combustibilului nuclear, în principal din cauza emisiilor de NOx. Construcţia clădirii şi decomisionarea contribuie cu 32 % la emisia atmosferică de NOx, o treime din aceasta fiind emanată în timpul operării.

Din păcate, atât perechea de nuclee de 235U, între care se realizează fisiunea, cât şi produsul secundar 239Pu sunt substanţe foarte radioactive; deci, combustibilul consumat este mult mai radioactiv decât a fost uraniul original.

Mulţi dintre produşii comuni de fisiune ai uraniului emit radiaţii β şi/sau γ,

ca în acest exemplu: LaBa14257

14256 +β→ .


După ce bariul se transformă, produsul, un izotop al lantanului, se transformă şi el datorită emisiilor β. Deşi mulţi produşi de fisiune se consumă rapid datorită emisiilor β, alţii mai “trăiesc” mult timp.

După 10 ani, mare parte din radioactivitatea elementelor combustibile folosite, se datorează stronţiului 90, 90Sr, şi cesiului 137, 137Cs.

Dispersia stronţiului şi a cesiului în mediu poate constitui o problemă serioasă, din motiv ce ionii ambelor metale ar fi imediat încorporaţi în corpul omenesc. Aceasta se întâmplă deoarece stronţiul şi cesiul înlocuiesc repede elementele similare din punct de vedere chimic, din corpurile animalelor.

Din acest motiv, resturile radioactive rezultate din consumarea elementelor combustibile din centralele nucleare trebuie să fie monitorizate cu grijă şi ar trebui să fie eventual depozitate într-un mediu sigur, din care nu pot “scăpa”.

Utilităţi destinate depozitării deşeurilor. Cel mai important impact asupra mediului, din această categorie, provine din producerea explozivilor şi a cimentului necesar construcţiei facilităţilor destinate deşeurilor.

Cantităţi mari de cupru sunt necesare pentru încapsularea combustibilului epuizat, înainte de depozitarea finală.

Nu s-a ajuns încă la un consens privind cea mai bună metodă pentru depozitarea deşeurilor radioactive. Iniţial, elementele de combustibil folosite sunt depozitate deasupra pământului, adesea în apă rece, pentru câţiva ani sau chiar decenii, până când nivelul radioactivităţii s-a redus. În acest stagiu, ele pot fi transferate la depozitare uscată, de exemplu, în cutii de metal.

Chiar dacă este sau nu este îndepărtat plutoniul, multe planuri au ca obiectiv încapsularea şi imobilizarea reziduurilor, apoi îngroparea acestora adânc sub suprafaţa terestră.

Containerul pentru această încapsulare ar fi mai bine să fie realizat dintr-un metal puternic, rezistent la coroziune, cum ar fi titanul, sau cuprul. Cutiile sunt făcute pentru a dura câteva sute de ani cel puţin, înainte de a apărea scurgerile. În Suedia, cutiile sunt proiectate să dureze 100.000 ani, după această perioadă nivelul reziduurilor nefiind mai mare decât cel al minereului natural de uraniu. Cutiile vor fi îngropate la 500-1000 m sub scoarţă.

Caracteristicile geologice ale părţilor îngropate trebuie să includă stabilitate mare, pentru a nu fi distruse de cutremure sau erupţii vulcanice şi permeabilitate scăzută pentru prevenirea interacţiunii cu apa.

Singura metodă prin care se realizează cele necesare fără a îngreuna situaţia generaţiilor viitoare, este îngroparea foarte adânc în pământ.

Unele guverne nu acceptă ideea de depozit permanent a acestor reziduuri, ei vor să poată recupera plutoniul din combustibilii folosiţi dacă e nevoie de energie nucleară în viitor.


4.3. Contaminarea radioactivă prin producerea Plutoniului

Izotopul 239 al plutoniului, produs în timpul fisiunii uraniului este un emiţător de particule alfa şi are o lungă perioadă de înjumătăţire, de 24 000 ani. După 1000 ani, principalele surse de radioactivitate din combustibil vor fi plutoniul şi alte elemente foarte grele, deoarece nucleele de mărimi medii produse în fisiune, având timp de înjumătăţire mult mai scurt de 1000 ani, ar trebui să se degradeze în mare măsură în acest timp.

De aceea, radioactivitatea pe termen lung a elementelor combustibile arse poate fi mult redusă prin îndepărtare chimică a elementului foarte greu din ele.

Plutoniul este produs de mai mult de 50 de ani pentru obţinerea materialelor rapid fisionabile, necesare pentru producerea armelor nucleare. Din cauza cantităţilor uriaşe de deşeuri radioactive produse, mediul înconjurător din zona de fabricare a bombelor în SUA este acum aşa de poluat, încât a fost denumit “cel mai murdar loc de pe Pământ”. Aproximativ 190.000 m3 de reziduu solid puternic radioactiv, 760 milioane de litri de reziduu lichid de radioactivitate moderată şi chimicale toxice au fost depozitate în pământ în acea zonă.

Aproximativ o tonă de plutoniu poate fi obţinută din masa reziduului solid îngropat acolo. Curăţarea reziduurilor ar costa între 50 şi 200 miliarde USD şi nu ar fi completă mai devreme de 2020. O tehnică propusă (deşi costisitoare) pentru imobilizarea deşeului este aceea a trecerii unui curent electric puternic prin solul contaminat pe o perioadă de mai multe zile, curentul electric transformând solul şi nisipul într-o rocă stâncoasă din care compuşii contaminaţi nu vor putea ieşi.

Plutoniul a fost folosit ca exploziv în câteva bombe atomice şi ca declanşator pentru bombele de fuziune de hidrogen, formând reactanţii şi astfel începând explozia termonucleară. În consecinţă, aproape 100 de tone de plutoniu trebuie îndepărtate din armele nucleare.

În afară de problemele de sănătate şi siguranţă, o problemă majoră o constituie măsurile de securitate, al căror scop este prevenirea căderii materialelor pe mâna teroriştilor. Altă problemă este testarea acestor arme. Odată cu îmbunătăţirea acestor arme, ele trebuie testate. Doar câteva kilograme de plutoniu, care conţine cel puţin 93 %, izotop 239, sunt necesare pentru obţinerea unei bombe atomice.

Stocul mondial curent de plutoniu este de peste 1000 tone metrice şi creşte. Regeneratoarele sunt reactoare nucleare care sunt produse special pentru a maximiza producerea plutoniului ca produs secundar, astfel de reactoare produc mai mult material fisionabil decât consumă.

Două metode au fost propuse pentru a scăpa de plutoniul în exces, [4]: • amestecarea sa cu alte deşeuri puternic radioactive şi apoi a realiza din

acest amestec bucăţi de sticlă ce vor fi îngropate ulterior în pământ la mari adâncimi, în cutii de metal;


• oxidarea în dioxid de plutoniu, PuO2, şi amestecarea sa cu oxid de uraniu pentru producerea unui combustibil, notat MOX, care ar putea fi folosit în centrale nucleare, testat deja în reactoare din Franţa, Germania şi Elveţia.

Dacă combustibilul este supus chimizării pentru îndepărtarea plutoniului, resturile de deşeuri puternic radioactive sunt solidificate.

Consecinţele asupra mediului ale generării energiei electrice prin reactoare de fusiune ar trebui să fie mai puţin serioase decât acelea asociate sistemelor de fisiune.

Singurul reziduu radioactiv produs direct este tritiul, deşi neutronii emişi în proces pot produce substanţe radioactive, când sunt absorbiţi de alţi atomi.

Deşi particula alfa pe care o emite tritiul nu are suficientă energie încât să pătrundă prin pielea umană, tritiul este periculos din moment ce sistemul biologic îl încorporează la fel ca pe hidrogen prin inhalare, absorbţie prin piele, prin consumarea mâncării, etc.

În prezent, tritiul în apa potabilă constituie 3 % din expunerea umană la radioactivitate.

4.4. Evaluarea impactului asupra mediului

În continuare, se prezintă elementele de bază pentru o analiză a centralelor nucleare din punct de vedere energetic şi din punct de vedere al impactului asupra mediului, utilizând metoda Analizei Ciclului de Viaţă. În acest scop, sunt considerate procese precum: extracţia, producerea combustibilului, construcţia instalaţiilor destinate deşeurilor nucleare precum şi operarea şi întreţinerea centralelor nucleare şi a depozitelor de deşeuri.

Utilizarea resurselor, emisiile şi deşeurile sunt distribuite pe o perioadă considerată ca fiind plauzibilă pentru durata tehnică de viaţă a unei centrale nucleare moderne, [5,6].

Evaluarea impactului a fost realizată pentru următorii parametri: utilizarea resurselor, deşeuri, zgomot, utilizarea terenului şi impactul asupra mediului a emisiilor pentru indicatori precum: gaze cu efect de seră, deteriorarea stratului de ozon, ozonul fotochimic, acidificarea, eutrofizarea. De asemenea, este prezentată o analiză energetică în care este inclus necesarul energetic al ciclului de viaţă al unei centrale nucleare şi comparaţii între diversele modalităţi de producere a energiei electrice.

Definirea unităţii funcţionale

În general, mărimea unei unităţi funcţionale se alege 1 kWh net livrat reţelei de energie electrică.


Sunt considerate următoarele procedee: extracţia, producerea combustibilului, construcţia facilităţilor pentru deşeuri precum şi operarea şi întreţinerea centralelor electrice şi a facilităţilor pentru deşeuri.

Utilizarea resurselor, emisiile, şi deşeurile sunt distribuite pe o perioadă de 40 de ani, care reprezintă durata de viaţă tehnică plauzibilă pentru centralele termice actuale.

Definirea domeniului de studiu analizat

În figura 4.1 este prezentată o schemă simplificată a proceselor nucleare în care sunt evidenţiate procesele incluse (linii continue) şi cele excluse (linii întrerupte) din această evaluare.

Fig. 4.1. Procesele cuprinse în domeniul de studiu

Combustibilul este utilizat timp de cca. 5 ani şi este apoi stocat drept combustibil epuizat, în bazine amplasate la faţa locului, timp de aproape un an.

Combustibilul epuizat este apoi transportat pentru stocare intermediară pentru aproximativ 30 de ani, înainte de a fi încapsulat şi depozitat în final.

Când produse, altele decât uraniul, sunt implicate în proces, se realizeză alocări pentru fiecare, bazate pe metoda alocării economice.

Acelaşi principiu este aplicat şi în cadrul conversiei, îmbogăţirii şi fabricării combustibilului. Impactul asupra mediului rezultat în urma construcţiei nu este subestimat.

Fluxurile de consumabil şi biproduşi din fiecare fază a ciclului combustibilului nuclear sunt analizate în grade diferite, aşa cum se poate vedea în figura 4.2 şi tabelul 4.2, în care liniile punctate şi continue indică excluderea sau includerea în evaluare.


Tabel 4.2.

Exemple de materiale specifice ramurilor-proces evidenţiate

Intrări: A Beton, păcură, acid sulfuric, amoniac

B Oţel, aluminiu, cupru, plumb

C Gaze

D Substanţe chimice (glicol, etanol) aproximativ 45 substanţe diferite

Ieşiri: E 35 de substanţe diferite, ex.. păcura şi hidrazina

F 35 de substanţe diferite, ex. păcura şi hidrazina

G Deşeuri, piatră de construcţie

H Substanţe chimice

Fig. 4.2. Schema proceselor componente ale construcţiei şi operării centralelor nucleare

Faza producţiei

Construcţia şi decomisionarea anumitor instalaţii din ciclul nuclear, de exemplu cele legate de extracţie, rafinare şi fabricarea combustibilului, au fost excluse.

Impactul asupra mediului rezultat din aceste activităţi este nesemnificativ în comparaţie cu producerea energiei electrice.

Utilizarea resurselor. Resursele materiale sunt solicitate la producerea materialelor de construcţie şi materialelor necesare operării instalaţiilor din ciclul combustibilului nuclear a centralei nucleare, până la depozitarea finală.

Aceasta include, de asemenea, resurse naturale pentru producerea energiei în


procesul de producere a materialelor pentru fabricarea combustibilului, generarea electricităţii, gestiunea deşeurilor şi transport.

Consumul de electricitate a fost urmărit în amănunt şi este prezentat ca fiind un rezultat al producerii energiei, utilizând ca sursă: uraniu, hidro, lemn, lignit, petrol, cărbune şi gaz natural. În ceea ce priveşte proporţia acestora au fost aplicate datele operaţionale pentru o electricitate oţinută din diverse surse.

Sunt, de asemenea, considerate: cantităţile necesare de plumb, cupru, bauxită, fier, calcar, lemn, lignit, petrol, cărbune şi gaz natural pentru construcţia şi operarea centralei nucleare.

Emisiile. Caracterizarea şi calcularea emisiilor s-a efectuat în concordanţă cu normele în vigoare, care cuprind indici de impact care trebuie aplicaţi substanţelor specifice, pentru a obţine impactul total asupra mediului în ceea ce priveşte gazele cu efect de seră, deteriorarea stratului de ozon, acidificarea, formarea ozonului fotochimic şi eutrofizarea.

Impactul acestor emisii este prezentat în figurile 4.3-4.7.

Fig. 4.3. Emisii CO2 în aer, total


Fig. 4.4. Emisii SO2 în aer

Fig. 4.5. Emisii NOx în aer

Deşeuri şi materialul reciclat. Deşeurile periculoase sunt împărţite în două categorii, funcţie de existenţa sau inexistenţa unei relaţii cu combustibilul nuclear.

Deşeurile radioactive cu un nivel ridicat sau mediu rezultă doar din operarea CNE. Deşeurile cu nivel scăzut de radiaţii sunt reprezentate în primul rând de uraniul sărăcit, rezultat în urma procesului de îmbogăţire.

Deşeurile care nu prezintă o legătură cu combustibilul nuclear sunt constituite în principal din substanţe chimice.

Cenuşa rezultată din combustia cărbunelui, petrolului, lignitului şi bio-combustibilului este inclusă în deşeul solid şi nu este legată de producerea electricităţii.


Fig. 4.6. Formarea ozonului fotochimic

Fig. 4.7. Eutrofizarea

Deşeurile provenite din materialele nereciclabile de la CNE, dezafectate, şi instalaţiile de gestiune a deşeurilor sunt, de asemenea, considerate.

Deşeul dominant din această categorie este piatra şi deşeurile minerale eliminate în principal în procesul de extracţie a uraniului. În cazul majorităţii metalelor din CNE, fracţia materialului reciclabil din proces este mult mai mare decât fracţia materialului reciclat din proces.

Deoarece impactul asupra mediului din procesul de reciclare al ieşirilor este alocat, nu se efectuează o subalocare.

În tabelul 4.3 se prezintă utilizare netă a energiei electrice şi respectiv consumul total de electricitate de către maşini şi procese.


Zgomot. Nivelul zgomotului este dependent de direcţia vântului, temperatură etc. Nivelul maxim al zgomotului la poarta centralei este de 38 dB.

Tabel 4.3.

Consumuri energetice

Electricitate 1.08 E-2 kWh/kWh Energie regenerabilă pentru generarea electricităţii: Lemn1 3.95E-02 g/kWh Hidro 8.00E-05 kWh el / kWh Energii nerecuperabile pentru generarea electricităţii: Cărbune1 5.73E-01 g/kWh Lignit1 2.72E-01 g/kWh Gaz natural1 8.10E-02 g/kWh Ţiţei1 4.73E-02 g/kWh Uraniu1 8.16E-03 g/kWh

1) Material energetic primar (extras din scoarţa terestră) utilizat la producerea electricităţii

4.5. Concluzii

Energia electrică, de cele mai multe ori obţinută din surse clasice, este solicitată direct de instalaţiile din cadrul ciclului combustibilului nuclear precum şi în timpul producţiei materiilor prime. Arderea combustibililor fosili produce emisii de CO2, NOx, şi SOx în proporţii relativ stabile. Impactul asupra mediului a emisiilor de NOx şi SOx variază în funcţie de condiţiile locale de mediu, [7]. Astfel, unele emisii au un efect la nivel local (NOx şi SOx) iar altele (CO2) se manifestă la nivel global. Generarea ozonului la nivelul solului depinde de asemenea de condiţiile locale.

Impactul asupra mediului are loc cu precădere înainte de generarea electricităţii în CNE, în principal datorită extracţiei de minereuri.

Componentele cele mai importante ale impactului se manifestă cu precădere datorită unor factori precum: conţinutul scăzut de uraniu, alocarea din punct de vedere economic a electricităţii, electricitatea obţinută pe baza combustibililor fosili.

Emisiile în apă a substanţelor toxice precum zinc, cupru şi plumb sunt de 360 kg anual pentru întreg ciclul combustibilului.

Concluzia care se impune este că consumul de energie are singur cel mai mare impact asupra mediului în cadrul ciclului combustibilului nuclear.

O altă concluzie ar fi că impactul asupra mediului depinde puternic de originea energie utilizate; astfel, impactul unei operaţii puternic intensivă din punct de vedere energetic este dependent de modul de obţinere a energiei utilizate.

55 .. DD II MM II NN UU AA RR EE AA OO XX II ZZ II LL OO RR

DD EE AA ZZ OO TT EE MM II ŞŞ II DD EE CC TT EE

5.1. Introducere

Reducerea continuă a limitelor emisiilor de poluanţi, pentru reducerea poluării generale a mediului înconjurător, face necesară luarea unor măsuri tehnice şi organizatorice, atât la nivelul centralelor existente, cât şi pentru centrale aflate în faza de proiectare sau execuţie.

Optimizarea reducerii emisiilor, având în vedere costurile de investiţii şi de exploatare cele mai mici posibile, implică un studiu aprofundat şi necesitatea modificărilor care trebuie realizate în cadrul sistemelor de combustie (măsuri primare) şi a unor măsuri suplimentare.

De remarcat că unul dintre poluanţii cei mai responsabili de efectul de seră este NOx, emis de toate instalaţiile de ardere, indiferent de tipul combustibilului ars.

Valorile limită ale emisiilor de NOx, aplicate în prezent pentru generatoare de abur cu o putere termică totală de peste 50 MW, la nivel european, sunt redate în tabelul 5.1, [1].

Este important, pentru a putea elabora un concept de ansamblu optimal privind atât mediul înconjurător, cât şi exploatarea, să se cunoască modificările care trebuie realizate în cadrul sistemelor de combustie (măsuri primare) şi repercursiunea acestora asupra totalităţii instalaţiei, ca şi măsurile suplimentare care trebuie aplicate pentru a se reduce emisiile de oxizi de azot (măsuri secundare) şi influenţa lor financiară asupra ansamblului instalaţiilor.

Atât pentru centralele termice industriale, cât şi pentru întreprinderile de distribuţie a energiei, sunt necesare cercetări teoretice privind următoarele probleme:

• evaluarea stării actuale; • potenţialul de reducere a măsurilor individuale;

• elaborarea unui concept global, incluzând, atât măsurile primare, cât şi pe cele secundare;

• elaborarea unui plan de finanţare şi privind întârzierile.

Este de subliniat faptul că independenţa în raport cu furnizorii de sisteme de combustie şi de echipament necesar punerii în practică a măsurilor secundare, facilitează în mod considerabil elaborarea unui concept de ansamblu optimal.

Diminuarea oxizilor de azot emişi de CTE 89

Tabel 5.1.

Valori limită ale emisiilor de NOx

Valoarea limită în [ mg/Nm3 ] pentru: Combustibil Puterea termică

totală a instalaţiei

[ MW ]

Instalaţii

noi

Instalaţii vechi

(durata exploatării nelimitată)

Instalaţii vechi

durata exploatării

30.000 h

Pondere de

referinţă în O2

Solid – evacuarea uscată a cenuşii

50÷300 300

400 200

650 200

650 6

Solid – evacuarea umedă a cenuşii

50÷300 300

400 200

1300 200

1300 5

Lichid 50÷300 300

300 150

450 150

450 3

Gazos 50÷300 300

200 100

350 100

350 3

5.2. Diminuarea oxizilor de azot prin măsuri primare

Pentru analiza măsurilor de reducere a oxizilor de azot este necesară cunoaşterea mecanismelor de formare şi, în principal, a originii, condiţiilor de formare şi contra-măsurilor (vezi tabelul 5.2).

Recircularea gazelor arse se poate face în mod separat, sub primul nivel al arzătoarelor sau în aerul rece introdus.

Arzătoarele moderne sunt realizate astfel încât să reducă formarea NOx, acest fapt făcându-se şi prin etajarea arzătoarelor, prin atomizarea fină a păcurii, realizată cu abur de presiune medie.

Ca urmare a atomizării, se reduce excesul de aer, oxigenul pentru combustie fiind cât mai aproape de stoichiometric, urmând o introducere suplimentară de aer la un nivel superior, unde temperatura este moderată şi pericolul formării NOx este mai redus, [2].

Aceste măsuri necesită, în general, transformări ale focarului generatorului de abur sau ale cuptorului şi, pentru majoritatea instalaţiilor, influenţează inclusiv puterea acestora.

O posibilitate facilă de reducere a oxizilor de azot este utilizarea gazului natural drept combustibil. Principalul avantaj derivă din reducerea excesului de aer şi astfel se reduce azotul introdus în focar.

Acest fapt se poate realiza prin realizarea unui ciclu combinat, ca cel prezentat în figura 5.1.


Tabel 5.2.

Mecanisme de formare a oxizilor de azot

Gen NO termic NO spontan NO combustibil

Origine Azot molecular din aer

Azot molecular din aer

Azot prezent în compuşii organici

Condiţii de formare / dependenţă

Creşte peste 1300 0C

Cu radicalii hidrocarburilor prin derivaţi intermediari, în funcţie de rapoartele stoechimice şi de temperatură

Oxidarea azotului din combustibil: strâns legată de concentraţia combustibilului şi nedepinzând decât într-o mică măsură de temperatură; coroziunea descreşte o dată cu cantitatea azotului.

Remarci - Nu are o mare importanţă practică

Repartizarea azotului în combustibil: - volatil: 50-80 % - carbon rezidual: 20-50%.

Contramăsuri Scăderea temperaturii de ardere şi a perioadei în care se află în zona temperaturilor ridicate

- Diminuarea aportului de oxigen în zona de reacţie

Gazele eşapate din turbine cu gaze sunt dirijate către arzătoare printr-un canal şi prin camere cu aer dispuse de fiecare parte a focarului. Generatorul de abur nu necesită ventilatoare, suprapresiunea necesară fiind realizată de turbina cu gaze. Suflanta de aer proaspăt alimentează canalul situat între turbina cu gaze şi generatorul de abur.

Pentru a respecta limitele impuse pentru NOx şi pentru CO (<100 mg/Nm3), în general, sunt necesare modificări aduse arzătoarelor şi sistemului de comandă şi control.

Pentru blocul combinat sunt patru posibilităţi diferite de exploatare: • exploatarea individuală a turbinelor cu gaze, fiecare dintre ele fiind dotată

cu propriul său coş de evacuare;

• exploatarea individuală a uneia dintre turbinele cu gaze, cea de-a doua funcţionănd în regim de recuperare, în care gazele eşapate sunt conduse în generatorul de abur (GA) care funcţionează, prin urmare, fără combustibil;

• exploatarea individuală a unei turbine cu gaze şi exploatarea combinată a celeilalte turbine;

• exploatarea numai a generatorului de abur şi, în acest caz, alimentarea cu combustibil (de preferinţă tot gaz natural ca şi la turbinele cu gaze) şi aer proaspat, prin suflantă.


Fig. 5.1. O posibilă configuraţie a ciclului combinat

În varianta combinată, gazele eşapate, conţinând încă oxigen de la una dintre turbine, alimentează generatorul de abur. Cealaltă turbină funcţionează individual, folosindu-şi propriul coş de evacuare.

5.3. Diminuarea oxizilor de azot prin măsuri secundare

Dificultăţile şi limitele metodelor primare, prezentate anterior, impun, într-un mare număr de cazuri, recurgerea la tehnici secundare de reducere a oxizilor de azot (NOx) în avalul arderii, prin procedee post-combustie.

Aceste tehnici de reducere pot, de altfel, să fie combinate cu tehnicile de limitare a producerii de oxizi de azot (NOx), din timpul arderii.

Evaluarea tehnică a procedeelor secundare de diminuare a NOx, dintr-o centrală industrială, este redată în tabelul 5.3, [3].


Tabel 5.3.

Evaluarea tehnică a procedeelor secundare de diminuare a NOx dintr-o centrală

Procedeu

Reactiv Condiţii

ale

reacţiei

Produs

final

Nivelul

de separaţie atins

Starea de

dezvoltare

a procedeului

Posibilitatea

de aplicare a procedeului la

o centrală

industrilă

Condiţii

tehnice de realizare a

procesului

Soluţia

pentru criteriile

limită ale

procedeului ales

Reducere selectivă necatalitică

NH3 900-10000

C

N2, H2O

40-50 Mai multe instalaţii în Japonia şi Germania

Conditionată ca urmare a nivelului scăzut de separaţie. Trecerea NH3 de la 10 la 15 ppm având în vedere raportul molar NH3/NOx >1.6

Posibil în cazul aplicării măsurilor primare

Numai pentru diminuarea oxizilor de azot rezultaţi ducând la 100-150 mg/Nm3

Reducerea NOx format la ieşire

Uree+ aditivi

600-1000 0C

N2, CO2, H2O

Carbon <85 Carburant<70

În mai multe instalatii din SUA şi Germania

Da. Trecerea NH3 – ului rezidual de <5ppm este garantată

Posibil în cazul aplicării măsurilor primare

Da pentru diminuarea NOx de la 450 la 200-150 mg/Nm3

Reducere selectivă catalitică Reactor DENOX

NH3 Cataliza-tor 300-4000C

N2, H2O

>80 Numeroase instalaţii industriale în exploatare

Da. Trecerea NH3-ului rezidual de >5ppm

Posibil într-un reactor

Procedeul este posibil.

Tehnicile de reducere în aval, postcombustie, se împart în 3 mari categorii: • reducere selectivă necatalitică (SNCR - Selectiv non catalitic reduction); • reducere selectivă catalitică (SCR - Selective catalitic reduction); • distrugerea prin recombustie (reburning sau ardere repetată).

Reducerea NOx prin măsuri primare şi secundare, la un generator de abur pe combustibil lichid, se face după secvenţa redată în figura 5.2.

De remarcat că evoluţia efectivă a NOx este raportată la conţinutul iniţial al combustibilului utilizat, iar concentraţia de O2 în gazele finale este de 3 %, pentru combustibil lichid (păcură). Pe grafic s-au notat: 0 –starea iniţială; 1 – combustie etajată; 2 – montarea unor noi injectoare cu atomizarea păcurii cu abur; 3 – recircularea gazelor arse în aerul de ardere; 4 – introducerea de aer la nivelul superior al arzătoarelor; 5 – măsuri secundare; I – măsuri primare; II – măsuri secundare.

Excesul de aer scade o dată cu introducerea unor noi măsuri de reducere a NOx.


Fig. 5.2. Secvenţa măsurilor primare (I) şi secundare (2) de diminuare a NOx

Comparaţia eficienţei măsurilor primare şi secundare cu tipul de combustibil este redată în figura 5.3, [4].

În acest caz, concentraţia de oxigen în gazele evacuate a fost considerată de 3% pentru combustibil lichid (păcură) şi de 6 % pentru combustibil solid (cărbune).

Pe grafic s-au notat cu litere bolduite măsurile aplicabile în cazul

combustibilului lichid, având semnificaţia anterioară şi cu litere normale măsurile aplicabile în cazul combustibilului solid, având semnificaţia: 0 –starea iniţială; 1 – combustie etajată; 2 – aer la nivelul superior al arzătoarelor, pe pereţii laterali; 3 – recircularea gazelor arse în aerul de ardere; 4 – reardere prin injecţie complementară de combustibil (în general gaz natural); 5 – introducerea de reducători în combustibil.


Fig.5.3. Comparaţia eficienţei măsurilor primare (I) şi secundare (2) funcţie de combustibil

5.4. Măsuri posibile pentru diminuarea oxizilor de azot

Măsurile prezentate în tabelul 5.4, în vederea reducerii emisiilor de NOx, sunt în principiu aplicabile tuturor instalaţiilor.

Totuşi, potenţialul de reducere trebuie să facă în fiecare caz, obiectul unui studiu particular.

După cum rezultă şi din figura 5.3, măsurile primare nu pot realiza singure limitarea emisiilor de NOx sub normele uzuale în vigoare.

Acest fapt este evident la instalaţiile de ardere cu putere termică mare (în general peste 300 MW).

O posibilă soluţie constructivă de reechipare a unei centrale existente pentru introducerea de uree, ca măsură secundară de control a NOx, este prezentată în figura 5.4.


Tabel 5.4.

Rezumatul conceptelor de modificare a proceselor de combustie

Principalele măsuri de aplicat Condiţii de

combustie

Obiectivul

măsurilor

Efect asupra

NOx termic

Efect asupra

NOx din

combustibil Modificarea

reglajului de

exploatare

Modificarea

echipamentelor Măsuri

constructive importante

Scăderea conţinutului de O2 în zona primară a flăcării

Scăderea cantităţii totale de O2. Combinarea tardivă a combustibilului cu aer. Zona primară a flăcării bogate în combustibil

Diminuarea zonelor bogate în O2 cu o pondere importantă de NO2 din flamă. Răcirea şi diluarea flăcării; în timpul fazei de întârziere a combinării scade temperatura Racirea flăcării în zona primară şi continand O2 redus

Diminuarea interacţiunii O2 -ului cu derivaţii azotici intermediari din combustibil. Azotul volatil din combustibil este redus la N2 în absenţa O2 Azotul volatil din combustibil este redus la N2, în absenţa O2

Combustie cu exces scăzut de aer Reglajul arzătoarelor Combustie cu aporturi diferite de oxigen la arzătoare

Recircularea gazelor arse Arzătoare cu o formar redusă de NOx. Conducte de aer adiţionale

- Concepţie optimală a arzătoarelor si a camerei de combustie Conceperea arzătoarelor şi a camerei de pentru o combustie bietajată

Scăderea temperaturii maxime a flăcării

Diminuare adiabată a temperaturii flăcării Diminuarea intensităţii combustiei. Răcirea intensificată a zonei flăcării / reducerea perioadei de stagnare

Suprimarea directă a producerii NOx termic O mai bună răcire a zonei flăcării scade vârful de temperatură O mai bună răcire a zonei flăcării scade vârful de temperatură

Fără efect Efect direct scăzut, efect indirect asupra amestecului Fără efect

Preîncălzirea redusă a aerului Diminuarea sarcinii Înclinaţia arzătoarelor

Injecţia cu apa şi recircularea gazelor arse

- Mărirea camerei de combustie şi a spaţiului ocupat de arzătoare Reconstructia suprafeţelor de încălzire şi concepţia camerei de combustie

Diminuarea chimică a NOx în josul flamei

Injectarea unui agent reductor

Descompunere Descompunere - Insuflare cu amoniac posibilă la anumite blocuri

Reconstrucţia zonei de contact pentru injecţia de NH3.


Fig.5.4. Cocept de reechipare pentru injecţia de uree

Depozitul de produse chimice necesare, ca şi staţia de pompare şi amestecare a ureei, trebuie integrate şi instalate într-o cuvă de beton, plasată în incinta centralei.

Soluţii posibile de aplicare a recirculării aerului sunt redate în figura 5.5. Gazele recirculate sunt extrase la extremitatea inferioară a celui de-al doilea traseu, din bolta generatorului de abur, apoi sunt conduse către mixerul situat pe partea de aspiraţie a suflantei de aer necesar arderii.

Sunt necesare modificări minore pentru a suporta creşterea de 30 % a debitului gazelor. Dacă pentru canalele de gaze acest fapt conduce la creşterea vitezei de circulaţie şi îmbunătăţeşte transferul termic convectiv, pentru suflanta de recirculare şi ventilatoare sunt necesare supradimensionări faţă de soluţia iniţială, sau, în unele cazuri, chiar alte astfel de echipamente. De menţionat că sunt posibile două soluţii, cu suflantă (I )şi fără suflantă de recirculare ( II ), funcţie de presiunea din focar.

Pentru preîncălzirea aerului în perioada rece se menţine caloriferul, alimentat cu abur, ca agent termic primar.


Fig.5.5. Posibilităţi de integrare a unei recirculări a gazelor arse

Cele mai multe cercetări s-au efectuat referitor la modificarea condiţiilor de ardere, respectiv prin:

• modificarea unghiului de injecţie a combustibilului la fiecare dintre arzătoare, prin robineţii conductelor;

• introducerea în interiorul robineţilor conductelor cu gaz, a unor diafragme, modificând repartiţia gazului natural între nivelurile 1 si 2 ale arzătoarelor;

• anclanşarea diferitelor arzătoare, ţinând cont de excesul lor de aer.

Ansamblul acestor măsuri permite reducerea emisiilor de NOx de la 10 la 15%. În funcţie de procedeul de exploatare şi de puterea electrică furnizată, emisiile de NOx se situează între aproximativ 100 şi 200 mg/Nm3, funcţie de


încărcarea grupului. Schema de aer la un generator de abur pe combustibil lichid este redată în

figura 5.6, iar pentru combustibil solid (cărbune) în figura 5.7.

Fig.5.6. Schema aerului şi a gazelor arse la unui generator de abur pe păcură

Condiţia prealabilă pentru realizarea conceptului de ansamblu optim, necesar menţinerii calităţii mediului, constă în cunoasterea modificărilor necesare, având ca obiect sistemele de combustie şi a măsurilor suplimentare eventuale pentru a reduce NOx.

Atunci când puterea termică este mai mică de 300 MW, introducerea arzătoarelor denumite LOW-NOx permite menţinerea emisiilor de NOx sub 450 mg/Nm3. Atunci când centrala termică este alimentată cu păcură sau când este exploatată la o putere termică de 300 MW, măsurile primare nu mai sunt eficiente. Trebuie să se recurgă la măsuri secundare pentru a menţine valoarea limită a emisiilor de NOx sub 450 mg/Nm3.

Procedeul de reducere catalitică selectivă permite coborârea emisiilor de NOx sub 150 mg/Nm3, garantându-se o pondere de amoniac rezidual mai mică de 5 ppm.

Având în vedere faptul că protecţia mediului înconjurător impune, de


asemenea, şi reducerea emisiilor de CO2, rezultat în urma procesului de combustie, trebuie să se ţină cont în analiza măsurilor şi soluţiilor de faptul că, reacţia ureei cu NOx poate provoca o creştere a CO2 în vapori.

Fig.5.7. Schema aerului şi a gazelor arse la unui generator de abur pe cărbune

Pentru respectarea valorilor limită ale NOx, la schemele analizate, se aplică următoarele măsuri primare:

• recircularea gazelor arse – gazele arse recirculate sunt conduse către amestecătorul aer-gaze care trebuie să fie instalat pe partea de admisie a dispozitivului de aspiraţie existent;

• noile condiţii de exploatare impun modificarea ventilatorului de aer proaspăt, adică adaptarea acestuia la noile condiţii de exploatare;

• s-a procedat la o optimizare a repartiţiei combustibilului şi a aerului la diferite niveluri ale arzătoarelor cu gaz.

Paralel cu reducerea emisiilor de NOx, următoarele măsuri servesc şi la scăderea producerii de CO:

• o nouă repartiţie a combustibilului, cu accentul pe nivelul arzătoarelor inferioare şi transferul majorităţii aerului comburant sub formă de aer “superior” la nivelul arzătoarelor superioare;


• preîncălzirea aerului cu ajutorul caloriferului şi, de asemenea, cu ajutorul gazelor arse recirculate.

Costurile orientative, în $ pe MW de putere termică, implicate de măsurile

primare şi secundare sunt redate în figura 5.8.

Fig.5.8. Comparaţia costurilor măsurilor primare şi secundare.

66 .. PP OO LL UU AA RR EE AA AA EE RR UU LL UU II --

SS OO LL UU ŢŢ II II DD EE LL II MM II TT AA RR EE

6.1. Poluanţii aerului

Poluanţii aerului pot fi clasificaţi în două mari categorii: naturali şi artificiali. Sursele naturale ale poluanţilor naturali includ: praful purtat de vânt, gazele şi cenuşa vulcanică, ozonul provenit din trăsnete şi din stratul de ozon, esterul şi terpene din vegetaţie, fumul, gazele şi cenuşa zburătoare din incendierea pădurilor, polenul şi alte aero–alergice, gazele şi mirosurile din activităţi biologice, radioactivitatea naturală. Aceste surse au produs poluarea de până acum şi constituie acea porţiune a problemei poluării, asupra căreia activităţile de control pot avea efect redus sau chiar nici un efect.

Sursele realizate de către om acoperă un spectru larg de activităţi fizice şi chimice, care sunt principalii contribuabili la poluarea aerului urban. Poluanţii aerului rezultă ca urmare a generării energiei electrice, a milioanelor de vehicule, a materialelor aruncate de populaţie şi realizării a numeroase produse necesare traiul zilnic. Primele cinci mari clase de poluanţi sunt: particulele, dioxidul de sulf, oxizii de azot, compuşii organici volatili şi monoxidul de carbon. Anual, sunt generate sute de milioane de tone de aer poluant. În general, fiecare categorie de sursă de poluare are o contribuţie diferită la creşterea nivelului uneia dintre cele cinci clase principale de poluanţi.

Poluanţii aerului pot fi clasificaţi în funcţie de origine şi starea materiei. • Origine:

o primară - emişi în atmosferă dintr-un proces; o secundară - formaţi în atmosferă, ca rezultat al unei reacţii chimice.

• Starea materiei: o gazoasă - gaze precum: dioxidul de sulf, oxidul de nitrogen, ozonul,

monoxidul de carbon etc; vapori, cum ar fi: gazolina, solvent de vopsea, agenţi de curăţare uscată etc. ;

o particule, în final divizate în solide (de exemplu praful şi fumurile) şi lichide (picăturile, ceaţă şi aerosoli).

Poluanţi gazoşi. Poluanţii gazoşi pot fi clasificaţi în organici şi anorganici. Poluanţii anorganici constau în: • gaze sulfuroase - dioxid de sulf, trioxid de sulf, hidrogen sulfurat; • oxizi de carbon - monoxid de carbon şi dioxid de carbon; • gaze azotoase - monoxid de azot, dioxid de azot şi alţi oxizi de azot; • halogenuri, hidruri - acid fluorhidric, acid clorhidric, cloruri, fluoruri,

tetrafluorura de siliciu;


• produşi fotochimici - ozon, oxidanţi; • cianuri - acid cianhidric; • compuşi cu azot - amoniac; • clorofluorocarburi – diclor, diclorodifluormetan, triclor, trifluoretan,

triclorofluor-metan, tetrafluoretan, clorodifluormetan, clorpentofluoretan; Sunt considerate substanţe organice poluante: • hidrocarburile precum: parafine - metan, etan, octan, acetilena, alefine -

etilena, butadiena, aromatice (benzen, toluen, xilen, stiren); • compuşi alifatici oxigenaţi ca: aldehide – formaldehide, cetona - acetona,

metiletilcetona, acizi organici, alcooli - metanol, etanol, izopropanol, hidruri organice, sulfuri organice - dimetil sulfat, hidroxizi, peroxizi - nitriţi sau nitraţi (denumiţi generic PAN).

Particule poluante. Particulele pot fi definite ca materie solidă sau lichidă, al căror diametru efectiv este mai mare decât al unei molecule, dar mai mic de 100 µm. Particulele dispersate în mediul gazos sunt definite în mod colectiv drept aerosoli. Termenul de fum, ceaţă, abur sau praf este în mod comun folosit pentru a descrie diferite tipuri de comportament caracteristic al particulelor dispersate.

Aerosolii sunt dificili de clasificat pe o bază ştiinţifică, în funcţie de proprietăţile lor fundamentale, precum: rata de stabilire sub influenţa forţelor externe, proprietăţi optice, abilitatea de a absorbi sarcina electrică, mărimea şi structura particulei, raporturile suprafaţă – volum, activitatea de reacţie, acţiunea fiziologică şi altele.

În general, mărimea particulei şi rata de depunere au fost considerate proprietăţi caracteristice pentru majoritatea scopurilor. Particulele de ordinul unui µm sau mai puţin, se depun atât de încet încât, din motive practice, sunt privite ca suspensii permanente.

În ciuda posibilelor avantaje ale clasificării ştiinţifice, folosirea termenilor descriptivi populari precum: fum, praf, ceaţă, care se bazează, esenţial, pe modul de formare, pare să fie o metodă satisfăcătoare şi convenabilă de clasificare. În plus, această abordare este atât de bine stabilită şi înţeleasă încât, fără îndoială, va fi greu de înlocuit.

Praful este format în mod obişnuit prin pulverizarea sau dezintegrarea mecanică a materiei solide în particule de mărime mică, prin procese cum ar fi, măcinarea, lovirea şi perforarea. Mărimea particulelor de praf se încadrează într-o limită mică de 1 µm până la 100 sau 200 de µm sau mai mult. Particulele de praf sunt, în mod normal, neregulate ca formă, iar mărimea particulei se referă la dimensiuni medii pentru orice particulă dată. Exemple practice sunt cenuşa zburătoare, praful provenit din roci şi făina obişnuită.

Fumul implică un anumit grad de densitate şi derivă din arderea materialelor organice cum ar fi: lemnul, cărbunele şi tutunul. Particulele de fum sunt foarte fine, fiind cuprinse ca mărime între 0.01 µm până la 1 µm. Sunt, în mod obişnuit, de

Poluarea aerului – soluţii de limitare 103

formă sferică, dacă au compoziţie lichidă şi de formă neregulată, dacă au compoziţie solidă. Datorită mărimii particulelor foarte fine, fumul poate rămâne în suspensie pe perioade mici de timp şi dezvoltă mişcări browniene foarte puternice.

Fumul incolor este în mod tipic format, în general, la temperaturi relativ mari, prin procese cum sunt: sublimarea, condensarea, combustia.

Ceaţa este formată, în mod tipic, fie prin condensarea apei sau a altor vapori pe nuclee potrivite, fie prin suspensia picăturilor mici de lichid, fie prin odorizarea lichidelor. Mărimea particulelor de ceaţă naturală se situează între 2 şi 200 µm. Picăturile mai mari de 200 µm sunt, în mod corect, clasificate ca burniţă sau ploaie.

Când substanţa solidă sau lichidă este emisă în aer sub formă de particule, proprietăţile şi efectele sale se pot modifica. Atunci când o substanţă este ruptă în particule din ce în ce mai mici, o suprafaţă mai mare din aria sa este expusă aerului. În aceste circumstanţe, substanţa, indiferent de compoziţia sa chimică, tinde să se combine fizic şi chimic cu alte particule şi gaze din atmosferă. Combinaţiile rezultate sunt, în mod frecvent, greu de anticipat.

Particulele de aerosoli foarte mici, de la 0.001 la 0.01µm, se pot comporta ca nuclee de condensare pentru a facilita condensarea vaporilor de apă, astfel având loc formarea ceţei subţiri şi a ceţei groase de la suprafaţa solului. Particule mai mici de 2 sau 3 µm (aproximativ jumătate din greutatea particulelor suspendate în aerul urban), pot penetra membrana mucoasă şi atrag, pentru a preschimba substanţele chimice care, în mod normal, nu fac rău, cum ar fi dioxidul de sulf. Pentru a ţine seama de efectele particulelor inhalabile foarte fine, s-a înlocuit standardul aerului ambiant, care lua în consideraţie particulele totale suspendate (TSP), cu standarde pentru particulele mai mici de 10 µm, în mărime (PM10).

În virtutea suprafeţei crescânde a particulei mici de aerosoli şi ca rezultat al absorbţiei moleculelor de gaz sau a altor câtorva proprietăţi, capabile să faciliteze reacţii chimice, aerosolii tind să aibă o mărime foarte mare a suprafeţei de activitate. Multe substanţe, care oxidează încet în starea lor masivă, vor oxida extrem de repede sau posibil chiar exploziv, când sunt dispersate ca particule fine în atmosferă. Exploziile de praf, de exemplu, sunt deseori cauzate de arderi instabile sau oxidări de particule de combustibil. Absorbţia şi fenomenul catalitic pot, de asemenea, să fie extrem de importante în analizarea şi înţelegerea problemelor particulelor poluante.

Conversia dioxidului de sulf în acid sulfuric corosiv, sub acţiunea catalitică a particulelor de oxid de fier, de exemplu, demonstrează natura catalitică a anumitor tipuri de particule în atmosferă.

Aerosolii pot absorbi energie radiantă şi conduc rapid căldura în gazele înconjurătoare din atmosferă. Ca rezultat, aerul care intră în contact cu aerosolii poate deveni mult mai cald.

Există gaze care, în mod obişnuit, sunt incapabile să absoarbă energia radiantă.


6.2. Estimarea emisiilor provenite de la surse

Cunoştinţele despre tipurile şi ratele de emisie sunt fundamentale pentru a evalua orice problemă de poluare a aerului, iar un bilanţ al materialelor din proces poate ajuta adeseori. Estimarea ratelor la care poluanţii sunt descărcaţi din diferite procese poate fi, de asemenea, obţinută prin utilizarea factorilor de emisie publicaţi, [1]. Factorul de emisie este o statistică a ratelor la care poluanţii sunt emişi din procese de ardere sau procesarea cantităţilor de material date, sau pe baza altor parametri. Factorii de emisie sunt acceptaţi în operaţiile de procesare, operare şi ardere şi depind de calitatea materialului folosit şi de eficienţa controlului poluării aerului.

Deoarece combinaţia acestor factori tinde să fie unica sursă, factorii de emisie corespunzători unei surse pot să nu fie satisfăcători pentru o alta. Din acest motiv, trebuie avut grijă şi luate cele mai bune decizii în identificarea factorilor de emisie, corespunzători fiecărei surse. Dacă aceştia nu pot fi găsiţi sau dacă echipamentul de control al aerului poluat este în fază de proiect, trebuie efectuate colectări de mostre de la sursele specifice.

6.3. Efectele poluanţilor aerului

Daunele pe care poluanţii aerului le pot aduce unor materiale sunt bine cunoscute: ozonul din smogul fotochimic crapă cauciucul, slăbeşte ţesăturile şi decolorează vopseaua; hidrogenul sulfurat scade din strălucirea argintului; fumul murdăreşte hainele; aerosolii acizi distrug materialele feroase. Printre cele mai importante efecte sunt: decolorarea, corodarea, murdărirea şi reducerea vizibilităţii.

• Decolorarea. Mulţi poluanţi ai aerului se acumulează şi decolorează clădirile. Nu numai că unele substanţe înnegresc clădirile, dar se pot şi încrusta (face coajă). Aceasta poate ascunde linii şi decoraţii şi, de aceea, dăunează aspectului estetic. Alt efect comun este înnegrirea vopselei albe pe bază de plumb sau hidrogen sulfurat.

• Coroziunea. Un efect mai serios şi cu o mare importanţă economică este acţiunea corozivă a gazelor acide asupra materialelor de construcţie. Astfel, acizii pot face suprafeţele din piatră să prezinte băşicuţe şi să ducă la decojiri, iar mortarul poate fi transformat în pulbere. Metalele sunt, de asemenea, atacate prin acţiunea corozivă a unor poluanţi. Alt efect comun este deteriorarea cauciucurilor şi a altor bunuri din cauciuc. Crăparea şi “uscarea” aparentă se petrec când aceste bunuri sunt expuse ozonului sau altor oxidanţi.

• Murdărirea bunurilor. Hainele, proprietăţi imobiliare, automobilele şi bunurile casnice pot fi uşor murdărite de contaminanţii aerului, iar curăţarea frecventă a acestora poate fi scumpă. De asemenea, curăţarea frecventă conduce adesea la o viaţă mai scurtă pentru materiale şi la nevoia de a cumpăra bunuri mai des.

• Reducerea vizibilităţii. Reducerea vizibilităţii atmosferice (adică descreşterea


domeniului de vizibilitate datorită poluării atmosferice) este cauzată de împrăştierea luminii solare de către particule suspendate în aer şi nu este datorată obturării. Deoarece împrăştierea luminii şi nu obturarea, este principala cauză a reducerii vizibilităţii, datorită prezenţei în aer a poluanţilor, aceasta este evidentă doar în zilele senine. În zilele noroase sau noaptea nu sunt efecte vizibile, deşi poate exista aceeaşi concentraţie de particule ca şi în zilele senine. Reducerea vizibilităţii poate crea probleme severe. Cele mai semnificative sunt efectele adverse în operaţii aeriene, rutiere şi portuare. Vizibilitatea redusă poate diminua calitatea vieţii şi poate cauza impresii estetice adverse, ce pot afecta serios turismul şi restricţiona dezvoltarea în orice domeniu. Condiţii extreme, cum sunt furtunile de praf sau nisip, pot cauza vătămări fizice.

Vegetaţia. Vegetaţia este mai sensibilă decât animalele, la mai mulţi contaminanţi ai aerului şi de aceea, au fost dezvoltate metode, ce folosesc reacţia plantelor, pentru a măsura şi identifica contaminanţii. Efectele poluării aerului asupra vegetaţiei pot fi: moartea, reducerea producţiei şi degradarea culorilor. Este interesant de notat că, în unele cazuri de degradare a culorii, precum argintarea vegetaţiei de către oxidanţi, planta poate fi totuşi folosită ca hrană, fără vreun pericol pentru consumator; oricum, consumatorul, de obicei, cumpără legumele pe baze estetice, deci, proprietarul va realiza pierderi. Printre poluanţii ce pot afecta plantele sunt: dioxidul sulfurat, fluorura de hidrogen şi etilenul. Daunele plantelor cauzate de constituenţii fumului fotochimic au fost studiate mult. Daunele pot fi asociate acţiunii ozonului şi nitraţilor de peroacetil, aldehidelor şi produse ale reacţiei ozonului cu olefine. Oricum, nici unul dintre aceste exemple nu explică toate daunele, iar problemele rămân deschise pentru discuţii şi studii viitoare.

Animalele. O muncă considerabilă continuă să fie desfăşurată în legătură cu efectele poluanţilor asupra animalelor, inclusiv pentru câteva specii, experimentele implicând amestecuri de poluanţi şi amestecuri de sisteme gaz-aerosol. În general, cercetarea a arătat că poluanţii compuşi se pot comporta în feluri diferite. Pot produce un efect aditiv, constând în suma efectelor fiecărui contaminant ce activează singur, un efect mai mare decât cel aditiv (sinergetic) sau mai mic (antagonistic) sau pot produce un efect ce diferă de cel simplu aditiv.

Mecanismul prin care un animal poate fi otrăvit, în multe situaţii, este diferit de acela prin care sunt afectaţi oamenii. La oameni, inhalarea este o importantă cale de expunere la poluanţi aerieni. Probabil, cea mai comună expunere pentru animalele erbivore, ce se hrănesc dintr-o zonă poluată, este ingerarea de hrană contaminată de poluanţii aerieni. În acest caz, inhalarea are o importanţă secundară.

Poluanţii aerului care pun în pericol animalele sunt cei purtaţi de vegetaţie sau depozitaţi în plante. Au fost observaţi numai câţiva poluanţi care au efecte negative asupra animalelor. Printre aceştia sunt incluşi arsenicul, fluoridele, plumbul, mercurul.


Oamenii. Există o problemă importantă, deoarece pe durata a mai multor evenimente grave, poluarea aerului poate avea un efect semnificativ asupra sănătăţii, în special asupra copiilor, bătrânilor sau oamenilor bolnavi. Este evidentă ameninţarea cronică a sănătăţii umane în cazul poluării aerului. Această evidenţă apare în domenii diverse, de la creşterea rapidă a emfizemei, ca problemă majoră de sănătate, identificarea compuşilor cancerigeni în fum, la dovezi statistice precum că, la oameni, expunerea la atmosfere poluante, pe perioade extinse de timp, şi privarea de alimente, conduc la o reducere a speranţei de viaţă. Poate exista o expunere indirectă, semnificativă la poluarea aerului. Cum am arătat anterior, poluanţii aerului pot fi conţinuţi de vegetaţie sau ape, de unde intră în hrană.

Sunt disponibile dovezi suficiente care indică faptul că, poluarea atmosferică în grade diferite, afectează sănătatea. Aceasta contribuie la creşterea mortalităţii şi la dezvoltarea prematură a bolilor respiratorii cronice. S-a demonstrat existenţa unei relaţii între intensitatea poluării şi gravitatea efectelor asupra sănătăţii şi o consistenţă a relaţiei dintre aceste presiuni ale mediului şi boli ale organelor vitale. Poluanţii aerului pot iniţia şi agrava diferite boli respiratorii, inclusiv astmul. De fapt, prezentarea clinică a astmului poate fi o dereglare a imunităţii împotriva aerului poluat, produsă de diferiţi iritanţi din aer, precum polen, agenţi infecţioşi, substanţe chimice gazoase şi sub formă de particule. Răspunsul bronhopulmonar la aceşti agenţi iritanţi este bronhospasmul sau hipersecreţia, căile respiratorii fiind blocate intermitent şi reversibil.

Efectele poluanţilor aerieni asupra funcţiilor senzoriale ale oamenilor sunt foarte largi. Poluanţii olfactivi cauzează oamenilor un deranj minor, totuşi, dacă persistă, pot duce la iritaţii, depresii, nelinişte şi supărări. Monoxidul de carbon poate cauza moartea, după depresia centrilor respiratori ai sistemului nervos central. Expunerea repetată şi prelungită la monoxidul de carbon poate ataca protecţia senzorială, percepţia temporară şi unele funcţii vitale. Aerosolii naturali din lipide pot intra în corp şi pot fi absorbiţi de lipidele sistemului nervos central. Odată ajunşi acolo, efectele lor pot persista mult timp, după ce contactul iniţial a luat sfârşit. Exemple de agenţi care au efecte cronice pe termen lung sunt: fosfatul organic, pesticidele şi aerosolii ce poartă plumb, metale, mercur şi cadmiu.

Efectele toxicologice acute ale majorităţii contaminanţilor aerieni sunt destul de bine înţelese, dar efectele expunerii la amestecuri heterogene de gaze şi particule în concentraţii mici, de abia încep să fie înţelese. Două abordări generale pot fi folosite pentru a studia efectele contaminanţilor aerului asupra oamenilor: epidemoilogia, care încearcă să asocieze efectul cu cauza, pentru grupuri mari şi cercetarea în laborator, care începe cu cauza şi încearcă să determine efectele. Epidemiologia, cea mai costisitoare dintre cele două, necesită o mare grijă în planificare şi adesea, suferă din cauza informaţiilor incomplete şi din lipsa controlului. Un mare avantaj este faptul că, barierele morale nu limitează aplicarea pe oameni, aşa cum se întâmplă cu unele cercetări de laborator. De aceea, metoda este mult folosită, furnizând informaţii considerabile. Cercetarea de laborator este


mai puţin costisitoare decât epidemiologia şi rezultatele pot fi verificate prin repetarea experimentelor.

6.4. Fenomene fizico-chimice care stau la baza

controlului emisiilor gazoase

Există patru fenomene fizico-chimice operaţionale folosite în general pentru controlul emisiilor gazoase: absorbţia, adsorbţia, combustia, condensarea.

Mai există alte trei fenomene chimice inginereşti operaţionale, folosite în ultimii ani, respectiv: biofiltrarea, filtrarea prin membrane, reducerea

catalitică selectivă.

Absorbţia. Proiectele inginereşti ale echipamentului pentru echipamentele de absorbţie a gazului, trebuie să se bazeze pe aplicarea eficace a principiilor difuziei, a echilibrului chimic şi transferului de masă.

Procedura generală de proiectare constă într-un număr de etape ce trebuie luate în consideraţie. Acestea includ:

• alegerea solventului; • evaluarea datelor la echilibru; • estimarea datelor de funcţionare (de obicei constând în determinarea masei

şi a energiei şi în care bilanţul de energie decide dacă bilanţul de absorbţie poate fi considerat izoterm sau adiabat);

• alegerea coloanei (s-ar putea ca alegerea coloanei să nu fie evidentă sau specificată, iar calculul trebuie să ţină cont de diferite tipuri de coloane şi se bazează în final pe considerente economice);

• calculul diametrului coloanei (pentru coloane cu umplutură, se bazează de obicei pe condiţiile de curgere, iar pentru cele cu talere pe viteza optimă a gazului, sau pe capacitatea de trecere a lichidului prin găurile talerului;

• estimarea greutăţii coloanei sau a numărului de talere (în cazul coloanelor cu umplutură greutatea coloanei se calculează prin multiplicarea numărului de unităţi de transfer, obţinute prin cunoaşterea datelor de operare şi de echilibru, cu înălţimea unei unităţi de transfer; pentru coloane cu talere, numărul de straturi teoretice, determinat din graficul de echilibru şi din liniile de operare, este împărţit la eficienţa generală estimată a talerelor, pentru a determina numărul de plane prezente, care permite estimarea înălţimii coloanei pe baza spaţierii planelor);

• determinarea scăderii de presiune pe coloană (pentru coloane cu umplutură, corelaţia depinde de tipul umpluturii, de parametrii de funcţionare ai coloanei şi de proprietăţile fizice ale constituenţilor implicaţi, care trebuie cunoscuţi pentru a estima scăderea de presiune prin umplutură; pentru coloane cu talere, aceasta se obţine şi este multiplicată cu numărul de plane).


Alegerea solventului. Alegerea unui solvent anume este foarte importantă. În mod frecvent, este folosită apa, pentru că este foarte ieftină şi în abundenţă, dar la alegerea solventului trebuie luate în consideraţie şi proprietăţile de mai jos.

• Solubilitatea gazului. Un gaz cu solubilitate mare este preferat atât timp cât creşte rata de absorbţie şi se micşorează cantitatea de solvent necesar. În general, solvenţii cu compoziţie chimică asemănătoare cu cea a soluţiei ce trebuie absorbită duc la formarea unei solubilităţi bune.

• Volatilitatea. Este de dorit un solvent cu o presiune joasă de vaporizare, deoarece gazul care părăseşte unităţile de absorbţie este saturat cu solvent şi, astfel, nu se va pierde prea mult.

• Corozivitatea. Un solvent corosiv atacă coloanele de separare, producând necesitatea înlocuirii frecvente a acestora.

• Costul. Dacă costul este redus, atunci şi operaţia de curăţare devine mai ieftină.

• Vâscozitatea. Se preferă o vâscozitate redusă din motive de absorbţie rapidă, deoarece îmbunătăţeşte condiţiile de curgere, de unde rezultă scăderi de presiune mici şi caracteristici bune de transfer a căldurii.

• Stabilitatea chimică. Solventul ar trebui sa fie stabil din punct de vedere chimic şi, dacă este posibil, neinflamabil.

• Toxicitatea. Deoarece solvenţi pot veni în contact cu oamenii, este de dorit ca aceştia să nu fie toxici, nici în starea iniţială şi nici în starea finală.

• Punct de îngheţare scăzut. Dacă este posibil, un punct de solidificare scăzut este preferat, deoarece orice solidificare a solventului pe coloană face coloana inoperantă.

Echipamentul. Principalele tipuri de echipamente pentru absorbţia gazului pot fi clasificate în: coloane cu umplutură (operare continuă), coloane cu talere (operare în straturi), altele.

Din cele trei categorii, coloana cu umplutură este, de departe, cea mai folosită pentru absorbţia gazelor poluante.

A treia categorie de echipamente de absorbţie a gazului poate include fixarea gazului, aceasta fiind clasificată de obicei ca fiind umedă sau uscată. În sistemele de desulfurare umedă, turnul de absorbţie utilizează un absorbant pe bază de var, care reacţionează cu gazele acide, formând un biprodus umed sau solid.

Desulfurarea uscată poate fi grupată în trei categorii: 1) uscarea prin împrăştiere; 2) uscarea prin împrăştiere circulantă; 3) injecţia uscată. Toate aceste sisteme duc la formarea unui produs uscat, care poate fi captat cu un filtru cu sac textil, evitându-se costurile implicate de sistemele de epurare a apei uzate. Filtrul sac este foarte eficient în captarea emisiilor de particule şi, mai mult, în filtru sac continuă îndepărtarea gazelor acide.

Adsorbţia. Proiectarea echipamentelor pentru adsorbiţia gazelor este, în multe privinţe, analoagă cu cea a echipamentelor gazelor absorbite, un adsorbant


solid înlocuind lichidul solvent. Similaritatea este evidentă în ecuaţiile de material şi a bilanţului energetic, ca şi în cazul metodelor de determinare a înălţimii coloanei. Selecţia finală, aşa cum ne putem aştepta, depinde în totalitate de economia generală a proceselor.

Selectarea unui adsorbant. Adsorbanţii industriali sunt capabili, în general, să adsoarbă gaze şi vapori, atât organici cât şi anorganici. Oricum, caracteristicile preferenţiale ale adsorbţiei şi alte proprietăţi fizice fac, mai mult sau mai puţin, pe fiecare dintre ei să fie specifici pentru anumite aplicaţii. În general, experienţele au arătat că, pentru adsorbţia vaporilor dintr-un mediu organic, carbonul activat are proprietăţi superioare, având proprietăţi selective ale hidrocarbonului şi o mare capacitate de adsorbţie pentru acest gen de materiale. Adsorbanţii anorganici, cum ar fi aluminiul activat sau gelul siliconic, pot fi, de asemenea, folosiţi pentru adsorbţia materialelor organice, dar pot apărea dificultăţi în timpul regenerării. Aluminiul activat, gelul siliconic şi sitele moleculare vor adsorbi de preferat orice vapor de apă cu conţinut organic.

Metoda normală de regenerare a adsorbanţilor este aceea de a folosi vapori, gaze inerte (azot) sau alte gaze vaporizatoare, iar în majoritatea cazurilor acestea pot cauza cel puţin o uşoară descompunere a componenţilor organici ai adsorbantului. Apar două dificultăţi: 1) incompleta refacere a adsorbantului, deşi aceasta poate fi neimportantă; 2) deteriorarea progresivă a capacităţii adsorbantului, ca urmare a creşterii numărului de cicluri, datorită blocării porilor carbonului format la descompunerea hidrocarbonului. Pentru carbonul activ se foloseşte un proces de vaporizare, iar dificultatea regenerării este covârşitoare. Acest lucru nu este posibil în cazul gelului siliconic sau al aluminiul activat, datorită riscului distrugerii acestor materiale, când vin în contact cu apa lichidă.

În câteva cazuri, nici unul dintre aceşti adsorbanţi nu are o capacitate suficientă de reţinere a particulelor contaminante. În aceste aplicaţii, o suprafaţă extinsă a adsorbantului poate fi impregnată cu componente anorganice sau, în cazuri mai rare, cu componente organice cu o greutate moleculară mare şi care poate reacţiona chimic cu particule contaminante. De exemplu, carboni impregnaţi cu iod sunt folosiţi pentru îndepărtarea vaporilor de mercur, iar carboni impregnaţi cu brom, pentru îndepărtarea etilenului şi propilenului. Acţiunea acestor acizi este, ori o conversie catalitică, ori o reacţie cu componente nedorite sau mai multe componente uşor adsorbante. Pentru aceste cazuri, teoria generală a adsorbţiei nu se mai aplică tuturor efectelor procesului. De exemplu, îndepărtarea mercurului de către carboni impregnaţi cu iod are loc rapid, la o temperatură înaltă, şi o mai bună eficienţă poate fi obţinută chiar şi la o temperatură scăzută.

Deoarece adsorbţia are loc la limita dintre interfaze, suprafaţei de adsorbţie i se acordă o importantă consideraţie. În general, cu cât suprafaţa de adsorbţie este mai mare, cu atât creşte capacitatea de adsorbţie. În orice caz, suprafaţa trebuie să prezinte dimensiuni specifice ale porilor în interiorul adsorbantului. Acţiunea sitelor moleculare este puţin diferită de cea a adsorbanţilor, selectivitatea fiind


determinată de mărimea limitată a porilor anumitor site. În selectarea sitelor moleculare este important ca mărimea contaminantului ce trebuie îndepărtat să fie mai mică decât mărimea porului disponibil. Deci, este important nu numai ca respectivul adsorbant să aibă o afinitate pentru contaminantul respectiv, dar ca acesta să aibă o suprafaţă mare disponibilă adsorbţiei.

Fenomenul adsorbţiei. Procesul de adsorbţie cuprinde 3 etape necesare. Fluidul trebuie să vină primul în contact cu adsorbantul, moment în care adsorbatul este preferenţial sau selectiv adsorbit în adsorbant. Apoi, fluidul trebuie separat de adsorbantul adsorbit şi, în final, adsorbantul trebuie regenerat, îndepărtând adsorbatul sau înlocuind adsorbantul cu un material nou. Regenerarea se face în multe feluri, în funcţie de natura adsorbatului. Gazele sau vaporii sunt de obicei desorbiţi, fie prin creşterea temperaturii (ciclu termic) fie prin reducerea presiunii (ciclu de presiune).

Cel mai popular ciclu termic se realizează prin trecerea gazelor calde peste stratul de adsorbţie, în direcţia opusă deplasării în timpul ciclului de adsorbţie. Aceasta asigură că gazul care trece prin unitate, în timpul ciclului de adsorbţie, îndeplineşte întotdeauna condiţiile active ale adsorbantului şi menţine concentraţia minimă de adsorbant la ieşire.

Echipamentul de control al adsorbţiei. Dacă jetul de gaz trebuie să fie tratat pentru o perioadă scurtă, de obicei, este necesară o singură unitate de adsorbţie. Se presupune, desigur, că este disponibil un interval de timp suficient de mare între ciclurile adsorbţiei, pentru a permite regenerarea.

Dacă un jet de gaz tratat este cerut în mod constant, este necesară folosirea a uneia sau a mai multor unităţi capabile să lucreze în zona respectivă. Unităţile sunt proiectate pentru a ghida jeturile de gaz, fără întreruperi şi sunt caracterizate în funcţie de tipul de contact şi de etapele de regenerare, pentru a funcţiona în mod continuu. De departe, cel mai folosit sistem de adsorbţie la înlăturarea efectele nedorite, poluante, din jetul de gaz, constă într-un număr de paturi fixe într-o asemenea secvenţă, astfel încât fluxul de gaz să nu fie întrerupt.

Sunt folosite sisteme cu două sau trei paturi, cu unul sau două paturi, by-pasate, pentru regenerare, în timp ce celălalt pat este adsorbant. Un sistem tipic cu două paturi fixe este prezentat în figura 6.1.

Cele mai potrivite tipuri de sisteme pentru o anumită operaţie sunt determinate de cantitatea şi rata de adsorbţie a materialului, timpul dintre cicluri, timpul necesar pentru regenerare şi, atunci când este cazul, de timpul de răcire.

Tipic operaţiei de contact continuu pentru gazele poluante adsorbite este de a folosi un pat fluidizat. În timpul fazei stabilizate a operaţie de contact pe niveluri, gazul curge printr-o serie de paturi fluidizate, permiţând un contact maxim între gaz şi adsorbantul solid, pe fiecare nivel.

Un aranjament caracteristic al acestui tip este prezentat în figura 6.2, pentru adsorbţia multietajată contracurent cu regenerare.


ADSORBTIE REGENERARE

GAZ DEREGENERARE

FLUXPURIFICAT

GAZ REGENERATSI ADSORBANT

Fig. 6.1. Sistem tipic cu două paturi

Fig. 6.2. Adsorbţia cu regenerare contracurent pe mai multe trepte


În partea superioară a turnului particulele întâlnesc în contracurent, în sertare perforate relativ puţin adânci, fluxul de gaz care conţine poluantul, iar adsorbantul solid se mişcă din sertar în sertar, până în partea inferioară. În partea de jos a turnului, adsorbantul este regenerat prin contact similar cu gazul cald, care desoarbe şi transportă poluantul. Adsorbantul regenerat este apoi recirculat spre vârful turnului. Deşi tipul de operaţii contra-curent continuu prezintă anumite limitări, în cazul îndepărtării poluanţilor gazoşi din fluxurile de proces (de exemplu îndepărtarea dioxidului de carbon din componenţii sulfurici, ca sulfuri hidrogenate şi sulfuri carbonoase), este de departe cea mai comună operaţie folosită în prezent, absorbţia cu pat fix. Costul relativ ridicat al transportului de particule solide cerut de operaţiile din faza stabilă, fac ca adsorbţia cu pat fix să fie o alternativă economică atrăgătoare. Dacă operaţia intermitentă sau de pregătire finală este un sistem cu un singur pat, alternarea continuă între fazele de absorbţie şi regenerare este suficientă, [ 2].

Combustia. Multe componente organice eliberate din operaţiile de prelucrare pot fi convertite în dioxid de carbon şi apă inofensivă prin oxidare rapidă (reacţie chimică), respectiv combustie. Totuşi, combustia gazelor care conţin compuşi bazici, poate necesita şi un tratament de gaz acid la evacuarea arzătorului.

Pentru distrugerea contaminanţilor combustibili sunt folosite trei metode rapide de oxidare:

• ardere (combustie) directă cu flacără; • utilizarea unor comburanţi termici; • utilizarea unor comburanţi catalitici.

Metodele termice şi de ardere – combustie se caracterizează prin prezenţa flăcării în timpul combustiei. La procesul de combustie se face referire când se vorbeşte de “postardere” sau “incinerare”. Pentru atingerea combustiei totale (combinarea elementelor combustibile şi a compuşilor combustibilului cu tot oxigenul pe care îl pot utiliza) trebuie asigurat suficient spaţiu, suficient timp, o turbulenţă şi o temperatură destul de mare, ca să se aprindă constituenţii.

Cei trei „T” ai combustiei – timp, temperatură, turbulenţă – guvernează viteza şi complexitatea reacţiei de combustie. Pentru o combustie completă, oxigenul trebuie să intre în contact direct cu moleculele combustibilului la o temperatură suficientă şi pentru o perioadă suficientă de timp, astfel încât reacţia să fie completată. Reacţiile incomplete pot duce la formarea aldehidelor, acizilor organici, carbonilor şi monoxidului de carbon.

Echipamentul combustiei. Echipamentul pentru realizarea combustiei poate fi clasificat în trei categorii: 1) cu flacără; 2) incineratoare termice; 3) incineratoare catalitice.

Cu flacără. În multe operaţii industriale şi, în mod special, în uzinele chimice şi în rafinăriile de petrol, se produc cantităţi mari de deşeuri combustibile gazoase.

Aceste gaze rezultă din scurgerile nedetectate ale echipamentului de proces,


din condiţii necorespunzătoare prezente în timpul operaţiilor din proces, în care gazele trebuie ventilate pentru a se evita presiunile înalte periculoase din cadrul operării echipamentului, cât şi din pornirile şi din opririle de urgenţă ale procesului. Cantităţi mari de gaze pot rezulta, de asemenea, din produsele necorespunzătoare sau din produsele în exces, care nu pot fi vândute. Scurgerile sunt în general intermitente cu debite maxime de ordinul milioanelor de metri cubi pe oră.

Metoda preferată de control pentru gazele şi vaporii în exces este recuperarea lor într-un sistem de recuperare prin suflare. Oricum, mari cantităţi de gaz, în special în condiţii accidentale şi de urgenţă, sunt greu de prezervat şi reprocesat. În trecut, toate deşeurile gazoase erau eliberate direct în atmosferă. Aceste evacuări de gaze au creat probleme de sănătate şi mediu, iar acum se obişnuieşte colectarea acestor gaze într-un sistem închis, pentru a fi apoi arse pe măsură ce sunt evacuate.

Deşi arderile pot fi folosite pentru debarasarea de gaze în exces, asemenea sisteme pot prezenta probleme suplimentare de siguranţă. Acestea includ: posibilitatea unei explozii, posibilitatea iradierii termice de la flacără şi problema asfixierii în timpul arderii. În afara acestor aspecte de siguranţă, există alte probleme asociate cu arderea, ce trebuie urmărite în timpul proiectării şi funcţionării sistemului de ardere. Aceste probleme ar consta în: formarea fumului, luminozitatea flăcării, zgomotul din timpul arderii şi, în sfârşit, posibila emisie de poluanţi în aer în timpul arderilor.

De menţionat că arderea cu flacără este preferată în majoritatea situaţiilor când gazele conţin hidrocarbon. Pierderile de gaze compuse din gaz natural, propan, etilenă, propilenă, butadienă şi butan constituie, probabil, 95 % din materialul ars.

Arderile au fost folosite pentru a controla fluxurile intermitente de gaze, dar există date în folosinţă şi sisteme cu ardere continuă, în general, pentru volume mici de gaze. Valoarea calorifică a unui volum mare şi continuu de gaze este, de obicei, prea valoroasă pentru a putea fi irosită în cadrul acestui sistem de control prin ardere. Este preferată recuperarea vaporilor sau utilizarea acestora drept combustibil în procesul de încălzire. Deoarece, pentru ca gazul să ardă trebuie adăugat combustibil auxiliar, fluxurile continue mari de gaz sau gazele cu o putere calorică scăzută sunt de obicei arse mai eficient, într-un incinerator termic decât într-un sistem cu flacără.

Sistemele cu flacără sunt cele mai folosite pentru debarasarea de hidrocarburi. Flăcările au fost folosite cu succes în controlul gazelor urât mirositoare, ca mercaptanul şi aminele, dar trebuie avută grijă la arderea acestor gaze. Dacă flacăra nu este eficientă şi nu realizează o combustie bună, fumul nociv poate scăpa nears, cauzând astfel neplăceri.

Arderea hidrogenului sulfurat ar trebui evitată din cauza toxicităţii acesteia şi a mirosului greu de suportat. Mai mult, arderea unor cantităţi relativ mici de hidrogen sulfurat poate crea destul dioxid de sulf, care să cauzeze pagube recoltelor sau neplăceri la nivel local. Pentru gazele ale căror produşi de combustie pot crea


probleme, cum ar fi cele care conţin hidrogen sulfurat sau hidrocarburi clorinate, arderea nu este recomandată.

Incineratoare termice. Incineratoarele termice sau postarzătoarele pot fi folosite pentru o gamă largă de gaze, care au o concentraţie scăzută de vapori organici. Concentrarea compuşilor organici în aer trebuie să fie substanţial sub nivelul inferior de inflamare (limita inferioară de explozie). De regulă, se ia un coeficient de siguranţă suficient de mare (de 4:1). Reacţiile au loc la temperaturi ridicate, la care se pot asigura ratele chimice de reacţie pentru substanţele organice. Ca să ajungă la această temperatură, este necesară preîncălzirea fluxului de alimentare, folosind energia auxiliară. Odată cu fluxul de gaz contaminat, sunt introduse continuu în incinerator aer şi combustibil (vezi figura 6.3).

Fig. 6.3. Dispozitiv de combustie termică

Combustibilul şi contaminaţii sunt arşi într-un arzător, folosind oxigenul din aer. Arzătorul poate folosi aerul în procesarea deşeurilor ca aer de combustie pentru combustibilul auxiliar, sau poate folosi o sursă separată de aer. Produsele combustiei şi fluxul de alimentare care nu au reacţionat sunt amestecaţi intens şi intră în zona de reacţie a arzătorului. Poluanţii din fluxul de gaz procesat reacţionează pe măsură ce ating temperaturi înalte. Incineratorii termici au în general temperaturi de funcţionare de ordinul a 650 ÷ 980 ºC pentru combustia celor mai mulţi poluanţi (vezi tabelul 6.1). Este, de regulă, recomandabil un timp de rezidenţă de la 0.2 s la 1 s, dar acest factor este dictat, în primul rând, de considerente cinetice complexe.

Cinetica combustiei hidrocarburilor (HC), în prezenţa oxigenului în exces, poate fi simplificată în următoarea ecuaţie:

]HC[kdt

)HC(d⋅−=

( 6. 1)

unde k este o constantă a reacţiei de gradul întâi (s-1), iar t este timpul, în s. Dacă concentraţia iniţială este CA0, soluţia ecuaţiei 6.1 este:

tkC

C

A

A ⋅−=

0

ln

( 6. 2)


Ecuaţia (6.2) este folosită frecvent pentru modelarea unui arzător care utilizează fracţii molare de la 0.15 la 0.001 pentru oxigen şi HC. Rata constantă este, de obicei, dată sub următoarea formă (cunoscută sub denumirea de formă Arrhenius):

TREeAk

⋅−⋅= /

( 6. 3)

unde: A [ s ] - factorul experimental; E [ kJ/kmol ] - energia de activare; T [ K ] - temperatura absolută; R [ kJ/(kmol.K) ] ≈ 8315 - constanta universală a gazelor. Valorile lui A şi E sunt disponibile în literatură, [ 5].

Tabel 6.1.

Incineratoare termice- condiţii necesare

Categorie Timpul de rezistenţă

[ s ]

Temperatura [ ºC]

Emisiile de hidrocarbon distrugerea HC de peste 90 %

0.3 ÷ 0.5

590 ÷ 680 (*

Hidrocarburi + CO distrugere HC + CO de peste 90 %

0.3 ÷ 0.5

680 ÷ 820

Miros distrugere 50 ÷ 90 % distrugere 90 ÷ 99% distrugere > 99 %

0.3 ÷ 0.5 0.3 ÷ 0.5 0.3 ÷ 0.5

540 ÷ 650 590 ÷ 710 650 ÷ 820

Fum alb (ceaţă umedă)şi pană de fum reducerea penei distrugere HC + CO de peste 90 %

0.3 ÷ 0.5 0.3 ÷ 0.5

430 ÷ 540 (**

680 ÷ 820 Fum negru (funingine şi particule combustibile)

0.7 ÷ 1 760 ÷ 1100

* Temperatura cerută poate creşte la 760 ÷ 820 ºC, dacă conţinutul de metan şi substituenţi aromatici (toluen, xilen) este semnificativ.

** Se recomandă numai atunci când există odorizanţi.

Produsele finale ale combustiei sunt emise în continuu la ieşirea din reactor. Viteza medie a gazului poate varia între 3 m/s şi 15 m/s. Aceste viteze mari sunt necesare pentru a preveni fixarea particulelor (dacă sunt prezente) şi pentru a minimaliza pericolele exploziilor şi a incendiilor.

Combustibilul este, de obicei, gaz natural. Energia eliberată prin reacţie poate fi recuperată direct sau indirect, prin schimb extern adecvat de căldură (figura 6.4).

Din cauza temperaturilor ridicate de funcţionare, unitatea trebuie construită din metale care pot face faţă la astfel de condiţii. Dispozitivele de combustie prezintă o carcasă exterioară de oţel, care este căptuşită cu material refractar. Grosimea zidului refractor este, de obicei, cuprinsă între 0.05 m şi 0.23 m, depinzând de condiţiile de temperatură.

Câteva din avantajele incineratoarelor termice sunt: îndepărtarea gazelor organice, îndepărtarea particulelor submicrometrice, simplitatea construcţiei,


necesar mic de spaţiu. Printre dezavantajele incineratoarelor termice se numără: costuri ridicate de

operare, riscul de incendiu, posibilitatea întreruperii.

Fig. 6..4. Combustia termică cu recuperare de energie (căldură)

Incineratorii catalitici. Incineratorii catalitici sunt o alternativă a incineratorilor termici.

Pentru reacţiile simple, efectele prezenţei catalizatorului sunt: creşterea ratei de reacţie, posibilitatea ca reacţia să aibă loc la temperaturi joase, reducerea volumul reactorului.

Într-un incinerator catalitic tipic pentru combustia vaporilor organici, curentul gazos este trimis continuu de un ventilator în reactor, la o viteză de 3÷15 m/s, dar şi la o temperatura mai joasă, de obicei de la 350 la 425 ºC, faţă de incineratorii termici. Gazele care pot să fie sau să nu fie preîncălzite, trec printr-un pat catalitic, unde are loc reacţia de combustie. Produsele combustiei, care sunt alcătuite din vapori de apă, dioxid de carbon, vapori inerţi care nu au reacţionat, sunt eliberate continuu la o temperatură înaltă. Pot fi făcute economii de energie prin recuperarea căldurii de la ieşire.

Metalele din familia platinei sunt cunoscute pentru abilitatea lor de a promova combustia la temperaturi joase. Alţi catalizatori, posibil a fi utilizaţi, sunt: diverşi oxizi ai cuprului, cromului, vanadiului, nichelului şi cobaltului. Aceşti catalizatori îşi pot pierde din proprietăţi (se pot otrăvi), în special, datorită prezenţei halogenilor, compuşilor halogenilor şi sulfului, zincului, arsenicului, plumbului, mercururului şi a altor particule. De aceea, este important ca suprafeţele


catalizatorilor să fie curăţate şi activate pentru a asigura performanţe optime. Catalizatorii sunt un material poros, de regulă de formă sferică sau cilindrică,

cu un diametru variind de la 0.16 la 1.27 cm. Sunt recomandate dimensiuni mici, dar în acest caz creşte pierderea de presiune prin reactor. Alte forme pe care le pot avea catalizatorii sunt cele de fagure, fundă şi reţea. Deoarece catalizarea este un fenomen de suprafaţă, una dintre proprietăţile fizice ale acestor particule este ca suprafaţa poroasă internă să fie infinit mai mare decât suprafaţa externă.

Principalele etape ale conversiei catalitice a reactanţilor în produşi sunt: • transferul reactanţilor la produşii din afara suprafeţei catalitice; • difuzarea reactanţilor şi a produşilor în porii catalizatorului; • absorbţia activată a reactanţilor şi desorbţia produşilor în centrele active ale

catalizatorului; • reacţia sau reacţiile pe centrii activi ai suprafeţei catalitice.

În acelaşi timp, din efectele energiei, provenind din reacţia chimică, pot rezulta: transferul de căldură la sau de la centrele active, la suprafaţa de particule catalizatoare, transferul de căldură la şi de la reactanţi şi produşi prin particulele catalitice, transferul de căldură de la o particulă catalitică la alta, transferul de căldură la şi de la pereţii reactorului.

Principalele avantaje ale incineratorilor catalitici sunt: cerere scăzută de combustibil, în comparaţie cu incineratorii termici, temperaturi scăzute de funcţionare, cerinţe scăzute de izolare, risc redus de incendiu, probleme mici cu întreruperile funcţionării.

Printre dezavantajele incineratorilor catalitici sunt: cost iniţial mai ridicat decât la incineratorii termici, otrăvire catalizatori, necesitatea înlăturării particulelor mari, probleme de regenerare ale catalizatorilor, depozitarea catalizatorilor.

Proiectarea incineratorului şi ecuaţiile de performanţă. Cheia proiectării incineratorului şi a calculelor de performanţă este folosirea combustibilului adecvat şi dimensiunile fizice ale unităţii.

În cele ce urmează este prezentat un procedeu de calcul folosit în rezolvarea acestor doi parametri, presupunând că sunt cunoscute debitul fluxului de gaz, temperatura interioară, temperatura de combustie şi timpul de rezidenţă.

Temperatura de combustie şi timpul de rezidenţă pentru incineratori termici pot fi estimate din tabelul 6.1 şi cu ajutorul ecuaţiilor 6.1, 6.2 şi 6.3.

• Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea gazului în incinerator, Q, la o temperatura dată este

HQ ∆=

( 6. 4)

unde H∆ este creşterea de entalpie necesară atingerii temperaturii cerute de proces. • Ţinând seama de pierderile de căldură prin radiaţie, [ ]%rq∆ ,cantitatea de

căldură este:


( )H

qQ r ∆⋅

∆+=

100

100

( 6. 5)

• Debitul total de gaze, Td , este suma dintre debitul de combustibilul gazos

utilizat, cd şi debitul gazelor incinerate, gid , pentru temperatura de

funcţionare cerută:

gicT ddd +=

( 6. 6)

• Secţiunea dispozitivului de combustie, [ ]2mS , este dată de:

t

T

v

dS =

( 6. 7)

unde: [ ]s/m3Td este debitul total de gaz, iar [ ]m/stv este viteza fluxului de gaz la

temperatura de funcţionare a incineratorului.

Condensarea. Frecvent, în cadrul controlului poluării aerului, devine necesară tratarea unui efluent, constând din vapori condensaţi poluanţi şi gaz necondensabil. O metodă foarte populară de control, pentru a îndepărta astfel de poluanţi din fluxurile de proces gazoase, este condensarea. Condensarea poate fi folosită pentru a colecta emisii condensabile eliberate în atmosferă, în special când concentraţia de vapori este mare. Aceasta are loc, de obicei, prin scăderea temperaturii fluxului gazos, deşi o creştere a presiunii ar duce la acelaşi rezultat. Ultima soluţie este, de obicei, folosită în industrie şi este favorabilă pentru economie, deoarece schimbările de presiune (chiar şi cele mici) au loc la rate volumetrice mari de fluxuri gazoase.

Echipamentul de condensare. Există două tipuri de bază de condensatori folosiţi: de contact şi de suprafaţă.

În condensatorii de contact, fluxul gazos este adus în contact direct cu mediul de răcire, astfel încât vaporii se condensează şi se amestecă cu agentul de răcire.

Cel mai folosit sistem este condensatorul de suprafaţă (sau schimbătorul de căldură), în care vaporii şi mediul de răcire sunt separate de un perete. Dacă nu se pot realiza eficienţe de îndepărtare înalte cu condensatorii de vapori cu presiune scăzută, condensatorii sunt de obicei utilizaţi pentru pretratare, cu prioritate în faţa incineratorului, absorbitorului şi adsorbitorului.

Condensatori de contact. Condensatorul cu cameră de împrăştiere, condensatorii cu jet si condensatorii barometrici folosesc apa sau alt lichid, care vine în contact direct cu vaporii care vor fi condensaţi. Diferenţa de temperatură dintre starea lichidă şi vapori este foarte mică, deci eficienţa condensatorului este mare, dar sunt necesare cantităţi mari de lichid. Dacă vaporii sunt solubili în lichid, sistemul este în principiu unul absorbant. Dacă vaporii nu sunt solubili, sistemul


este unul condensator, caz în care temperatura vaporilor trebuie să fie sub punctul de condensare. Condensatorii cu contact direct sunt rar folosiţi pentru extragerea vaporilor de solvent organic, deoarece condensatorul va conţine un amestec apă–organic, care trebuie separat sau tratat înainte de aruncare. Ei reprezintă cea mai eficientă metodă de răcire a curenţilor de gaz încins, când recuperarea elementelor organice nu este importantă. Într-un condensator cu contact direct, apa sau alt lichid de răcire este adus în contact direct cu vaporii, pentru a-i condensa. Lichidul care părăseşte containerul conţine lichidul original de răcire + substanţele condensate. Curentul de gaz care părăseşte containerul conţine gazele necondensabile şi anumiţi vapori condensabili, care însă nu s-au condensat; este normal să presupunem că vaporii din curentul de gaz de la ieşire sunt saturaţi. În acest caz, temperatura curentului de gaz de la ieşire este cea care decide eficienţa colectării condensatorului.

Avantajele condensatorilor de contact sunt: 1) pot fi folosiţi pentru a produce vid, creând astfel un curent de aer care poate elimina vaporii mirositori şi, de asemenea, reduc punctul de fierbere; 2) sunt, de obicei, mai simpli şi mai puţin costisitori decât cei de suprafaţă; 3) de obicei, au o capacitate considerabilă de a elimina mirosurile, datorită unei mai mari diluări de condensat. Dezavantajul principal este necesarul mare de apă. În funcţie de natura condensatorului, mirosul din apa reziduală poate fi îndepărtat folosind tratamente chimice.

Condensarea cu contact direct implică transferul simultan de căldură şi masă. Pot fi aplicate, cu unele modificări, procedeele de proiectare disponibile pentru absorbţie, umiditate, coşuri de răcire.

Condensatori de suprafaţă. Condensatorii de suprafaţă (condensatori cu contact indirect) sunt folosiţi foarte mult în industria chimică. Ei sunt utilizaţi în industria de producere a echipamentului pentru depoluarea aerului, la recuperare, control şi/sau îndepărtarea impurităţilor şi contaminanţilor. În tipul de suprafaţă, agentul de răcire nu intră în contact cu vaporii condensaţi. Există mai multe tipuri de condensatori de suprafaţă: cu manta şi ţevi, cu secţiune finită a ţevilor şi tubulare. Folosirea condensatorilor de suprafaţă are câteva avantaje. Apa condensată poate fi recuperată. Dacă este folosită apa pentru răcire, aceasta poate fi refolosită sau condensatorul poate fi răcit cu aer, când nu este disponibilă apă. De asemenea, condensatorii de suprafaţă necesită mai puţină apă şi produc de la 10 la 20 de ori mai puţin condensat. Dezavantajul lor este că sunt de obicei, mai scumpi şi solicită operaţii de întreţinere mai importante decât în cazul condensatorului de contact.

Biofiltrele au o tehnologie care foloseşte microorganisme, în general bacterii, pentru tratarea mirosurilor emisiilor de gaze, într-o manieră economică şi sigură pentru mediu. Biofiltrele constau în filtre poroase, prin care este distribuit un curent de gaz rezidual. Microorganismele care se hrănesc din gazul rezidual sunt ataşate de acest substrat poros.

Procesul de biofiltrare este înrudit cu procesul de tratare a precipitatului obţinut convenţional, în care, în amândouă ipostazele, microorganismele sunt


folosite pentru a oxida complet compuşii organici în CO2 şi apă. Biofiltrele sunt folosite pentru a controla emisiile de gaz din operaţiile de composting, uzine de recuperare, industria alimentară şi a tutunului, prelucrare chimică, turnătorii de fier şi oţel şi alte utilaje industriale.

Descriere generală a procesului. Biofiltrele sunt de tipul bioreactore cu film fix, care folosesc microorganisme ataşate materialelor de substrat, care pot fi compost, turbă, scoarţă de copac, sol sau materiale inerte, pentru a converti produse reziduale organice/anorganice în CO2 şi apă. Substratul asigură suportul structural şi nutrimenţi elementari pentru microorganisme. Structura lui poroasă asigură o arie adecvată, la o pierdere de presiune rezonabilă a gazului. Pe măsură ce gazele reziduale sunt trecute prin reactor, poluanţii se difuzează în biofilm. Poluanţii sunt apoi descompuşi printr-un proces aerobic natural de biodegradare. Biofiltrele sunt economice când sunt aplicate unor fluxuri de gaze cu concentrare joasă (< 1000 ppm), bogate în oxigen. Eficienţe de distrugere mai mari de 90 % pot fi obţinute din organice solubile în apă cu alcoolul, aldehidele şi aminele. Anorganicele solubile în apă, ca H2S şi NH3, pot, de asemenea, suferi descompuneri aerobe.

Etapele procesului principal de filtrare sunt prezentate în figura 6.5 şi sunt următoarele: colectarea şi transportul prin reţeaua de conducte a gazelor brute din zona de procesare sau producţie spre o zonă de pretratare a gazului, ridicarea presiunii într-un ventilator, pentru a compensa pierderile prin elementele ulterioare ale procesului, pretratarea gazului rezidual pentru îndepărtarea particulelor, ajustarea temperaturii şi a umidităţii până la saturaţie.

Fig. 6.5. Schemă unui sistem deschis de biofiltrare cu un singur strat


Filtrarea particulelor şi/sau ajustarea temperaturii sunt combinate adesea cu echipamentul de ajustare a conţinutului de umiditate a gazului.

Microorganismele. Microorganismele naturale, folosite în mod normal în biofiltre, sunt aceleaşi bacterii şi fungicide care sunt folosite în mod curent în epurarea apei reziduale cu nămol activat. Microbii obţinuţi prin inginerie genetică au fost creaţi pentru a digera chimicalele create artificial, cum ar fi organicii aromatici, xilenul şi stirenul. În cadrul numeroaselor cercetări aflate în progres, se încearcă lărgirea numărului de chimicale care pot fi biodegradate. Acest lucru va contribui la scăderea costului şi a dimensiunii paturilor de filtrare, folosite curent, prin reducerea timpului de digestie necesar. Cele mai folosite microorganisme sunt prezentate în tabelul 6.2.

Tabel 6.2.

Microorganisme identificate frecvent în biofiltre

Bacterii Fungicide

Actionomyces globisporus Micrococcus albus Micromonospora vulgarus Bacillus cerreus Streptomyces spp.

Penicillinum spp. Cephadosporium spp. Mucor spp. Circinella spp. Ovularia spp. Stemphilium spp.

Proiectarea şi construcţia. Capacitatea şi eficienţa operaţiilor de biofiltrare depind direct proporţional de suprafaţa activă, spaţiul de vid al filtrului, eficienţa în atingere a ţintelor, tipurile de gaz şi încărcarea cu gaz. O proiectare adecvată a componentelor principale ale biofiltrului este foarte importantă, pentru a asigura o funcţionare viabilă şi o eficienţă din punct de vedere al costului.

Compoziţia gazului brut. Pentru început, trebuie determinată cantitatea gazului brut supus biofiltrării. Pentru a asigura atât o eficienţă rezonabilă de extragere, cât şi o durată de viaţă rezonabilă a microorganismelor, debitul de gaz brut trebuie să conţină: o concentraţie de oxigen egală cu cea a mediului ambiant, o concentraţie de gaz sub nivelul letal, pentru microorganismele utilizate, iar tipurile de gaze letale pentru microorganisme şi bacterii trebuie să lipsească din curentul de gaz brut.

Transportul gazului brut. Gazul este colectat din zona de procesare şi transportat prin conducte, utilizând şi ventilatoare pentru ridicarea presiunii, la echipamentul de precondiţionare.

Precondiţionarea gazului brut. Pentru a asigura eficienţa distrugerii şi o viaţă prelungită biofiltrului, curentul de gaz brut trebuie să fie ajustat, înainte ca gazul să fie introdus în condiţii de siguranţă în biofiltru, pentru a intra în domeniul preselectat de încărcare cu particule, temperatură şi umiditate.

Precondiţionarea particulelor. Încărcarea puternică cu particule grele (praf, grăsime, ulei şi alţi aerosoli) a gazului, poate fi foarte periculoasă pentru structura poroasă a patului filtrului, rezultând de aici o creştere a pierderii de presiune.


Uleiurile şi metalele grele care sunt depozitate pe patul filtrului pot fi otrăvitoare pentru microorganismele care trăiesc în biofilm. Pentru îndepărtarea acestor particule grele se pot utiliza, cu bune rezultate, filtre de tip sac şi scrubăre de tip Venturi.

Temperatura. Temperatura de funcţionare a unui biofiltru este controlată în primul rând de temperatura gazului supus tratării. Temperatura medie de operare recomandată pentru distrugerea eficientă este între 20 ÷ 40 ºC, cu o temperatură optimă de 37 ºC. La temperaturi scăzute, dezvoltarea bacteriilor va fi limitată, iar la temperaturi extrem de scăzute, bacteriile vor fi distruse. La temperaturi peste media recomandată, activitatea bacteriilor va fi, de asemenea, redusă. Temperaturile extrem de ridicate vor distruge bacteriile din patul filtrului. Din punct de vedere economic, ajustarea temperaturii gazului este cel mai important factor de cost care determină utilizarea biofiltrului sau a unui sistem convenţional. Dacă fluxul de gaz se află la o temperatură extrem de înaltă ( de peste 100 ºC), costul răcirii gazului stocat poate fi atât de ridicat, încât pot fi mai eficiente unele metode convenţionale pentru controlul mirosului, precum oxidarea termică.

Umidificarea. Microorganismele care digeră poluanţii vieţuiesc într-un strat subţire de apă, numit biofilm, care încercuieşte substratul filtrului. Fără biofilm microorganismele ar muri, deci menţinerea unei suprafeţe umede în patul filtrului este crucială. Umiditatea insuficientă poate duce la distrugerea filtrului, rezultând o reducere a suprafeţei active şi scurgeri de gaz netratat. Umezeala insuficientă poate duce de asemenea la spargerea mediului de filtrare prin comprimare, ceea ce ar conduce la reducerea suprafeţei active şi la evacuarea gazelor netratate.

Umidificarea fluxului de gaz este metoda preferată de transport, prin care se păstrează patul filtrului umed. Umiditatea este de obicei adăugată curentului de gaz, după etapa de fitrare, pulverizarea cu apă sau cu abur. Nu se recomandă adăugarea umidităţii direct deasupra patului pentru a menţine umiditatea filtrului, deoarece s-ar putea produce uscarea locală a substratului. Totodată, adăugarea de apă caldă poate reduce activitatea microorganismelor, până când apa atinge temperatura stării finale a patului de filtrare.

Sistemul de distribuţie a gazelor. Misiunea sistemului de distribuţie a gazelor este aceea de a asigura o distribuţie uniformă a fluxului de gaz, precondiţionat în toate suprafeţele patului filtrant. În modelele de curgere a biofiltrului în amonte, sistemul de distribuţie a gazului furnizează: mediile de drenare, colectare, transportare a exceselor de apă înăuntrul patului filtru, previne potenţiala contaminare a solului înconjurător, prin scurgeri din filtru, o bază structurală pentru mediul patului filtru.

Sistemul de distribuţie a gazului poate fi compus dintr-o reţea de tuburi perforate, crăpate sau dintr-un bloc de beton cu ieşiri sau gratii metalice. Când nu sunt limite de spaţiu, este utilizat un singur nivel de filtru. În zonele unde spaţiul nu este limitat se utilizează filtre multietajate. Dacă sunt tratate componentele anorganice, se vor folosi materialele de construcţie rezistente la coroziune, datorită


acidităţii biproduşilor reacţiei. Filtrul matrice. Cele mai utilizate paturi biofiltrante astăzi sunt din: sol sau

compost, frunze, coajă de copac, aşchii de lemn, hârtie sau alte materiale organice. În selectarea filtrului, trebuie luate în consideraţie următoarele:

• mărimea particulelor şi porozitatea mediului filtrului, deoarece funcţionarea eficientă este în legătură directă cu aria suprafeţei disponibile a biofilmului;

• mediul filtrului trebuie să fie o sursă de nutrimenţi anorganici pentru microorganisme, iar în cazul unor operaţii de durată, aceşti nutrimenţii anorganici pot fi adăugaţi periodic în pat;

• compactarea patului filtrului va duce la formarea unor canale de gaz şi la creşterea pierderii de presiune;

• sunt necesare caracteristici bune ale patului drenat, pentru a se asigura că produşii de reacţie sunt uşor eliminaţi prin mediul filtrului;

• eventualele curgeri sunt în general reciclate prin procesul de umidificare, pentru a reduce debitul de apă uzată;

• mediul filtrului trebuie să aibă capacitate de tamponare, pentru a menţine pH-ul la cel puţin 3, în special când este necesară reducerea componentele anorganice;

• mediul filtrului trebuie compus din materiale cu miros neiritant.

Cinetica. Capacitatea şi eficienţa operaţiei de biofiltrare depinde de aria suprafeţei active, spaţiul de protecţie al filtrului, eficienţa de îndepărtare, tipurile de gaz, concentraţia de gaz, şi rata curgerii gazului. Modelul teoretic simplificat este reprezentat schematic în figura 6.6, [6]. În figură, Cg, este concentraţia în faza gazoasă. Cele două profile de concentraţii prezentate în biostratul (Cl) se referă la: (1) rata de limitare a reacţiei de eliminare şi (2) la limitarea difuziei.

Fig. 6.6. Modelul biofizic al biostratului


Echilibrul de masă realizat în jurul fazei lichide poate fi descris de

02

2

=−

R

dx

CdD l

( 6. 8)

unde : D [ m2/s ] - coeficientul de transfer de masă; Cl [kg/m3] - concentraţia fazei lichide; x [ m ] - distanţa în interiorul biostratului; R [ kg/(m3.s)] - rata de utilizare a substratului (rata de biodegradare).

Echilibrul masic al biostratului presupune: aplicarea unui model cinetic, biodegradarea are loc în faza lichidă din biofilm, grosimea biofilmului este mică în comparaţie cu diametrul substratului şi de aceea biofilmul poate fi privit ca o suprafaţă plană, introducerea curgerii gazului prin mediul de filtrare, concentraţiile în fază lichidă şi gazoasă trebuie să satisfacă legea lui Henry, nu există interacţiuni între gaze şi deci se poate aplica legea gazului ideal, starea este stabilă.

Rata de biodegradare R, poate fi exprimată prin relaţia Monod, [ 2]:

)(1

maxmKC

CRR

+⋅=

( 6. 9)

unde: Km [ kg/m3 ] este o constantă, iar Rmax [ kg /(m3.s) ] este rata maximă de utilizare a substratului.

Rmax depinde de concentraţia de microorganisme active din biofilm şi este definită ca:

i

m

yXR

µ⋅=max

( 6.10)

unde: X [ kg/m3 ] - concentraţia celulelor de microorganisme active; µm [ 1/s ] - rata maximă de dezvoltare a speciilor de microorganisme; yi [ - ] - coeficientul de producţie al speciilor de microorganisme.

Există două cazuri de rată limită la bilanţul de masă, prezentat mai sus: • Rata de reacţie este limitată cinetic de ordinul 0 - în acest caz concentraţia

biofilmului nu influenţează rata de reacţie iar curba biodegradării este lineară;

• Rata de difuzie este limitată cinetic de ordinul 1 - în acest caz concentraţia biofilmului este influenţată de rata de difuzie a speciilor poluante din biofilm.

Una dintre ipotezele modelului cinetic este că nici o interacţiune în fază gazoasă nu are loc între specii chimice diferite (ipoteza gazului ideal). În condiţiile de funcţionare date, interacţiunile în fază gazoasă pot avea un impact negativ sau pozitiv asupra operaţie de biofiltrare. Aceste interacţiuni includ:

• cometabolismul, care creşte rata de biodegradare a multiplelor componente


urmărite; • inhibiţia încrucişată, care scade rata de biodegradare a compuşilor urmăriţi; • stratificarea verticală, în care componentele care se degradează mai uşor

sunt metabolizate înainte de a intra în patul de filtrare, iar componentele mai greu de metabolizat trec prin regiunea inferioară a acestui pat şi se metabolizează la nivelele superioare.

Bazat pe interacţiunile mai sus menţionate, în general, este recomandat testul la scară pilot, pentru a dimensiona cu acurateţe patul biofiltrului pentru fluxuri de gaze cu componente multiple.

Filtrarea prin membrane.

Sistemele cu membrane au fost folosite de câteva decenii pentru a separa coloizii şi nămolurile moleculare prin procese industriale chimice. Datorită problemelor care se iveau la operarea unor fluxuri cu un conţinut mare de particule, filtrarea cu membrane nu a fost privită, până recent, ca o tehnologie viabilă de control a poluării. Această schimbare de opinie se datorează apariţiei membranelor compuse din acetaţi celulozici pentru debite mari. Sistemele de filtrare cu membrane au fost folosite mulţi ani pentru evaporarea etanolului, în cazul instalaţiilor de combustibil sintetic.

În aceste cazuri, sistemele cu membrană au fost selectate datorită consumului relativ redus de energie, construcţiei modulare, costurilor reduse de capital, întreţinerii uşoare şi separării superioare. Pe măsură ce reglementările au devenit tot mai stricte, a crescut interesul pentru sistemele avansate de filtrare cu membrane. Principalii factori ce justifică filtrarea prin membrane sunt abilităţile sistemelor de a opera fără a produce poluare, în buclă închisă, cu minimum de pierderi de apă la ieşire. Preţul şi costurile de întreţinere reduse rezultă şi din cantitatea mică de părţi mobile din sistemul cu membrane.

Descrierea procesului. Membranele permeabile selective au o gamă largă de utilizare şi configurare, determinată de complexitatea sistemului de control al poluării.

Sunt patru tipuri majore de sisteme cu membrană: preevaporarea, osmoza

inversă, absorbţia gazului, adsorbţia gazului. Doar preevaporarea cu membrană este comercializabilă în prezent.

Preevaporarea prin membrane. Este utilizată, de obicei, la deshidratarea hidrocarburilor lichide, pentru producerea etalonului de înaltă puritate, izopropanolului şi etil glicolului. Metoda se bazează pe un strat cu o membrană cu permeanţă selectivă, care separă fluxul de lichid de faza gazoasă, aşa cum se arată în figura 6.7.

Rata de permeabilitate şi selectivitatea sunt date de compoziţia fizico-chimică a membranei. Preevaporarea diferă de sistemul cu osmoză reversibilă, în care rata de permeabilitate nu este în funcţie de presiunea osmotică, deoarece permeabilitatea este menţinută la presiunea de saturaţie.


Fig. 6.7. Preevaporarea unui gaz de-a lungul membranei

Sunt utilizate, de obicei, trei grupe de procese generale în cazul preevaporării:

1) apa este îndepărtată din compuşii organici; 2) compuşii organici sunt îndepărtaţi din apă; 3) separarea organic/organic.

Separarea organic/organic este foarte utilizată şi, de aceea, va fi discutată în cele ce urmează.

Deshidratarea etanolului. Procesul de preevaporare prin membrană a fost descoperit la mijlocul anilor 1970, în Germania, iar primele unităţi comerciale au fost instalate în Brazilia şi Filipine. În ambele locuri, unitatea de preevaporare a fost cuplată la procesul de fermentaţie continuă a trestiei de zahăr, care producea etanol în concentraţie de până la 96 %, după preevaporarea prin vacuum.

Avantajele esenţiale ale tuturor proceselor de preevaporare sunt: inexistenţa substanţelor chimice aditive, procesul are costuri de capital scăzute şi urmări minore, consum redus de energie.

Procesul necesită un consum redus de energie, deoarece doar o mică parte din apă este vaporizată şi, de aceea, forţa de permeabilitate este furnizată doar de o mică pompă de vacuum.

Recuperarea solventului. Preevaporarea este utilizată preponderent la nivel industrial, a fluxurilor organice mixte de proces, contaminate cu conţinut redus de apă (<10 %). Metoda devine foarte atractivă atunci când deshidratăm până la mai puţin de 1 % apă. Avantajele rezultă şi din costurile mici de funcţionare, comparativ cu distilarea sau adsorbţia. De menţionat că, distilarea este deseori imposibilă, deoarece azeotropele se formează de obicei în mixturile multicomponente organic/apă.

Preevaporarea se produce în trei paşi: 1. absorbţia preferenţială a speciilor


chimice; 2. difuzia speciilor chimice prin membrană; 3. desorbţia speciilor chimice din membrană.

Paşii 1 şi 2 sunt controlaţi de chimia specifică polimerilor şi de interacţiunea în faza lichidă. Ultimul pas constă în evaporarea tipurilor chimice şi este considerat un proces rapid, neselectiv. Pasul 2 este unul limitativ pentru rata de preevaporare. Dezvoltarea de către producătorii de membrane a membranelor compozite, foarte selective şi foarte permeabile, care rezistă la aglomerarea solidelor, a reprezentat un avantaj pentru comercializare. Compoziţia şi structura membranei sunt proiectate pe straturi, fiecare îndeplinind o cerinţă specifică dată.

În cazul deshidratării prin membrană, o membrană trebuie să fie compusă dintr-un strat suport de poliester poros, aflat sub un strat de poliacrilonitril (PAN) sau membrană de ultrafiltrare polisulfonică şi un strat de grosime 0.1 micrometri de poliacril, sau polivinil (PVA). Alte membrane de separe utilizează în general aceleaşi două substraturi. Stratul superior este înlocuit în funcţie de selectivitatea dorită.

Membrane pentru osmoză inversă. Un exemplu tipic de astfel de sistem de membrane este utilizat pentru curăţarea apelor poluate cu petrol. Sistemul foloseşte un modul tubular de alimentare, care realizează debite mari, fiind capabil să facă faţă fluxurilor cu un conţinut mare de solide. Această tehnică de osmoză inversă a fost dezvoltată pentru a realiza HF superpurificat, recuperat din soluţiile folosite la curăţare. Cantitatea de soluţii de curăţat este de ordinul a zecilor de mii de tone anual, iar prin această recuperare, utilizând membrane cu osmoză inversă, sunt economisite anual milioane de tone de petrol.

Membranele de filtrare la faţa locului. Membranele aflate la faţa locului sunt introduse într-un incinerator al gazelor de evacuare, încercându-se astfel reducerea emisiilor de hidrocarburi. Sunt studiate şi folosite pe piaţă două tipuri de membrane de separare a gazelor: 1) peliculă de acetat de celuloză, 2) module tubulare din fibre poliamidice.

Membrane vibratoare. În ultima perioadă au început să fie comercializate membrane vibratoare (de exemplu de firma Logic International, Emeryville).

Membranele vibratoare funcţionează pe baza folosirii unor intense unde de tăiere sinusoidale, pentru a se asigura că suprafeţele membranei rămân active şi curăţate de material solid. Aplicarea acestei tehnologii se poate face la purificarea apelor reziduale.

Permeabilitatea vaporilor. Acest proces este similar cu procesul de preevaporare cu excepţia că, acum, curentul de alimentare este un gaz. Viitoarea viabilitate comercială a acestui proces se bazează pe economiile de energie şi de costuri de capital, derivate din faptul că alimentarea se face în fază de vapori şi, astfel, nu mai este nevoie de căldură suplimentară.

Aplicarea acestei metode se poate folosi la recuperarea compuşilor organici din vaporii solvenţilor şi la alte cazuri de poluare. O unitate comercială a fost instalată în Germania în 1989, [6].


Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot.

Metoda de reducere selectivă catalitică (în engleză, Selective Catalytic Reduction - SCR) este utilizată de peste un deceniu, pentru a controla emisiile de NOx de la generatoarele de abur şi cuptoare. Un alt domeniu de utilizare a SCR este industria chimică. Un sistem SCR tipic este prezentat în figura 6.8.

Fig. 6.8. Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot

Vaporii de NOx sunt preîncălziţi de efluentul ieşit din vasul catalizator în schimbătorul recuperator şi apoi încălziţi cu ajutorul unui arzător care funcţionează cu gaz sau păcură la 320 ºC. Înainte de a fi trecut printr-un oxid metalic de zeolit sau pat catalitic din zeolit, este injectată o cantitate fixă de amoniac într-un volum de gaz.

NOx se reduce în azot şi apă în prezenţa amoniacului în concordanţă cu următoarele reacţii exoterme

6 NO + 4 NH3 ⇒ 5 N2 + 6 H2O 4 NO + 4 NH3 +O2 ⇒ 4 N2 + 6 H2O

2 NO2 + 4 NH3 + O2 ⇒ 3 N2 + 6 H2O NO + NO2 + 2 NH3 ⇒ 2 N2 + 3 H2O

( 6.11)

Analizorii de NOx de la intrarea în preîncălzitor şi de la ieşirea din vasul de catalizare monitorizează concentraţiile de NOx şi controlează rata de alimentare cu amoniac. Gazul de la ieşire este evacuat la circa 350 ºC.

6.5. Controlul emisiilor de particule

Există patru tipuri de echipamente convenţionale folosite pentru controlul emisiilor de particule: 1. colectori mecanici; 2. scrubăre umede; 3. electrofiltre (precipitatori electrostatici); 4. filtre textile.

Eficacitatea echipamentelor convenţionale de control a poluării aerului pentru îndepărtarea particulelor este prezentată comparativ în figura 6.9. Aceste curbe


indică eficienţa echipamentului în eliminarea particulelor de 0.1÷1 µm. Pentru scrubărele umede şi filtrele textile, particulele foarte mici (0.1µm) pot fi îndepărtate prin difuzie browniană. Cu cât sunt mai mici particulele, cu atât mişcarea browniană creşte şi este mai uşoară colectarea lor prin difuzie. Particulele mari (>1 µm) sunt colectate, în principiu, prin impact, iar eficienţa îndepărtării lor creşte cu dimensiunea. Minimul curbei de eficienţă pentru scrubărele umede şi filtre apare în domeniul de tranziţie dintre îndepărtarea prin difuzie browniană şi prin impact.

Fig. 6.9. Curbele de eficienţă pentru dispozitivele de control a poluării aerului

O situaţie întrucâtva similară există şi la electrofiltre (EF), numite generic şi precipitatoare electrostatice. Particulele mai mari de 1µm au o mobilitate mai mare, pentru că sunt încărcate mai puternic. Cele mai mici (zecimi de micrometru) au mobilitate moderată, chiar şi la o încărcătură redusă din cauza alunecării aerodinamice. Minimul de eficienţă de colectare apare în domeniul de tranziţie dintre 0.1÷1µm. Această situaţie este mai complicată, pentru că nu toate particulele


mai mici de 0.1 µm se electrizează în câmpul ionic. De aceea, eficienţa de îndepărtare a particulelor foarte mici scade după atingerea maximului din gama submicrometrică.

Selecţia tipului optim de echipament pentru colectarea particulelor trebuie completată cu o evaluare economică la faţa locului. Această situaţie apare datorită noilor micşorări a nivelurilor de emisie disponibile şi noilor îmbunătăţiri ale filtrelor textile şi a tehnologiilor performante, aplicate la proiectarea şi fabricarea electrofiltrelor. Aceste evaluări tehnico–economice pot fi impuse de condiţiile specifice şi pot crea diferenţe care ajută alegerea metodei şi echipamentului optim.

Îmbunătăţirile aduse tehnologiilor de control existente pentru particule fine şi dezvoltarea tehnicilor avansate sunt ţinte prioritare de cercetare. Echipamentele covenţionale de control prezintă limitări.

Electrofiltrele, de exemplu, sunt limitate de magnitudinea încărcării particulelor, câmpul electric şi reantrenarea prafului. Rezistivitatea particulelor poate afecta în sens negativ încărcarea, dar şi câmpul electric. Este nevoie de noi cercetări şi dezvoltări pentru a înfrânge rezistivitatea şi pentru a extinde performanţele electrofiltrelor. Dezvoltările recente făcute cu scopul de a creşte performanţele precipitatoarelor includ energizarea pulsativă, ionizarea razei de electroni, spaţierea suprafeţelor plane şi unităţi de preîncărcare.

Filtrele textile sunt limitate de dimensiunile fizice şi de durata de viaţă a sacului. Pot fi tolerate unele sacrificări ale eficienţei, dacă pot fi obţinute raporturi textil-aer mai mari, fără reducerea duratei de viaţă a sacului (sisteme pulsatorii cu jet, îmbunătăţite). Îmbunătăţirile filtrelor textile pot fi, de asemenea, posibile prin mărirea efectelor electrostatice, care poate contribui la formarea rapidă a conglomeratului reziduurilor de filtrare.

Tehnologia scrubărului este limitată de dimensiune, de posibile blocări, siguranţă generală şi consum de energie. Folosirea de forţe suplimentare asupra particulelor, pentru a le face să se mărească, fiind mai uşor de colectat la scăderile mici de presiune a picăturilor, a fost studiată îndeaproape. Dezvoltarea scrubărelor electrostatice şi a celor ce folosesc condensarea forţată a fluxului se prezintă ca un pas în această direcţie.

Efectul electrostatic poate fi încorporat în scrubărele umede prin încărcarea particulelor şi/sau picăturilor concentrate din scrubăr. Scrubărele electrostatice pot fi capabile să realizeze aceleaşi eficienţe pentru eliminarea particulelor fine ca şi cele realizate de scrubărele cu viteză de pulverizare mare şi, implicit, pierderi de presiune crescute, dar cu un consum de energie mai mic. Principalele dezavantaje sunt: creşterea operaţiilor de întreţinere şi a costurilor de capital.

Scrubărele cu condensare forţată combină efectele forţei fluxului (forţa de difuziune şi termică) cu condensarea vaporilor de apă. Aceste scrubăre pun în contact gazul fierbinte şi umed cu lichidul subrăcit şi/sau injecteză un curent într-un gaz saturat. S-a demonstrat că un număr dintre aceste dispozitive inovatoare pot elimina particule fine (figura 6.10). Deşi limitate din punct de vedere al


comercializării, aceste sisteme îşi pot găsi aplicaţii în diverse industrii.

Fig. 6.10. Curbele de eficienţă pentru noile dispozitivele de control al poluării aerului

6.6. Echipamente de control - avantaje şi dezavantaje

Compararea alternativelor echipamentelor de control. Ultima opţiune în alegerea echipamentului este, de obicei, dictată de capacitatea echipamentului de a asigura conformarea la normele poluării, la cel mai mic cost anual uniform (investiţia amortizată plus costuri de operare şi întreţinere).

Pentru a compara alternativele în privinţa echipamentului de control sunt esenţiale cunoştinţe despre aplicarea sa specifică şi locul. O selectare preliminară poate fi realizată oricum, prin revizuirea avantajelor şi dezavantajelor fiecărui tip de echipament de control a poluării.

În continuare, sunt trecute în revistă avantajele şi dezavantajele generale ale celor mai populare tipuri de echipament.


Colectoare ciclon

Avantaje: • cost redus al construcţiei; • echipament relativ simplu, cu doar câteva probleme de întreţinere; • scăderi de presiune de operare relativ reduse (pentru gradul de particule

eliminate obţinut) în jurul a 2 la 6 mm coloană de apă; • limitările de temperatură şi presiune sunt impuse numai de materialele de

construcţie folosite; • materialul colectat este recuperat uscat pentru următoarele procesări şi

dispuneri; • cerinţe de spaţiu relativ mici Dezavantaje: • eficienţe de colectare a particulelor relativ scăzute pe ansamblu, în special la

particule mai mici de 10 µm; • imposibilitatea de a opera cu unele materiale subţiri şi ascuţite.

Scrubăre umede

Avantaje: • nu sunt surse secundare de praf; • cerinţe de spaţiu relativ mici; • abilitatea de a colecta gaze ca şi particule; • posibilitatea funcţionării la temperaturi şi umidităţi mari ale vaporilor de

abur; • cost de capital scăzut (dacă nu este necesar sistemul de tratare a deşeurilor

din apă); • pentru unele procese, gazele sunt deja la presiune mare (deci, consideraţiile

în privinţa scăderilor de presiune nu sunt semnificative); • obţinerea de eficienţe colective mari de particule fine (datorită scăderilor de

presiune); • abilitatea de a opera cu curenţi de aer care conţin materiale inflamabile sau

explosive; Dezavantaje: • posibile probleme la eliminarea apei; • produsul este cules ud; • probleme de coroziune mai severe decât la sistemele uscate; • opacitatea aburului şi/sau antrenarea picăturilor, este posibil restricţionabilă; • scăderea presiunii şi cererile de puteri relativ mari; • depunerea solidelor la interfaţa ud-uscat poate fi o problemă; • costuri de întreţinere relativ mari; • trebuie protejat de îngheţ; • temperatura scăzută a gazelor de ieşire reduce dispersia penei evacuate;


• gazul de eşapament umed necesită majoritatea controalelor adiţionale.

Scrubăre uscate

Avantaje: • nu există reziduuri ude pe care trebuie să le disperseze; • cerinţe de spaţiu relativ mici; • abilitatea de a colecta gaze acide la eficienţe ridicate; • abilitatea de a trata fluxuri de gaze la temperaturi ridicate; • evacuare uscată, care permite adăugarea de filtru din ţesătură pentru control

particule. Dezavantaje: • eficienţa controlului gazului acid nu este atât de ridicată cum este la

scrubărele umede; • nu se pot colecta particule; • probleme de coroziune mai severe; • depuneri de solide la interfaţa umed – uscat, pot crea o problemă; • costuri de întreţinere relativ mari.

Electrofiltre

Avantaje: • eficienţe de colectare a particulelor realizate la un consum scăzut de energie; • materialul colectat este recuperat uscat pentru procesare şi dispuneri

ulterioare; • scăderi mici de presiune; • destinat operării continue, cu cerinţe minime de întreţinere; • costuri de operare relativ scăzute; • capabil de operare la presiuni mari (până la 10 bar) sau condiţii de

depresiune; • capabil de operare la temperaturi mari (până la 700 oC); • ratele fluxului de gaz relativ mari, capabile de operare efectivă. Dezavantaje: • cost crescut al investiţiei de capital; • foarte sensibil la fluctuaţii în condiţiile fluxului de gaz (debit de particule,

temperatura, compoziţia particulelor şi gazelor, încărcarea particulelor); • anumite particule sunt dificil de colectat datorită caracteristicilor mari sau

mici de rezistenţă; • cerinţe de spaţiu relativ mari necesare instalării; • explozii întâmplătoare atunci când se tratează gaze de combustibil şi/sau se

colectează particule de combustibil; • precauţii speciale necesare pentru protejarea personalului de tensiunea

electrică mare;


• ozonul produs de descărcarea electrodului încărcat negativ în timpul ionizării gazelor;

• necesar de personal de întreţinere calificat; • ionizarea gazelor poate produce disocierea constituenţilor curentului de gaz

de unde rezultă anumite produse toxice ; • nu este eficientă capturarea unor contaminanţi ce există ca vapori la

temperaturi mari (metale grele, dioxizi).

Sistem de filtrare cu ţesătură (filtre textile)

Avantaje: • eficienţe de colectare extrem de mari la particule fine (sub un micrometru) şi

aspre; • relativ insensibil la fluctuaţia curentului de gaz; • eficienţa şi scăderea presiunii nu sunt afectate de schimbările mari în

încărcarea prafului ce intră în filtrele de curăţare continuă; • aerul ce iese din filtre poate fi, în multe cazuri, recirculat pentru conservarea

energiei; • materialul colectat este recuperat uscat pentru următoare procesări şi

dispuneri; • nu sunt probleme cu dispunerea lichidului rezidual, poluarea apei sau

înglobarea lichidului; • coroziunea componentelor nu este de obicei o problemă; • nu sunt tensiuni electrice mari periculoase, întreţinere simplificată şi

permiterea colectării prafurilor inflamabile; • folosirea filtrelor fibroase sau granulare ajută la selectare, permiţând

colectarea la eficienţe mari a fumului (submicrometru) şi a contaminanţilor gazoşi;

• colectoarele filtrelor, disponibile în multe configuraţii, se găsesc într-o gamă de dimensiuni şi locaţii de intrare şi ieşire pentru a se conforma cerinţelor;

• operare relativ simplă.

Dezavantaje: • la temperaturi mai mari de 280 oC sunt necesare ţesături metalice sau

minerale refractante ce sunt încă în stadiul de dezvoltare şi pot fi foarte scumpe;

• anumite prafuri pot necesita tratamente ale ţesăturii pentru a reduce scurgerea prafului sau, în alte cazuri, pentru mutarea prafului colectat;

• concentraţii de anumite prafuri în colector (peste 50 g/m3) formează o explozie periculoasă, dacă apare accidental o scânteie sau flacără;

• există posibilitatea ca ţesătura să ardă, dacă praful colectat oxidează exoterm; • cerinţe de întreţinere relativ mari (saci pentru înlocuire etc.); • viaţa ţesăturii este posibil scurtată la temperaturi ridicate şi în prezenţa


particulelor acide, alcaline sau constituenţilor gazoşi; • materialele microscopice, condensarea umezelii sau componentele adezive

rămase pot cauza o crustă pe ţesătură sau necesita aditivi speciali; • înlocuirea ţesăturii necesită protecţie respiratorie pentru personalul de

întreţinere; • pierderile de presiune sunt de circa 100÷250 mm coloană de apă.

Sistemelor de absorbţie (coloane de stropire cu talere sau cu umplutură)

Avantaje: • scădere relativ mică a presiunii; • standardizarea construcţiei din fibră de sticlă permite operarea în atmosfere

puternic corozive; • capacitatea realizării unor eficienţe înalte ale transferului de masă; • creşterea înălţimii şi/sau tipului de împachetare sau numărului de plane,

pentru îmbunătăţirea transferului de masă, fără a achiziţiona noi echipamente;

• costuri de capital relativ mici; • necesar de spaţiu relativ mic; • capacitatea de a colecta particule cât şi gaze; • substanţele colectate pot fi recuperate prin distilare. Dezavantaje: • posibilitatea ivirii unor probleme legate de depozitarea apei sau altor lichide; • colectarea umedă a produselor; • depozitarea particulelor poate cauza blocarea paturilor sau planurilor; • costuri de întreţinere relativ mari; • protejarea împotriva îngheţului.

Comparaţii între coloane de stropire cu talere sau cu umplutură

Coloane cu talere: • mai puţin predispuse la blocare; • mai uşoare; • probleme mai mici la înfundarea canalelor; • temperatura nu afectează coloana. Coloane cu umplutură: • pierderi de presiune mai mici; • mai simplu şi mai ieftin de construit; • preferate în cazul lichidelor cu tendinţe accentuate de formare a spumei.

Sisteme de absorbţie

Avantaje: • posibilitatea recuperării produsului;


• control şi răspuns excelent la schimbările de proces; • nu există probleme de depozitare de natură chimică, când poluantul

(produsul) este recuperat şi întors în proces; • capacitate de automatizare şi operare nesupravegheată a sistemelor; • capacitatea de a îndepărta contaminanţi gazoşi sau sub formă de vapori din

fluxurile de proces, la nivele foarte scăzute. Dezavantaje: • recuperarea produsului poate necesita o schemă de distilare (extracţie)

exotermă şi scumpă; • capacitatea absorbantului se deteriorează progresiv, odată cu creşterea

numărului de cicluri; • regenerarea absorbantului necesită o sursă de abur sau vapori; • costuri de capital relativ mari; • poate fi necesară prefiltrarea fluxului de gaz, pentru a îndepărta particulele

care pot bloca patul absorbant; • poate fi necesară răcirea fluxului de gaz pentru a intra în domeniul de operare

(< 50 °C); • debite ridicate pentru desorbirea hidrocarburilor cu greutate moleculară mare; • absorbantul folosit poate fi considerat deşeu periculos; • unii contaminanţi pot intra într-o reacţie exotermă violentă cu absorbantul.

Sisteme de combustie

Avantaje: • simplitatea funcţionării; • capacitatea generării unui flux termic sau a recuperării căldurii sub altă

formă; • capacitatea de distrugere virtuală completă a contaminanţilor organici. Dezavantaje: • costuri de operare relativ ridicate (în parte, datorită combustibilului

suplimentar necesar); • potenţiale întreruperi şi, în consecinţă, pericol de explozie; • otrăvire catalitică (în cazul arderii catalizatorilor); • combustie incompletă, ce poate potenţial crea probleme de poluare grave; • chiar şi în cazul unei arderi complete pot apărea SO2, NOx şi CO2; • temperaturile înalte de evacuare pot fi periculoase pentru personalul de

întreţinere şi păsări; • necesar de întreţinere complex – în special în cazul unor operări ciclice.

Condensatori

Avantaje: • recuperarea pură a produsului (condensatorii cu contact indirect);


• apa este utilizată ca agent de răcire la un condensator cu contact indirect şi nu intră în contact cu fluxul contaminat;

• poate fi utilizat la producerea vacuumului pentru îndepărtarea contaminanţilor din proces.

Dezavantaje: • eficienţe de îndepărtare relativ scăzute pentru contaminanţii gazoşi (la

concentraţii tipice pentru aplicaţiile de control a poluării); • necesarul de răcire poate fi extrem de mare şi deci scump; • pot exista probleme la evacuarea apei din condensatorul cu contact direct.

Biofiltrarea

Avantaje: • utilizarea de procese şi materiale biologice naturale; • relativ simplă şi economică; • eficienţă de distrugere înaltă pentru fluxurile de gaze bogate în oxigen şi cu

un conţinut scăzut de contaminanţi; • deşeurile produse sunt CO2 şi apa. Dezavantaje: • gazul brut nu trebuie să fie letal pentru microorganisme; • debitul de gaz trebuie să fie menţinut la o temperatură şi umiditate adecvată; • particulele grele pot distruge structura fragilă a patului de filtrare.

Filtrarea prin membrane

Avantaje: • consum redus de energie şi proiectare modulară; • costuri mici de capital şi întreţinere redusă; • capacitate superioară de separare. Dezavantaje: • în cazul unei proiectări defectuoase, pot apărea astupări datorate particulelor.

Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot

Avantaje: • capacitate de reducere cu 90 % a NOx ; • utilizarea unui regenerant din uree deja disponibil; • produşii de evacuare sunt N2 şi apa. Dezavantaje: • catalizatorul folosit poate fi considerat deşeu periculos; • debitul de gaz trebuie să fie menţinut la o temperatură şi umiditate adecvată; • particulele grele pot distruge structura fragilă a patului de filtrare.

Etapele planului de conformare. Principalele etape ale planului de conformare (puncte de îndeplinit) sunt:


1. date trimise la agenţia de protecţia mediului cu privire la planul de conformare şi control al surselor poluante;

2. date cu privire la decizia asupra echipamentelor de control contractate; 3. date cu privire la iniţializare construcţiei pe amplasament sau cu privire la

instalarea echipamentului de control al emisiei; 4. date cu privire la finalizarea construcţiei şi instalarea echipamentului de

control al emisiei; 5. date care duc la autorizarea finală.

Până la începerea etapei 1 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: • cercetarea preliminară şi testarea surselor, dacă este necesar; • evaluarea alternativelor de control şi strângerea de fonduri; • pregătirea unui plan de control preliminar în conformitate cu cerinţele

agenţiei de protecţie a mediului; • vizarea de către agenţia de protecţia mediului; • finalizarea planurilor şi specificaţiilor.

Între etapa 1 şi etapa 2 trebuie îndeplinite activităţile de procurarea ofertelor pentru dispozitivele de control, evaluarea ofertelor pentru dispozitivele de control şi decizia de contractare a dispozitivelor de control.

Între etapa 2 şi etapa 3 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: • pregătirea de către furnizor a schemelor de asamblare; • aprobarea schemelor de asamblare; • pregătirea de către furnizor a schemelor de fabricare; • fabricarea dispozitivelor de control; • pregătirea planurilor inginereşti; • furnizarea şi evaluarea ofertelor de construcţie; • decizia de contractare pentru construcţie.

Între etapa 3 şi etapa 4 trebuie îndeplinite următoarele activităţi:

• construirea pe amplasament; • instalarea dispozitivelor de control; • definitivarea construcţiei.

Între etapa 4 şi etapa 5 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: • pornirea instalaţiei de control a poluării; • realizarea probelor de funcţionare, testare şi efectuarea probelor de garanţie.

La evaluarea alternativelor de control a poluării trebuie să se aibă în vedere şi anumite limitări, specifice sursei poluante sau amplasamentului acesteia.

77 .. DD II SS PP EE RR SS II AA GG AA ZZ EE LL OO RR PP OO LL UU AA NN TT EE EE VV AA CC UU AA TT EE PP RR II NN CC OO ŞŞ UU RR II LL EE CC TT EE

Evacuarea în atmosferă, prin intermediul coşurilor, a fost multă vreme cea mai comună metodă industriala de degajare a gazelor poluante. Concentraţia la care oamenii, plantele, animalele şi structurile sunt expuse la nivelul pământului poate fi redusă semnificativ, prin emiterea deşeurilor gazoase la înălţimi mari. De asemenea, coşurile înalte pot fi eficiente în cazul scăderii nivelului concentraţiei la nivelul solului, fără a reduce cantitatea de poluanţi din atmosferă. Oricum, în anumite situaţii, folosirea acestor coşuri poate fi cea mai practică şi economică cale de tratare a problemei aerului poluat.

7.1. Consideraţiile preliminare

Pentru a determina acceptabilitatea coşurilor de fum în cazul degajării gazelor poluante, trebuie determinată concentraţia acceptabilă la nivelul solului, denumită imisie (în engleză, Ground-Level Concentration - GLC) a poluantului sau a poluanţilor. Trebuie considerată, de asemenea, topografia zonei pentru ca poziţionarea coşurilor să fie bine aleasă, destul de departe de clădiri, dealuri, care ar putea introduce un factor de turbulenţă a aerului în cadrul funcţionării coşurilor. Este necesară cunoaşterea condiţiilor meteorologice predominante în zonă, respectiv: vânturile care prevalează, umiditatea şi căderea ploilor. În sfârşit, este necesară cunoaşterea exactă o constituenţilor gazelor poluante şi a proprietăţilor lor chimice şi fizice.

Direcţia şi viteza vântului. Direcţia vântului este măsurată la înălţimea unde se evacuează poluantul, iar direcţia medie este direcţia de transport a poluanţilor. În meteorologie se ia în consideraţie ca direcţie a vântului, direcţia de unde acesta bate şi de aceea, un vânt dinspre N-V va transporta poluanţii la S-E de sursă.

Viteza vântului are un dublu efect, respectiv: 1) viteza vântului va determina timpul de transport de la sursă la receptor şi 2) viteza vântului va afecta diluarea în direcţia vântului. În general, concentraţia aerului poluant pe direcţia vântului este invers proporţională cu viteza vântului.

Viteza vântului are componente ale vitezei pe toate direcţiile şi de aceea există mişcări pe verticală şi pe orizontală. Aceste mişcări aleatoare, în mare măsură pe scări şi perioade diferite, sunt direct responsabile de mişcarea şi difuziunea poluanţilor. Aceste mişcări pot fi considerate turbulenţe atmosferice. Dacă scala unei mişcări turbulente (vârtejuri) este mai mare decât pana de poluant din vecinătate, vârtejul va antrena această pană de poluanţi. Dacă vârtejul este mai


mic decât pana de poluant, efectul va fi de disipare şi împrăştiere a penei. Această disipare cauzată de mişcarea vârtejului este în mare măsură variabilă în atmosferă, dar chiar şi atunci când efectul ei este minim, acesta este cu trei ordine de magnitudine mai mare decât o acţiune de difuzie moleculară singulară.

Turbulenţa mecanică, indusă în structura vârtejurilor din atmosferă, se datorează neregularităţii suprafeţelor peste care trece aerul. De aceea, existenţa arborilor, arbuştilor, clădirilor şi amenajărilor de pe terenuri va cauza turbulenţe mecanice. Înălţimea şi spaţiul dintre elementele care creează aceste neregularităţi afectează turbulenţa. În plus, turbulenţele mecanice cresc, odată cu mărirea vitezei vântului.

Turbulenţele termice sunt turbulenţe induse de stabilitatea atmosferei. Când suprafaţa Pământului este încălzită de razele şoarelui, stratul inferior al atmosferei tinde să se ridice, iar turbulenţele termice devin mai importante, mai ales în condiţiile existenţei unor vânturi slabe. În nopţile senine cu vânt, căldura este radiată de suprafaţa Pământului, rezultând astfel o răcire a solului şi a aerului adiacent acestuia. În aceste condiţii, turbulenţele sunt minime. Încercări de a lega diferite grade ale turbulenţei vântului (sau a stabilităţii atmosferice) de difuziunea atmosferică au fost realizate cu ceva timp în urmă. Măsurarea stabilităţii atmosferice, prin măsurarea diferenţelor de temperatură, a fost frecvent utilizată ca o metodă indirectă de măsurare a turbulenţei şi, în particular, când s-a dorit estimarea turbulenţelor climatologice.

Rata de declin şi stabilitatea atmosferică. Separat de interferenţele mecanice cu fluxurile uniforme de aer, determinate de clădiri si alte obstacole, cel mai important factor care influenţează gradul de turbulenţă şi, prin urmare, viteza de difuzie în aerul inferior, este variaţia temperaturii cu înălţimea, numită şi rată de declin. Gradientul termic adiabatic reprezintă modificarea temperaturii, pentru un volum ascendent de aer uscat.

Gradientul adiabatic al temperaturii poate fi aproximat ca fiind 1 °C/100 m sau dT/dz = -10-2

°C/m. Dacă aerul ascendent conţine vapori de apă, răcirea datorată expansiunii adiabate va rezulta în umiditate relativă şi va atinge saturaţia. Dacă va continua, ascensiunea va conduce la condensarea vaporilor de apă şi căldura latentă astfel obţinută va reduce ritmul răcirii aerului ascendent. Forţa de rezistenţă a volumului de aer cald este asigurată de diferenţa dintre densitatea sa şi cea a aerului înconjurător. Legea gazelor perfecte arată că la o presiune şi, prin urmare, la o altitudine dată, temperatura şi densitatea unei volum de aer sunt în relaţie inversă. De menţionat că temperatura este folosită în mod normal la determinarea rezistenţei, pentru că este mai uşor de măsurat decât densitatea.

Dacă gradientul temperaturii atmosferice este acelaşi cu cel al adiabatei, un volum de aer deplasat din poziţia sa originală se va dilata şi contracta, în aşa fel încât densitatea şi temperatura să rămână aceeaşi cu cea a aerului înconjurător. În acest caz, nu va fi nici o forţă de rezistenţă în volumul deplasat, iar atmosfera se va putea numi ,,neutru stabilă”.

Dispersia gazelor poluate evacuate prin coşurile CTE 141

Dacă temperatura atmosferică scade mai rapid, odată cu creşterea altitudinii, decât gradientul adiabatic, volumul de aer ascendent va avea o temperatură mai mare decât aerul înconjurător. Densitatea sa va fi mai mică, oferind o forţă netă de rezistenţă.

Există şi situaţii opuse, în care volumul de aer se deplasează descendent, întâmpinând o forţă de rezistenţă descendentă. Odată ce o porţiune de aer a început să se mişte în sus sau în jos, această mişcare va cauza condiţii instabile în atmosferă.

Dacă temperatura scade mai încet cu creşterea altitudinii decât gradientul termic adiabatic, volumul dislocat va întâmpina o forţă netă de restaurare.

Deci, forţele de rezistenţă determină condiţiile de stabilitate atmosferică (vezi figura 7.1).

Fig. 7.1. Criteriile de stabilitate atmosferică

Gradienţii termici, puternic stabili, se numesc şi inversiuni. Puternica stabilitate inhibă amestecul de-a lungul stratului de inversie. În mod normal, aceste condiţii de puternică stabilitate se extind pentru doar câteva sute de metri pe verticală.

Extinderea pe verticală a inversiunii se numeşte inversiune profundă. Se observă două tipuri distincte: inversiunea la nivelul suprafeţei Pământului,

cauzată de răcirea solului pe timpul nopţii şi inversiunea de altitudine între 500 şi câteva mii de metri deasupra solului (vezi figura 7.2).

Din punctul de vedere al poluării aerului, straturile stabile ale suprafeţei şi inversiunile sunt nedorite, deoarece micşorează rata de diluţie a contaminanţilor în atmosferă. Chiar dacă suprafaţa stratului este instabilă, coborârea inversiunilor va fi o barieră pentru amestecurile verticale, iar contaminarea se va acumula dedesubtul suprafeţei de inversiune.

Perioadele de stabilitate atmosferică tind să se manifeste toamna din ce în ce mai frecvente şi mai lungi în persistenţă, dar inversiunile şi ratele de declin prevalează în toate anotimpurile anului.


Fig. 7.2. Gradienţii caracteristici în condiţii de inversiune

Răcirea prin evaporare. Când efluenţii gazoşi sunt spălaţi pentru absorbirea anumitor constituenţi anterior emisiei, gazele sunt răcite şi devin saturate cu vapori de apă. După eliminarea gazelor, este posibilă răcirea datorată contactului cu suprafaţa rece a canalului de lucru a coşului. Această răcire duce la condensarea picăturilor de apă în debitul de gaz. După evacuarea gazelor pe coş, picăturile de apă evaporate duc la scăderea căldurii latente de vaporizare din aer şi răcesc pana de fum. De aici rezultă o rezistenţă negativă, care poate scădea eficienţa înălţimii coşului. Rezultatul poate fi o pană de fum (cu o densitate mai mare decât cea a mediul ambiant), care va cădea pe sol. Dacă un poluant rămâne după spălare, efectul total al acestuia va fi simţit pe sol în vecinătatea coşului.

Spălarea aerodinamică. Dacă viteza de ieşire din coş este mai mică în comparaţie cu viteza vântului, o parte din efluenţi pot fi traşi în jos de presiunea scăzută, pe partea interioară protejată a coşului. Acest fenomen, cunoscut sub numele de “spălarea descendentă în coşuri”, poate fi minimalizat prin păstrarea unor viteze de evacuare mai mari decât viteza medie a vântului (în mod normal, de două ori mai mare decât viteza medie). O altă cale de minimizare este de a pune pe coş un disc plat, care se extinde în afara coşului cu cel puţin un diametru, egal cu diametrul coşului. Uneori, este necesară creşterea vitezei de evacuarea a gazelor pe coş şi, în această idee, s-ar putea să fie nevoie de remodelarea deschiderii coşului. S-a demonstrat că tubul Venturi este cel mai eficace. Această formă implică şi o pierdere minimă a presiunii.


Crearea spălării descendente. Trebuie realizată o trecere în revistă a fiecărui coş pentru a determina dacă trebuie considerate efectele spălării descendente. Fluxul atmosferic este întrerupt de forţele aerodinamice, în imediata vecinătate a structurilor sau obstacolelor. Împrăştierea aerului din apropierea fiecărei structuri construite sau a fiecărui obstacol poate mări dispersia pe verticală a emisiilor de la sursă şi reduce înălţimea efectivă a emisiilor, rezultând o creştere maximă a imisiei.

7.2. Concentraţia de poluant

Descrierea câmpului de concentraţii se poate face exact, dar laborios, prin ecuaţii diferenţiale care modelează procesul de difuzie turbulentă, sau statistic, pe baza observaţiilor, prin considerarea unei funcţii de distribuţie, dintre care cea mai utilizată este cea normală Gauss, arătată schematic în figura 7.3.

Distribuţia depinde de doi parametri, [1]: • deviaţia medie µ, care arată poziţia centrului distribuţiei; • deviaţia standard σ, care specifică lărgimea clopotului Gaussian.

Fig. 7.3. Curba distribuţiei normale Gauss

Pentru două variabile independente, y şi z, funcţia de distribuţie normală este produsul celor două funcţii de o singură variabilă

( ) 2

1)()(,

22

5.05.0

σ

µ−−

σ

µ−−

σπσ== z

z

y

y zy

zy

eezfyfzyf

(7. 1)

Condiţia de normalizare implică

1),( =∫ ∫∞

∞−

∞

∞−

dydzzyf (7. 2)


Ecuaţiile 7.1 şi 7.2 constituie punctul de plecare al oricărui model Gaussian de dispersie, a unui gaz în atmosferă.

În figura 7.4 se prezintă pana de fum, provenită de la un singur coş, şi axele sistemului de coordonate gaussian; înălţimea construită a coşului este Hc, iar înălţimea efectivă He.

Fig.7.4. Coordonatele sistemului pentru dispersia Gaussiană orizontală şi verticală

Se consideră ca ipoteze simplificatoare condiţii staţionare, profile Gaussiene pe ambele direcţii y şi z, viteza vântului [ ]m/s u constantă în modul şi sens, debit

de poluant [ ]kg/sQ continuu şi stabil, dispersia pe direcţia vântului x este neglijabilă comparativ cu cea transportată, poluantul este un gaz stabil sau aerosol care nu reacţionează chimic, nu sunt interacţiuni cu alte cosuri de fum.

Pentru o distribuţie centrată pe axa penei la y=0 şi z=H, 0=µ y şi Hz =µ ,

concentraţia într-un punct oarecare este

( ) 2

,,

22

5.05.0

σ

−−

σ−

σπσ= zy

Hzy

zy

eek

zyxC

(7. 3)

unde k este constanta de proporţionalitate. Ecuaţia 7.3 este valabilă de la coş până la distanţa x la care pana atinge

suprafaţa pământului, de unde se presupune că aceasta este reflectată, având ca efect creşterea concentraţiei de poluant după reflexie.

Această creştere este exact aceeaşi ca şi cea generată de o pană emisă de o sursă imaginară situată la distanţa -H sub nivelul pământului.

Deci, în orice punct, concentraţia este


( ) + 2

,,

222

5.05.05.0

σσπ=

σ

+−

σ

−−

σ−

zzy

HzHzy

zy

eeeu

QzyxC

(7. 4)

Cea mai mare concentraţie care apare la nivelul solului este situată pe centrul penei, fiind dată de relaţia anterioară pentru 0=z şi 0=y

( )

0,0,

2

5.0

σ−

σσπ= z

H

zy

eu

QxC

(7. 5)

7.3. Coeficienţii de dispersie

Valorile deviaţiilor standard, σ, numiţi şi coeficienţi de dispersie, care apar în ecuaţiile ce descriu concentraţiile, se bazează pe date experimentale obţinute din studii asupra evoluţiei gazelor.

Cel mai folosit set de coeficienţi de dispersie sunt, [1,2,3]: • coeficienţii Pasquill-Gifford, denumiţi şi coeficienţii Pasquill rural; • coeficienţii McElroy-Pooler, denumiţi şi coeficienţii Briggs urban.

Deviaţiile standard sau coeficienţii de dispersie depind de distanţa orizontală pe direcţia vântului, configuraţia terenului (zonă rurală cu teren neted deschis sau zonă urbană cu clădiri înalte), stabilitatea atmosferică (tendinţa amestecului pe verticală datorită curenţilor naturali de convecţie).

Convenţional, stabilitatea atmosferică a fost împărţită de Pasquill, în şase clase de stabilitate de la A (extrem de instabilă) până la F (cea mai stabilă), pentru a reprezenta creşterea progresivă a stabilităţii atmosferice, care influenţează dispersia laterală şi verticală.

Caracteristicile claselor de stabilitate sunt: • A - extrem de instabilă, gradient de temperatură < -1.5 °C/100 m, iar

pana de fum este puternic oscilantă descriind bucle; • B – moderat instabilă, gradient de temperatură între -1.5 ÷ -1 °C/100m,

iar pana de fum este puternic oscilantă cu turbulenţe; • C – uşor instabilă, gradient de temperatură între -1 ÷ -0.5 °C/100m, iar

pana de fum este puternic conică, usor oscilantă; • D – neutră (adiabată), gradient de temperatură între -0.5÷+0.5 °C/100m,

iar pana de fum este conică, fară turbulenţă convectivă; • E – izotermă, gradient de temperatură între +0.5 ÷ +1.5 °C/100m, iar

pana de fum este conică, fară turbulenţă convectivă; • F – inversiune, gradient de temperatură între > +1.5 °C/100m, iar pana

de fum are forma de steag cu tendinţa de coborâre.


Cele două seturi de coeficienţi de dispersie sunt prezentate în figura 7.5, pe direcţie orizontală şi figura 7.6, pe directie verticală.

Fig. 7.5. Coeficienţi de dispersie pe direcţie orizontală

Fig.7.6. Coeficienţii de dispersie pe direcţie verticală


Aceşti coeficienţi corespund unor probe luate în aproximativ 10 minute; pentru perioade mai mari de timp, fiind necesare corecţii asupra coeficienţilor σ.

7.4. Înălţimea de ridicare a penei

Pentru a calcula concentraţia de poluant, trebuie cunoscută valoarea efectivă de la care are loc dispersia; aceasta implică calculul înălţării penei, Hr. Datorită posibilităţii utilizării facile în cadrul calculelor, se preferă metoda Briggs [1,4,5], care consideră înălţarea penei funcţie de distanţa pe direcţia vîntului, portanţa penei şi viteza vîntului. În continuare, se prezintă algotitmul de calcul.

• Se calculează fluxul ascensional F cu proprietăţi de plutire, cu relaţia

πρ=

−π=

−=

3

4

,

cos,cos,cos,

cos,

cos,2cos,cos, s

m

4 aeraeraerp

e

aer

aere

e

e

aere

ieTc

gQ

T

TTgV

T

TTDw

gF

(7. 6)

în care: [ ]2sm 80665.9=g , acceleraţia gravitaţională; [ ]sm cos,ew , viteza gazului

la ieşirea din coş; [ ]m cos,iD , diametrul interior al coşului la vârf; [ ]K cos,eT ,

temperatura absolută a gazului la ieşirea din coş; [ ]K aerT , temperatura absolută a

aerului la vârf;

s

m

3

cos,eV , debitul volumetric al gazelor care ies pe coş;

[ ]skJ cos,eQ , fluxul termic emis de coş;

K kg

kJ ,aerpc , căldura specifică a aerului

la presiune constantă; [ ]3mkg aerρ , densitatea aerului.

• Se calculează distanţa pe direcţia vântului xf la care înălţimea penei este

maximă: - pentru condiţii instabile şi neutre ( clasa de stabilitate A, B, C, D)

[ ] [ ] 55 pentru m 119 ; 55 <pentru m 49 5

2

8

5

≥== FFxFFx ff (7. 7)

- pentru condiţii stabile ( clasa de stabilitate E şi F)

[ ]m 14.35.0

S

ux f =

(7. 8)

unde: [ ]sm u , viteza vântului la înălţimea coşului; [ ]-2s S , parametru de stabilitate atmosferică calculat cu relaţia

F clasapentru 035.0 ; E clasapentru 02.0aeraer T

gS

T

gS ==

(7. 9)


• Se calculează înălţimea de ridicare a penei Hr

- pentru condiţii instabile şi neutre ( clasa de stabilitate A, B, C, D)

[ ] [ ] f

f

f xxu

xFHrxx

u

xFHr ≥== pentru m 6.1 ; <pentru m 6.1

3

2

3

13

2

3

1

(7. 10)

- pentru condiţii stabile ( clasa de stabilitate E şi F )

[ ] [ ] [ ]m 52 ; m 4.21 ; m )2,1min(8

3

4

1

3

1

S

FHr

uS

FHrHrHrHr ===

(7. 11)

7.5. Înălţimea coşului de fum

Coşurile de fum se dimensionează pentru a avea o concentraţie sub normele admisibile în zonele apropiate centralei. De asemenea, trebuie evitată poluarea termică, deoarece gazele evacuate au temperatură ridicată.

Înălţimea minimă admisibilă a coşului de fum, respectând condiţia concentraţiei de produse poluante se calculează cu relaţia:

( ) 6

12

1−

∆= TRSHc unde mc

qkS = , 0 = ccc rm −

(7. 12)

în care: k = 340, pentru oxidul de sulf şi oxidul de azot; k = 680, pentru cenuşă; q [ kg/h], debit teoretic instantaneu maxim de poluant emis continuu pe coş;

3Nm

mg mc , concentraţia maximă admisibilă de poluant la nivelul solului, adică

norma de imisie, calculată cu relaţia; cr - concentraţia de referinţă având valorile 0.15 pentru cenuşă şi SO2 şi 0.14 pentru NOx; c0, media anuală a concentraţiei măsurate la nivelul solului în locul considerat, care, în absenţa acestor măsurători, este 0.01, pentru zonă puţin poluate, 0.04 pentru zone cu poluare medie şi emisii de SO2 şi cenuşă, 0.05, pentru zone cu poluare peste medie şi emisii de SO2 şi cenuşă; 0.07, pentru SO2 în zonă urbană poluată, 0.1, pentru NOx în zonă urbană poluată,

0.08, pentru cenuşă în zonă urbană poluată;

h

m

3

R , debitul de gaze emise pe coş

la temperatura efectivă de evacuare; [ ]K T∆ , diferenţa dintre temperatura gazelor evacuate pe coş şi temperatura medie anuală a aerului din zona amplasamentului.


Pentru dimensionarea coşului de fum, se alege o viteză a gazelor la intrarea în coş, wgaze = 25 ÷ 30 m/s.

Suprafaţa la baza coşului, bazaS , rezultă din ecuaţia de continuitate, aplicată situaţiei celei mai nefavorabile

[ ]2m 15.273

15.2732

gaze

ngaze

guefectiv

gaze

bazap

ptVB

wS

+×=

(7. 13)

unde efectivB [kg/s] este debitul efectiv de combustibil, guV [m3/kg] este volumul gazelor

uscate evacuate la coş, gazet [°C] este temperatura gazelor la evacuarea din coş,

gazep [bar] – presiunea gazelor la ieşirea din coş, iar np [bar] este presiunea aerului.

Diametrul interior la baza coşului va fi

[ ]m 4

= baza

π

⋅ Sd

bazacos

(7. 14)

Calculul diametrului la vârful coşului se face cu relaţii asemănătoare, dar se

estimează viteza la ieşire la 30÷34 m/s. Grosimea minimă a coşului, impusă de rezistenţă este de 0.75 m, la vârf şi

0.5 m, la bază.

88 .. II MM PP AA CC TT UU LL AA PP EE II DD EE

RR ĂĂ CC II RR EE AA SS UU PP RR AA

MM EE DD II UU LL UU II

8.1. Consumuri de apă de răcire

Transformarea căldurii degajată prin arderea combustibilului în lucru mecanic se realizează printr-o transformare termică închisă, denumită ciclu termic, în care evoluează agentul termic.

Trebuie subliniată o particularitate foarte importantă a transformărilor termice, [1]. Lucrul mecanic, lucrul electric, lucrul forţelor magnetice etc. nu pot fi transformate în întregime în căldură. În ceea ce priveşte căldura, ea nu poate fi transformată decât parţial în lucru mecanic sau în alte forme de lucru în timpul unor procese periodice; restul trebuie să fie în mod necesar transmisă sursei reci.

Fundamentarea teoretică a ciclurilor termice a fost făcută de S. Carnot, W. Rankine şi R. Clausius.

Randamentul termic al ciclului termodinamic (fie teoretic Carnot, fie real Rankine saturat sau supraîncălzit), pentru 1 kg de fluid motor este

11

21

q

l

q

qq ciclut =

−=η

(8. 1)

unde: q1 [ kJ/kg ] - cantitatea de căldură primită la sursa caldă, q2 [ kJ/kg ] – cantitatea de căldură cedată sursei, lciclu [kJ/kg] – lucrul mecanic al ciclului.

Centralele termoelectrice clasice moderne sunt echipate în special cu instalaţii motrice cu vapori. Folosirea ca agent termic a apei-aburului s-a impus în centralele termoelectrice datorită avantajelor incontestabile precum: preţ de cost redus, disponibilitate mare (apa fiind omniprezentă), cunoaşterea bună a proprietăţilor termofizice şi chimice.

Ciclul termic poate fi cu abur saturat, la centralele nuclearoelectrice (CNE) sau cu abur supraîncălzit, la centralele termoelectrice clasice (CTE).

Realizarea oricărui ciclu termic presupune existenţa unei surse calde (cazan sau generator de abur), unde fluidul de lucru primeşte căldură, o maşină termică (turbina), în care fluidul se destinde producând lucru mecanic, o sursă rece (condensator), unde fluidul condensează şi cedează căldura sa sursei reci şi, pentru închiderea ciclului, o pompă care ridică presiunea de la presiunea de condensare la cea de intrare în cazan.

Evacuarea căldurii de la sursa rece a ciclului termic, ca şi din diverse puncte ale centralei termoelectrice clasice sau nucleare, se realizează cu apă sau/şi aer

Impactul apei de răcire asupra mediului 151

atmosferic. Cantitatea de căldură ce trebuie evacuată depinde, esenţial, de randamentul

termic al ciclului şi puterea grupului, având particularităţi, funcţie de tipul centralei, cantitatea de căldură dată în termoficare, tipul combustibilului utilizat, ciclul termic (saturat, supraîncălzit, cu sau fară supraîncălzire intermediară).

Valorile orientative ale consumului specific de apă de răcire, în

⋅kW

1

s

m3

sunt, [2,3]: • 45÷53 la o centrală termoelectrică (CTE) fară supraîncălzire

intermediară; � 36÷39 la o centrală termoelectrică (CTE) cu supraîncălzire intermediară; • 55÷140 la centrale nuclearo-electrice.

În cazul folosirii aerului ca fluid de răcire, datorită căldurii specifice mult mai mici, debitele sunt de 3÷3.5 ori mai mari decât ale apei de răcire.

Consumatorii de apă de răcire sunt diferiţi, funcţie de tipul centralei, [4]. La centralele termoelectrice (CTE) şi la centralele electrice de termoficare

(CET) cu grupuri de condensare, principalii consumatori de apă de răcire sunt, [2,3]: condensatorii principali şi cei ai turbopompelor, răcitorii generatoarelor electrice, răcitorii de ulei ai turbinelor, circuite de răcire pentru serviciile proprii, respectiv de răcire a lagărelor la mori, de cuple hidraulice, ventilatoare, pompe, motoare electrice mari etc, răcirea compresoarelor de aer şi gaze, sisteme de stins incendii, răcirea altor consumatori de mai mică importanţă.

La centralele termoelectrice, având drept combustibil cărbunele, este nevoie şi de un debit de apă pentru evacuarea hidraulică a zgurei şi a cenuşei, dar acest debit poate fi preluat după ce apa şi-a îndeplinit rolul de agent de răcire.

În cazul folosirii aerului ca agent de răcire, sunt răciţi direct sau indirect cu aer condensatorii principali şi cei ai turbopompelor şi eventual, răcitorii generatoarelor electrice. Pentru ceilalţi consumatori, în special răciri tehnologice, se foloseşte tot apa.

La centralele nuclearoelectrice (CNE), consumatorii principali de apă de răcire sunt: condensatorii turbinelor, răcitorii generatoarelor electrice, răcitorii de ulei ai turbinelor, circuitele de răciri tehnologice pentru lagărele pompelor, ventilatoarelor, motoarelor electrice mari, cuplelor hidraulice, compresori de aer, pompe de circulaţie din circuitul primar, instalaţii de răcire şi condiţionare a aerului din sistemele de ventilaţie ale încăperilor CNE, răcitorii sistemului de răcire la oprire, răcitorii sistemului de comandă şi control (bare de comandă, bare de control), răcitorii bazinelor de transfer combustibil proaspăt şi uzat, răcitorii maşinii de încărcare-descărcare combustibil, răcirea protecţiilor termice ale reactorului etc.

În cazul folosirii aerului ca agent de răcire, numai condensatorii grupurilor turbogeneratoarelor se răcesc indirect cu aer, restul consumatorilor folosind apa.


Faţă de aceste consumuri de apă de răcire, la centralele termoelectrice mai este necesar un debit de apă, în general tratată, care să compenseze eventualele pierderi de agent termic al ciclului.

În cazul utilizării apei ca agent de răcire, răcirea centralelor termoelectrice clasice sau nucleare se poate face în circuit deschis, închis, sau mixt. Diagrama bilanţului general de apă de răcire la o CTE este redată în figura 8.1. Notaţiile de pe figură semnifică următoarele: RC – răciri componente; RL – răcire lagăre instalaţii; RG – răcire generator electric; RU – răcire ulei (de ungere şi comandă); RLD – răcire lagăre, care impurifică apa cu uleiuri sau unsori; RS – răciri speciale ce necesită apă cu temperatură coborâtă (ejectoare, compresoare de aer etc).

Fig.8.1. Diagrama bilanţului apei de răcire

De menţionat că debitul principal al apei de răcire este cel necesar răcirii condensatorului. Dacă se consideră acest debit ca având valoarea relativă de 100%, celelalte debite de apă de răcire, raportate la cel al condensatorului, au valorile orientative din tabelul 8.1.

Tabel 8.1.

Consumuri de apă la o CTE

Felul consumatorului de apă Debitul relativ [ %]

Condensatori 100 Răcitori generatoare electrice şi răcitori ulei: - grupuri mari - grupuri mici

3÷7 6÷15

Răcire lagăre instalaţii 1÷2 Răcire compresori şi auxiliare 0.6÷1 Evacuarea hidraulică a zgurei şi cenuşei 4÷8


Debitul de căldură preluat de apa de răcire din condensator este egal cu suma dintre debitul de căldură cedat de aburul evacuat din turbină, care trebuie condensat, debitul de căldură cedat de condensatul secundar recuperat în condensator şi debitul de căldură cedat de condensatorul ejectorului cu abur, dacă acesta se găseşte amplasat în condensator. Uneori şi preîncălzitorul 1 se află inclus în condensator şi atunci, în bilanţul apei de răcire se consideră şi căldura preluată de la acesta, care este destul de mică, fiind vorba numai de pierderile de căldură, căldura condensatului intrând deja. Cu notaţiile din figura 8.2, debitul de căldură preluat de apa de răcire este

( ) ( )∑ −⋅+−⋅=

= 3,,32s

kJkW hhDhhDQ PJPjPJPjccond

(8. 2)

unde: [ ]skgcD - debitul de abur ieşit din turbina cu abur şi intrat în condensator;

[ ]skg,PJPjD - debitul de condensat secundar, recuperat în condensator de la

preîncălzitorul de joasă presiune (PJP), cu numărul j; [ ]kgkJ2h - entalpia aburului la

intrarea în condensator; [ ]kgkJ3h - entalpia condensatului principal ieşit din

condensator; [ ]kgkJ,PJPjh - entalpia condensatului secundar recuperat în condensator

de la preîncălzitorul de joasă presiune (PJP), cu numărul j. Pentru calcule preliminare aproximative, se poate considera, pentru fiecare unitate de masă intrată, o cădere de entalpie în condensator, ( )32 hh − , de: 2240÷2280 kJ/kg, la turbinele de condensaţie cu supraîncălzire intermediară şi la cele cu condensaţie şi două prize reglabile; 2180÷2230 kJ/kg, la cele de condensaţie cu parametri scăzuţi; 2120÷2160 kJ/kg la turbinele din centralele nucleare cu abur saturat.

Fig.8.2. Schema condensatorului

Debitul de apă de răcire necesar evacuării acestei călduri este

condp

condconda

tc

QD

∆⋅=

s

kg,

(8. 3)

în care [ ]KkgkJ ⋅pc este căldura specifică a apei, care, într-o primă aproximaţie, se

poate considera 4.2 KkgkJ ⋅ , iar [ ]CK 0=∆ condt este încălzirea apei în condensator.


Valoarea lui condt∆ , încălzirea apei în condensator este aleasă în urma unor calcule tehnico-economice şi este dependentă de tipul circuitului de răcire utilizat, având, în mod uzual, valorile:

� 8÷9 °C la grupurile cu durată de utilizare mare a părţii de condensaţie şi răcirea în circuit deschis;

� 10÷11 °C la grupurile cu durată de utilizare mare a părţii de condensaţie şi răcirea în circuit închis;

� 9÷10 °C la grupurile cu durată de utilizare mare a părţii de condensaţie şi răcirea în circuit mixt;

� 12÷14 °C la grupurile cu durată de utilizare redusă a părţii de condensaţie (turbine de termoficare, unităţi de vârf), la care, în mod obişnuit, răcirea este în circuit închis.

Raportul cconda DDm ,= se numeşte multiplu sau factor de răcire şi exprimă

debitul de apă de răcire necesar condensării unităţii de debit de abur intrat în condensator, având valorile uzuale de 40÷70, funcţie de mărimea încălzirii apei

condt∆ . Un alt consumator important de apă de răcire este generatorul electric.

Răcirea înfăşurărilor generatorului electric se face în circuit închis, cu apă, hidrogen sau aer. Fluidul de răcire este, la rândul lui, răcit cu apă într-un schimbător de căldură, denumit obişnuit răcitor generator (RG). Cantitatea de căldură ce trebuie evacuată este

[ ]g

g

g PQη

η−⋅=1

kW (8. 4)

unde P [kW] este puterea produsă la bornele generatorului, gη este randamentul

generatorului electric, cu valori de 0.97÷0.99. Debitul de apă de răcire necesar evacuării acestei călduri este

gp

g

gatc

QD

∆⋅=

s

kg,

(8. 5)

în care, în plus, gt∆ este intervalul de răcire al apei în răcitorul generatorului, având

valorile uzuale de 10÷15 °C iarna şi de 3÷5 °C, vara. De menţionat că la grupurile energetice moderne, această căldură este preluată în proporţie de 85% în circuitul de preîncălzire şi nu necesită răcirea cu apă.

Răcirea uleiului de ungere al turboagregatului necesită evacuarea cantităţii de căldură aferentă pierderilor mecanice ale grupului, care se consideră acoperitor că sunt evacuate de ulei,

[ ] ( )

gm

mu

PQ

η⋅η

η−⋅=

1kW

(8. 6)

unde mη este randamentul mecanic al turbogeneratorului, depinzând de puterea


grupului şi având valori de 0.985÷0.992. Debitul de apă de răcire necesar evacuării acestei călduri este:

up

uua

tc

QD

∆⋅=

s

kg,

(8. 7)

în care, în plus, ut∆ este intervalul de răcire al apei în răcitorul de ulei, având valorile uzuale de 10÷12 °C iarna şi de 5÷10 °C, vara. De menţionat că la grupurile energetice moderne şi această căldură este preluată, în proporţie de 85 % în circuitul de preîncălzire şi nu necesită răcirea cu apă.

În cazul funcţionării centralei cu combustibil solid, cărbune, apare necesitatea evacuării zgurei şi cenuşei. Cantitatea de zgură şi cenuşă depinde preponderent de puterea centralei şi conţinutul de anorganic din combustibil.

Pentru evacuarea hidraulică a zgurei şi cenuşei se utilizează injecţii de apă pentru antrenare, iar raportul dintre cantitatea de apă de spălare folosită şi materialul antrenat este de 6:1 până la 10:1.

Restul consumatorilor au un necesar de apă de răcire mai mic. Dată fiind cantitatea mare de apă de răcire, dependentă de puterea grupului,

volumul instalaţiilor de alimentare cu apă de răcire este mare ca şi valoarea investiţiei.

Pentru calcule aproximative, se poate considera acoperitor un debit de apă de răcire de:

uagacondara DDDD ,,,, s

kg++=

(8. 8)

Indiferent de sistemul de răcire adoptat (deschis, închis, mixt), instalaţiile de răcire interioare sunt alimentate după schema din figura 8.3, unde s-au utilizat notaţiile: 1 – condensator; 2 – filtre; 3 – răcitori fluid de răcire generator; 4 – răcitori circuit ulei turbină; 5 – cămine de evacuare pentru apa de răcire; 6 – răcitori lagăre; 7 – rezervor de răcire pentru lagăre.

Fig. 8.3. Schema instalaţiilor de răcire din interioarul centralei


Pentru a evita înfundarea ţevilor răcitorilor de ulei şi generator se montează filtre.

Circuitele de răcire lagăre şi alte răciri tehnologice necesită, de obicei, apă tratată, pentru a limita suspensiile (sub 25 mg/l şi un diametru sub 1 mm), duritatea temporară (recomandabil 4÷6 grade) şi un pH în limitele 7÷9.

În plus, la centrale mai sunt consumatori care necesită răciri speciale cu apă demineralizată, precum bare stator, aparate de măsură etc.

8.2. Surse de apă de răcire

Sursele de apă de răcire pot fi surse de suprafaţă (râuri, fluvii, mări, oceane), sau surse subterane (puţuri, fântâni arteziene). Sursele subterane au un debit limitat şi se recurge la ele doar ca apă de adaos pentru diferite circuite ale centralei, inclusiv circuitul de răcire.

Surse de suprafaţă

La noi în ţară cele mai uzuale surse de apă de răcire sunt apele curgătoare, care se pretează cel mai bine pentru realizarea circuitului deschis de răcire.

Mărimea debitului şi modul de variaţie al acestuia, în decursul unui an, depind de:

• bazinul de recepţie, respectiv suprafaţa de pe care apele pluviale şi izvoarele sunt colectate de râu;

• valoarea precipitaţiilor anuale; • natura solului şi gradul de împădurire; • clima regiunii.

Pentru râurile din ţara noastră se disting două perioade de ape mari: primăvara, după topirea zăpezilor şi toamna, în perioada mai ploioasă. Sunt şi două perioade de ape mici: iarna, în timpul îngheţului şi vara, la finele sezonului. Pe baza măsurătorilor se trasează curbele de variaţie anuală, figura 8.4 şi curbele clasate de asigurare a debitului, figura 8.5, [3].

Fig.8.4. Curba anuală a debitelor


Fig.8.5. Curba de asigurare a debitului

Curbele sunt importante deoarece alimentarea cu apă de răcire în circuit deschis trebuie să poată asigura debitul maxim de răcire al centralei, DCTE, necesar centralei la debitele minime de iarnă şi de vară ale râului, cu asigurarea de 97 %.

Pentru a nu strica echilibrul ecologic al râului este necesar ca în râu să mai rămână un debit minim, debit de servitute Ds.

Prin urmare, debitul minim al râului trebuie să fie cel puţin egal cu suma dintre debitul de răcire necesar şi debitul de servitute, necesar râului,

sra DDD +≥ ,min (8. 9)

8.3. Sisteme de răcire – impact asupra mediului

Răcirea centralelor termoelectrice clasice sau nucleare se poate realiza: • în circuit deschis, care presupune străbaterea instalaţiilor centralei de un

debit preluat dintr-o sursă naturală de apă şi restituirea debitului sursei; • în circuit închis, la care debitul de apă de răcire caldă, ce iese din

condensator, este răcit într-un turn de răcire şi apoi reintrodus ca apă rece în condensator, completând dintr-o sursă oarecare de apă (în general surse subterane) doar pierderile de apă din circuit;

• în circuit mixt, la care o parte din apa de răcire este preluată dintr-o sursă naturală, iar altă parte este recirculată şi răcită în turnul de răcire.

Condiţii de calitate pentru apa de răcire

Pentru a avea o exploatare sigură în condiţii economice, apa de răcire trebuie să asigure un transfer termic cât mai bun şi nu trebuie să conducă la înfundarea ţevilor condensatoarelor(depunerile pe ţevi să fie reduse) şi la corodarea acestora.

Pentru a răspunde acestor cerinţe, apa de răcire trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

� să nu conţină impurităţi plutitoare, care ar înfunda ţevile condensatorilor


şi schimbătoarelor; � să nu conţină impurităţi în suspensie, cu diametrul mai mare de 0.1÷0.15

mm ; � să nu conţină substanţe corozive care să atace ţevile schimbătoarelor; � să fie lipsită de substanţe organice, microorganisme şi alge, care ar

produce înfundarea şi ar înrăutăţi mult coeficientul de transfer termic, prin formarea unei pelicule pe suprafaţa ţevilor;

� să aibă o duritate temporară cât mai redusă, pentru evitarea depunerilor de piatră, valorile normale recomandate ale durităţii fiind de 3÷3.5 mval/l, dar nu mai mult de 4.3÷4.6 mval/l, pentru o perioadă scurtă de timp;

� să nu conţină ulei în suspensie, care să se depună pe ţevile schimbatoarelor şi astfel să reducă transferul termic.

Răcirea în circuit deschis

Atunci când între râu şi centrală există o anume direfenţă de nivel, este preferată schema din figura 8.6, în care: 1 – priza de apă; 2 – baraj pentru ridicarea nivelului necesar prizei; 3 – denisipator; 4 – conducte sau canal de aducţiune; 5 – casa sitelor; 6 – pompe de răcire, instalate în sala maşinilor; 7 – canal de evacuare; 8 – conducta de amestec; 9 – încălzirea prizei; 10 – centrala hidroelectrică de recuperare a energiei, dacă este necesar. Această schemă este cea mai larg răspăndită la centralele electrice cu puteri mari.

Fig, 8. 6. Alimentarea cu apă de răcire în circuit deschis, prin cădere


Din punct de vedere al impactului asupra mediului, pot apărea următoarele: � afectarea echilibrului natural al râului în zona pizei 1, prin viteze prea

mari ale apei ; � producerea de turbulenţe la evacuarea apei în râu şi, eventual, de creştere

a temperaturii locale; � încălzirea apei în zona prizei, în perioada de iarnă, pentru evitarea zaiului

care se poate depune pe grătare.

Dacă amplasamentul centralei nu permite realizarea unei circulaţii libere a apei şi diferenţa de nivel dintre priza apei şi condensatorii centralei este mare, staţia de pompare se amplasează pe malul râului, ca în figura 8.7, în care 1 – grătarele prizei; 2 – casa pompelor; 3 – conducte de apă rece sub presiune; 4 – conducte de evacuare; 5 – conductă de apă caldă.

Fig.8.7. Alimentarea cu apă de răcire, în circuit deschis, prin pompare

Când se consideră necesar, se mai poate prevedea o staţie de pompe de răcire, lucrând în serie cu prima, amplasată în sala maşinilor.

Din punct de vedere al impactului asupra mediului, acest tip de schemă se remarcă prin:

• posibilitatea înfundării sitei datorită stagnării apei la mal; • posibilitatea apariţiei unei circulaţii inverse a apei, datorată temperaturii

apei refulate; • canale lungi de refulare, prin care circulă apa caldă care afectează

echilibrul ecologic local;


• conductă relativ lungă, pentru aducerea apei calde de la ieşirea din condensator, în faţa prizei, în scopul evitării înfundării grătarelor iarna.

Pentru reducerea consumului de apă de răcire în perioada de minim de iarnă, se practică soluţia legării în serie a condensatorilor a două turbine, ca în figura 8.8, în care: 1 – pompe în staţia centrală de pompare; 2 – pompe suplimentare. În acest fel, cantitatea de apă de răcire se reduce la jumătate şi se poate, astfel, respecta condiţia menţinerii în râu a debitului de servitute. La adoptarea acestei scheme, pentru a învinge rezistenţa ambelor circuite de răcire, se instalează pompe suplimentare, care funcţionează doar iarna.

Soluţia este impusă din condiţia de limitare a impactului asupra mediului şi se pretează la centrale de termoficare, când debitul prin condensator este redus, astfel încât funcţionarea cu o temperatură de condensare ridicată nu afectează foarte mult economicitatea centralei.

Fig. 8.8. Schema răcirii în serie

Răcirea în circuit închis

Dacă nu se dispune de apă suficientă pentru răcirea în circuit deschis, se adoptă răcirea în circuit închis. Insuficienţa apei de răcire în circuit deschis poate proveni din capacitatea prea mare a centralei căreia să nu poată să-i facă faţă sursa naturală, râul, distanţa prea mare a centralei faţă de râu sau limitările impuse de poluarea termică. Apa de răcire care circulă în circuit închis cedează căldura preluată din centrală (condensatori, răcitoare etc) în următoarele instalaţii:

• lacuri sau iazuri de răcire, dacă au suprafaţă suficientă, caracterizate de o temperatură nominală a apei reci de 20÷24 °C, o temperatură maximă vara de 28÷31 °C şi o temperatură minimă iarna de 4÷5 °C;

• bazine de stropire, în cazul unor unităţi mici, caracterizate de o temperatură nominală a apei reci de 24÷25 °C, o temperatură maximă vara de 30÷34 °C şi o temperatură minimă iarna de 5÷10 °C;

• turnuri de răcire deschise, pentru grupuri Diesel de mică putere,


caracterizate de o temperatură nominală a apei reci de 27÷28 °C, o temperatură maximă vara de 30÷35 °C şi o temperatură minimă iarna de 18÷20 °C;

• turnuri de răcire închise cu tiraj natural, soluţie adoptată pentru majoritatea centralelor termoelectrice, caracterizate de o temperatură nominală a apei reci de 23÷25 °C, o temperatură maximă vara de 30÷33°C şi o temperatură minimă iarna de 15÷18 °C;

• turnuri de răcire cu tiraj forţat, pentru instalaţiile care solicită temperaturi de condensare reduse şi au durate de utilizare tot reduse, caracterizate de o temperatură nominală a apei reci de 19÷21 °C, o temperatură maximă vara de 30÷33 °C şi o temperatură minimă iarna de 15÷18.5 °C.

Schema tipică a alimentării cu apă în circuit închis şi turnuri de răcire este redată în figura 8.9. De altfel, pentru centralele termoelectrice funcţionând în sistem, soluţia generală este cu turn de răcire.

Fig.8.9. Schema alimentării cu apă de răcire, în circuit închis

Răcirea în circuit mixt

Răcirea în circuit mixt se întâlneşte la majoritatea centralelor termoelectrice din România şi la foarte multe alte termocentrale de puteri mari din întreaga lume.

Această soluţie este o combinaţie, într-o anume proporţie, a celor două sisteme: deschis şi închis. Datorită folosirii unei părţi a apei din râu, care are o temperatură mai mică decât apa răcită în turnuri, bazine sau iazuri, circuitul de răcire mixt este superior, din punct de vedere al consumului specific de combustibil, circuitului închis, [5,6]. Soluţia mixtă este avantajoasă şi numai pentru o asigurare a debitului de răcire din râu de 80÷100 zile pe an.

Considerând căldura specifică a apei constantă în domeniul de temperaturi ale apei de răcire numai din râu şi numai din turn, temperatura apei la intrarea în


condensator, t1m este media ponderată, cu cota de participare a turnurilor cT, a temperaturii apei provenite de la râu, tR şi de la turn, tTm

( ) TmTRT

TR

TmTRRm tctc

DD

tDtDt ⋅+⋅−=

+

⋅+⋅= 11

(8. 10)

în care TR

TT

DD

Dc

+= este cota de participare a turnurilor.

Temperatura amestecului t1m depinde deci de debitul de apă prin turn precum şi de intervalul de răcire al apei din turn care, la rândul său, depinde de temperatura aerului atmosferic şi umiditatea relativă a aerului.

Admiţând că încălzirea apei în condensator, ct∆ , este aceeaşi în cele trei posibilităţi de răcire (circuit deschis, circuit închis şi circuit mixt), temperatura apei la ieşirea din condensator, t2, se calculează cu relaţia:

cttt ∆+= 12 (8. 11)

unde: Rtt =1 la răcirea în circuit deschis; Ttt =1 la răcirea în circuit închis; mtt 11 = la răcirea în circuit mixt şi, din acest motiv, t2 va avea valori diferite, respectiv

mTd ttt 222 , , , după cum se observă din figura 8.10.

Fig.8.10. Diagrama de temperatură pentru răcire

Deoarece temperatura apei provenind de la turnul de răcire este mai mare decât cea de la râu, intervalul de încălzire al apei de râu, rRt∆ , în condensator este

mai mare decât cel al încălzirii efective în condensator, ct∆ , care, la rândul său, va

fi mai mare decât dacă turnul ar fi funcţionat singur, Tmt∆ , adică TmcrR ttt ∆>∆>∆ . Cu cât turnul răceşte apa până la o temperatură mai înaltă, cu atât intervalul

său de răcire va fi mai redus, deci încărcarea termică va fi mai mică pentru aceeaşi


încărcare hidraulică (linia punctată din figura 8.10).

8.4. Pierderi de apă în circuitul de răcire

În circuitul de răcire al centralelor termoelectrice apar o serie de pierderi de apă şi anume: prin evaporare, prin antrenarea stropilor, prin neetanşeităţi şi purjare.

Debitul de apă care se pierde prin evaporare, Dev, depinde de cota de căldură evacuată la instalaţia de răcire, ey , răcirea apei în instalaţia de răcire, rt∆ , debitul de apă răcit, Dr şi căldura de vaporizare a apei la presiunea parţială medie a vaporilor de apă, r, din aerul umed care răceşte debitul respectiv

rr

eev Dr

tyD ⋅

∆⋅=

(8. 12)

Pentru calcule aproximative se poate considera: r = 2400 kJ/kg, 9.08.0 L=ey iarna şi 6.05.0 L=ey vara. Valorile procentuale ale pierderilor prin

evaporare, [ ]%100⋅r

ev

D

D sunt date în tabelul 8.2, [2,3].

Tabel 8.2.

Pierderi procentuale de apă prin evaporare

Intervalul de răcire rt∆ [ °C ]

Anotimpul 5 10 15 20 25 30

Vara 0.8 1.6 2.4 3.1 4.0 5.0 Primăvara şi toamna 0.5 1.2 1.8 2.3 3.0 3.8

Iarna 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.5

În cazul cunoaşterii umidităţii relative a aerului ambiant, ϕ şi temperaturii termometrului uscat, tus [°C], debitul de apă evaporat, în instalaţiile de răcire în circuit închis (preponderent turnuril de răcire), se poate calcula cu relaţia:

( )usrr

ev ttD

D ⋅+ρ⋅−⋅∆⋅ρ

⋅=

00157.0000116711.001.0

m

kg 3

(8. 13)

Acest debit de apă evaporat conduce la creşterea umidităţii aerului în instalaţia de răcire în circuit închis şi în zona acesteia, dispersându-se în atmosferă sub formă de aerosoli, care antrenează şi eventuale chimicale din apa de răcire, [6].

Pierderile prin antrenarea picăturilor (stropilor) Ds depind de construcţia sistemului de răcire, de viteza ascensională a aerului şi de existenţa unui sistem propriu de reţinere.

În cazul lacurilor de răcire aceste pierderi sunt practic nule, iar pentru turnuri


şi bazine, valorile orientative procentuale ale raportului [ ]%100⋅r

s

D

D sunt redate în

tabelul 8.3, [2,3]. Picăturile sunt de fapt particule, care pot conţine, atât chimicale utilizate în

circuitul de răcire, cât şi particule solide fine de la ţevile condensatorului, conductele de transport şi sistemul de răcire al instalaţie.

Tabel 8.3.

Valorile procentuale ale pierderilor prin antrenarea picăturilor

Sistemul de răcire Pierderi prin antrenare [ % ]

Lacuri de răcire, râuri 0 Bazine de stropire mici 1.5÷3.5 Bazine de stropire medii şi mari 1.1÷2.5 Turnuri cu tiraj natural cu suprafaţa bazei ≤ 10 m2 0.5÷1 Turnuri cu tiraj natural cu suprafaţa bazei > 10 m2 0.5 Turnuri cu tiraj forţat şi separator de picături 0.25÷0.5

Debitul de apă de răcire aferent pierderilor prin neetanşeităţile circuitului hidrotehnic, Dn, depind de lungimea circuitului, de calitatea materialelor şi calitatea execuţiei canalelor sau a conductelor de apă.

Orientativ, se poate considera

rn DD ⋅÷= 01.0005.0 (8. 14)

Pentru menţinerea concentraţiei de săruri în apa circuitului hidrotehnic, prin efectul evaporării unei părţi a apei în circuit, este necesar să se facă purjarea circuitului, adăugând în permanenţă apă proaspătă care să compenseze debitul de

apă purjat, Dp. Prin urmare, debitul de purjare este determinat de echilibrul cantiţăţii de

săruri din circuit.

Debitul total de apă de adaos, Da,a, în circuit este

pnsevaa DDDDD +++=, (8. 15)

Considerând duritatea temporară a apei de adaos da şi duritatea maximă

admisă pentru apă din circuit, dm, bilanţul de săruri este

( ) ( )ns

am

aevppnsaaa DD

dd

dDDDDDdD +−

−

⋅=⇒++=⋅,

(8. 16)

Acest debit de apă purjată pentru menţinerea concentraţiei de săruri este

impurificat cu săruri, chimicale şi particule metalice. Pentru a face economie, debitul de apă purjată se poate utiliza la transportul

zgurei şi al cenuşei spre depozitul de zgură şi cenuşă.


Dacă acest debit este insuficient pentru evacuarea zgurei şi al cenuşei, se va mări corespunzător debitul de apă de adaos în circuit.

8.5. Limitarea poluării termice a râurilor

Răcirea centralelor termoelectrice clasice sau nucleare în circuit deschis ridică problema încălzirii apei în circuitul de răcire.

În cazul răcirii în circuit mixt, creşterea de temperatură a apei care se restituie la râu este mai mare decât în cazul răcirii în circuit deschis.

Ridicarea temperaturii apei de râu în timpul anotimpului rece are efecte pozitive, atât asupra florei şi faunei, cât şi asupra regimului de curgere a râului, reducând îngheţul, fenomen urmărit mai ales pe râurile navigabile.

În schimb, în timpul anotimpului cald, apare o poluare termică a râului, manifestată prin dereglarea echilibrului biologic al apei, la atingerea unei anumite temperaturi.

Ea este determinată de speciile de peşti care formează fauna acvatică, de flora aferentă, de conţinutul de oxigen din apă şi de prezenţa unor substanţe chimice din apă.

Pentru România, valorile propuse pentru încălzirea admisibilă a apei în râuri, datorită centralelor termoelectrice sunt, [2,3],

• ape de categoria I cu folosinţe piscicole: • trâu

max = 18÷22 °C, ∆ trâu

max = 2÷3 °C – iarna, ∆ trâumax

= 1 °C – vara; • ape de categoria a II-a pentru apă potabilă:

• trâumax

= 29 °C, ∆ trâumax

= 3 °C ; • ape de categoria a II-a cu unele folosinţe piscicole:

• trâumax

= 30÷32 °C, ∆ trâumax

= 6÷8 °C ; • ape de categoria a III-a cu alte folosinţe:

• trâumax

= 32÷33 °C, ∆ trâumax

= 6÷8 °C .

Şi alte ţări limitează temperatura şi încălzirea apei râului ca urmare a evacuării apei de răcire din CTE, astfel, [3]:

• Rusia, Bulgaria: trâumax


= 3÷5 °C ; • Germania: trâu

max = 29÷31 °C, ∆ trâu

max = 3 °C ;

• Anglia: trâumax


= 5 °C ; • SUA: trâu

max = 26÷30 °C, ∆ trâu

max = 3 °C şi în plus viteza de variaţie a

temperaturii limitată la max 0.15 °C/h.

Aceste limitări calitative impun posibilitatea preluării numai a unei anumite părţi din apa râului, de forma:


( )riu

tα2

tαc

∆tα1

xα1

riut

maxriu

tα1

xαriu

tαmaxriu

t

0D

riuD

Z

⋅−⋅+⋅

−

⋅−+

−⋅

−

⋅

⋅−==

(8. 17)

unde: D0 – este debitul de apă de râu în amonte de priză; x – debitul relativ (cota de debit) pierdut în turnurile de răcire; tmax

riu – temperatura maximă admisă pe râu în aval de centrală; triu – temperatura apei de râu la priză.

Pentru micşorarea temperaturii de restituţie, mărirea conţinutului de apă şi majorarea cotei folosite de apă de râu se prevăd o serie de măsuri ca: barbotarea de aer în restituţie, introducerea apei restituite în râu cu ajutorul unui colector perforat pentru a accelera difuzia termică, montarea unor turnuri de răcire înseriate pe restituţie, folosirea acumulărilor de apa de răcire etc.

O soluţie de evitare a poluării termice este utilizarea unui turn suplimentar de răcire, ca în figura 8.11.

Fig.8.11. Soluţia cu turn de răcire suplimentar

Putem estima cota de râu cu următoarea formulă:

riut

turnt

R1t

turnt

RC

−

−=

(8. 18)

Dacă: triu = 15 °C; tturn = 25 °C; tR1 = 20 °C,

atunci cota de râu rezultă 0.5 1525

2025=

−

−=

RC .

Pentru evitarea poluării termice a râului se impune o încălzire a apei returnate la râu faţă de temperatura râului de maximum 5 °C

t”

riu + t’riu + 5 °C ⇒ t

”riu = 20 °C


Deci în acest caz, turnul de răcire suplimentar trebuie să răcească apa cu 100C.

O altă soluţie pentru evitarea poluării este prin folosirea pompelor de amestec, ca în figura 8.12.

Debitul de amestec (Dam) rezultă în urma unui bilanţ termic pe nodul de amestec care este:

( )riu

t2R

t

riut

2Rt

riuD

amD

′−

′′−⋅=

(8. 19)

Debitul de apă luat din râu este

CTER DCriu

D ⋅= (8. 20)

unde DCTE reprezintă debitul de apă de răcire necesar centralei.

Fig. 8.12. Soluţia cu pompe de amestec

99 .. II MM PP AA CC TT UU LL TT RR AA TT ĂĂ RR II II AA PP EE II AA SS UU PP RR AA MM EE DD II UU LL UU II

9.1. Necesitatea tratării apei din CTE Poluarea biologică sau chimică a apelor naturale este o problemă foarte

importantă, deoarece la ora actuală puţine zone populate, fie din ţări dezvoltate sau mai puţin dezvoltate, nu suferă din cauza poluării apei.

Multe ape de suprafaţă izolate au o calitate ridicată a apei şi pot fi pompate prin reţele de alimentare şi distribuţie direct, la diferiţi utilizatori finali, inclusiv consum uman, irigaţii, procese industriale sau stingerea incendiilor. Însă, sursele de apă curată sunt o excepţie, în special în regiunile unde populaţia are densitate mare sau unde există o utilizare intensă a apei în agricultură.

Toate operaţiile industriale, inclusiv producerea de energie în centrale termoelectrice, produc, într-o măsură mai mare sau mai mică, ape uzate, care trebuie evacuate în mediu. Apele uzate produse de centralele termoelectrice pot fi clasificate ca: ape uzate menajere, ape uzate de proces şi ape uzate de răcire. Apele uzate menajere sunt produsul duşurilor, cafetierelor şi ale celorlalte facilităţi puse la dispoziţia personalului. Apele uzate de proces rezultă în urma scurgerilor, deversărilor şi spălării echipamentelor.

Apele uzate de răcire sunt produse de numeroasele procese de răcire cu recirculare sau fără recirculare. Sistemele de răcire cu un singur ciclu folosesc un volum mai mare de apă de răcire, care este utilizată şi apoi evacuată în mediu. Sistemele de răcire cu recirculare au diferite tipuri de turnuri de răcire, care evacuează căldura în exces în mediu dar care necesită curăţări periodice, pentru a preveni depunerea de săruri.

Apele uzate menajere sunt, în general, tratate de către sistemul de epurare sanitară, pentru a preveni împrăştierea microorganismelor patogene ce pot provoca boli. Apele uzate de proces prezintă un pericol potenţial pentru mediu, datorită reacţiilor chimice directe sau indirecte. Unele ape de proces sunt deja degradate biologic, fiind astfel necesară o cerere imediată de oxigen. Alte ape uzate de proces sunt toxice şi reprezintă o ameninţare directă pentru gradul de sănătate al vieţii biologice din mediu. Apele uzate de răcire sunt cele mai puţin periculoase, dar pot conţine ape uzate de proces, ca rezultat al scurgerilor din sistemul de răcire. Sistemele de răcire cu recirculare tind să concentreze, atât contaminarea organică, cât şi pe cea anorganică, astfel că de la un anumit nivel, pot surveni neajunsuri.

Prezenţa în apă a anumitor substanţe, la concentraţii cu mult mai mici decât cele la care se produce un efect toxic sau o reducere excesivă a oxigenului dizolvat, poate avea un impact major, datorită predominanţei microorganismelor în ecosistemul acvatic. Acesta a început să aibă efect asupra standardelor de calitate a apei şi, în consecinţă, asupra deversărilor care pot fi permise.

Impactul tratării apei asupra mediului 169

Metoda sau gradul de tratare a apei este importantă pentru inginerii de mediu. În general, caracteristicile apei brute determină metoda de tratare.

Centralele termoelectrice necesită un anumit consum de apă pentru: • apă de adaos în circuitul termic, care compenseză pierderile din circuitul

termic al centralei, prin purjări, prin scăpări de abur şi de condensat; • apa de adaos în reţeaua de termoficare, care să înlocuiască pierderile pe

reţeaua de transport şi distribuţie a energiei termice; • apă de adaos pentru circuitul de de răcire, pierdută prin evaporare, prin

antrenarea stropilor, prin neetanşeităţi şi purjare a circuitului de răcire.

Acest consum de apă de adaos provine din surse naturale şi nu se găseşte niciodată în stare pură, necesitând operaţii de tratare. Impurităţile din apă pot fi clasificate în două categorii:

• impurităţi în suspensie, nedisociate electrolitic; • impurităţi dizolvate, disociate electrolitic.

În afară de apa de adaos, în centralele termoelectrice sunt supuse operaţiilor de tratare condensatul principal şi condensatul returnat de consumatorii industriali.

O importanţă deosebită, dată în principal de mărimea fluxului, o are apa de răcire, pentru care este necesară menţinerea unor anumite condiţii de calitate.

Calitatea apei din diferitele circuite ale centralei termoelectrice este urmărită prin determinarea continuă sau periodică a principalilor indici.

Principalii indici folosiţi pentru aprecierea calităţii apei sunt: • duritatea – reprezintă conţinutul apei în compuşi de calciu şi magneziu,

deosebindu-se duritatea temporară (carbonatică), duritatea permanentă (necarbonatică) şi duritatea totală; se măsoară în mval/l, care reprezintă 28 mg/l CaO şi 2.8°d (grad german);

• alcalinitate –reprezintă conţinutul de NaOH şi se exprimă în ppm; • conţinutul de suspensii în stare coloidală interesează, deoarece precipită,

parţial sau total, depunându-se sub formă de nămol pe suprafeţele de transfer de căldură;

• conţinutul de săruri – reprezintă totalitatea sărurilor dizolvate în apă, exprimat în mval/l;

• pH-ul –reprezintă conţinutul de ioni de OH- şi dă indicaţii asupra

alcalinitaţii sau acidităţii apei; pentru a fi neagresivă faţă de oţel pH-ul apei trebuie să fie 7÷8.5.

Funcţiile tratării apei la centralele termoelectrice, în cazul cel mai general, sunt următoarele: tratare fizică (coagulare – filtrare), desuleiere, tratare

chimică, degazare, tratare termică (distilare), degazare chimică, condiţionare (fosfatare), adaos hidrazină, [1].

Apa de adaos în circuitul termic este supusă procedeelor de filtrare şi tratare chimică.

Condensatul principal necesită cea mai mare atenţie, dată fiind temperatura


ridicată la care lucrează şi necesitatea evitării coroziunii; este supus operaţiilor de filtrare, tratare chimică, degazare termică şi chimică şi condiţionare.

Apa de adaos din reţeaua de termoficare necesită filtrare, tratare chimică şi degazare termică.

Returul condensatului din industrie este desuleiat, filtrat şi tratat chimic. Apa de răcire necesită decantare, filtrare şi pretratare chimică.

9.2. Procedee de tratare a apei din CTE Tratarea fizică are loc prin decantare, filtrare şi coagulare - filtrare. Apa preluată din râu este, înainte de toate, trecută printr-un grătar care reţine

solidele plutitoare şi apoi printr-un denisipator, care reţine nisipul şi alte particule grele.

Decantarea constă în conducerea apei de alimentare într-un bazin decantor, în care, ca urmare a reducerii vitezei de circulaţie a apei, particulele, având densitate mai mare ca apa, se depun pe fundul decantorului, viteza de depunere depinzând de densitatea şi dimensiunile particulelor, [2].

Prin decantare nu se pot îndepărta impurităţile de dimensiuni mici, în suspensie.

Schema unui denisipator cu decantor este redată în figura 9.1, în care 1 – canal de intrare; 2 – bazin de liniştire; 3 – grătar de liniştire; 4 – camera denisipatorului; 5 – grătar de fund cu palete; 6 – vană de spălare; 7 – canal de spălare; 8 – canal de ieşire a apei decantate. Aceste operaţii îmbunătăţesc condiţiile de funcţionare ale pompelor de apă de răcire.

Fig.9.1. Secţiune printr-un denisipator cu decantor

Particulele de aluviuni suspendate în apă sunt dificil de îndepărtat, deoarece sunt de dimensiuni foarte mici, adesea de dimensiuni coloidale, prezentând încărcări negative, care împiedică acumularea şi formarea de particule largi, care ar putea mai uşor să sedimenteze. Pentru îndepărtarea acestor particule prin decantare este nevoie mai întâi de neutralizarea încărcărilor, iar în faza a doua, de încurajarea particulelor să intre în coliziune unele cu altele. Neutralizarea încărcării este denumită coagulare, iar construirea de flocoane mai largi din particule mai mici este denumită floculare.

Coagularea, procedura de eliminare a impurităţilor coloidale, se bazează pe


neutralizarea sarcinilor particulelor, prin adăugarea de coagulanţi. Pentru coagulare se foloseşte sulfatul de aluminiu, sulfatul feric, sulfatul

feros sau clorura ferică. Se creează floconi, prin precipitarea impurităţilor în suspensie şi apoi are loc operaţia de floculare.

Tratarea chimică cuprinde dedurizarea şi demineralizarea. Prin dedurizare se reduce, parţial sau total, duritatea temporară, iar prin demineralizare se reduce conţinutul de săruri, paralel cu dedurizarea.

Tratarea termică realizează demineralizarea apei prin vaporizare, urmată de condensare. Tratarea chimică realizează demineralizarea, bazându-se pe schimbul ionic, folosind cantităţi importante de masă ionică. Pentru agentul termic din generatoarele de abur este necesară reducerea concentraţiei de oxigen, în scopul limitării coroziunii, aceasta realizându-se prin degazare termică şi uneori, când nu este suficient, chimic, prin introducerea de hidrazină.

9.3. Caracteristicile apelor uzate Condiţiile de evacuare a apelor uzate în reţelele de canalizare ale localităţilor

sunt stabilite prin normativul NTPA-002/1997. Normativul are ca scop stabilirea condiţiilor în care se acceptă evacuarea apelor uzate în canalizările publice ale localităţilor, astfel încât să se asigure protecţia şi funcţionarea normală a acestora, precum şi protejarea mediului

Apele uzate care se evacuează nu trebuie să conţină: materii în suspensie, substanţe cu agresivitate chimică, substanţe toxice, nocive şi cu grad ridicat de periculozitate, substanţe organice greu biodegradabile. Caracteristicile generale sunt redate în tabelul 9.1 şi acestea variază foarte mult. Caracteristicile specifice vor afecta tehnicile de tratare alese pentru îndeplinirea cerinţelor la deversare, [3].

Compuşii organici solubili în apă, cu greutate moleculară scăzută, sunt biodegradabili. Odată ce creşte complexitatea organică, scade solubilitatea şi biodegrabilitatea. Biodegradarea compuşilor organici necesită în mod adecvat azot, fosfor, fier şi urme de sare.

Anorganicii din majoritatea deşeurilor industriale sunt rezultatul direct al compuşilor anorganici în apele de transport. Sursele de apă moale vor avea anorganici mai puţini decât cele cu apă dură sau sărată. Totuşi, unele ape uzate industriale pot conţine cantităţi semnificative de anorganici, rezultaţi din compuşii chimici deversaţi în perioada de funcţionare a instalaţiei.

Multe ape uzate din procesele de alimentare sunt bogate în sodiu. În vreme ce apele uzate menajere au un echilibru între compuşii organici şi anorganici, multe ape uzate de proces din industrie sunt deficiente în compuşi anorganici specifici. Sărurile de amoniu sau de nitrat pot furniza azotul, în timp ce fosfaţii pot furniza fosforul. Sărurile feroase sau ferice sau chiar corodarea oţelului normal, pot furniza fierul necesar. Alte elemente, în cantităţi foarte mici, necesare biodegradării sunt potasiul, calciul, magneziul, cobaltul, molibdenul, clorul şi sulful.


Tabel 9.1.

Caracteristici generale ale apei uzate

Proprietăţi Caracteristici Exemple Mărimea sau concentraţia

Solubilitate Solubilă Insolubilă

Zahăr PCB

> 100 mg/l < 1mg/l

Stabilitate biologică Degradabilă Refractară

Zahăr DDT, metale

Solide Dizolvat Coloidal Suspensie

NaCl Carbon Bacterii

< 10-9 m > 10-6

< 10-9 m > 10-6 m

Organic Carbon Alcool Anorganic Anorganic Cu2+ pH Acid

Neutru Bazic

HNO3 Sare (NaCl) NaOH

1 ÷ 12

Temperatură Ridicată-scăzută

Răcire Schimb de căldură

> 5 ºC > 30 ºC

Toxicitate Efect biologic Metale grele Compuşi prioritari

Variază

Nutrienţi

N P

NH3 PO4

3- Variază

Apele uzate trebuie să aibă pH-ul cuprins între 6 şi 9, pentru a avea un impact minim asupra mediului. Apele uzate cu pH-ul mai mic decât 6 tind să fie corozive, ca rezultat al excesului de ioni hidrogenaţi. Pe de altă parte, creşterea pH-ului peste 9, determină anumiţi ioni metalici să se precipite în carbonaţi sau hidroxizi. Alcalinitatea este importantă pentru păstrarea pH-ului în limitele normale. Alcalinitatea bicarbonatului este primul tampon pentru apele uzate. Este important să avem alcalinitatea adecvată, pentru a neutraliza componentele acide ale deşeului, ca şi acelea formate de metabolismul parţial al compuşilor organici. Mulţi compuşi organici, precum carbohidraţii, aldehidele, cetonele şi alcoolii sunt biodegradate prin acizi organici, care trebuie neutralizaţi de către alcalinitatea disponibilă. Dacă alcalinitatea este inadecvată, este de preferat adăugarea de carbonat de sodiu, decât de var. Varul este dificil de controlat cu acurateţe, aceasta conducând uneori la niveluri ridicate ale pH-ului şi precipitarea calciului, care face parte din alcalinitate. În scurt timp, bicarbonatul de sodiu poate fi cea mai bună sursă de alcalinitate.

Temperatura. Majoritatea apelor uzate din centralele termoelectrice sunt calde. Operarea la temperaturi scăzute şi foarte scăzute (iarna) conduce la viteze scăzute de reacţie, atât ale sistemelor de tratare biologică, cât şi ale celor de tratare


chimică. Vâscozitatea mărită a apelor uzate, la temperaturi scăzute, face separarea solidă mai dificilă.

Oxigenul dizolvat. Oxigenul este o resursă de mediu critică în râuri şi lacuri. Viaţa acvatică necesită un nivel acceptabil de oxigen dizolvat. Este recomandat un nivel al oxigenului dizolvat de 5 mg/l pe timp de vară, când rata metabolismului biologic este maximă. Este important ca apele uzate să aibă un nivel maxim de oxigen dizolvat când sunt deversate şi un minim de componente care solicită oxigen, astfel încât acesta să rămână peste 5 mg/l, [4]. Deversarea apelor uzate calde tinde să agraveze situaţia oxigenului dizolvat în apele receptoare.

Solidele totale reprezintă reziduul remanent dintr-o apă uscată, evaporată la 103÷105 ºC, fiind incluse şi părţile prezentate în figura 9.2.

Fig. 9.2. Identificarea solidelor

Azotul şi fosforul dau naştere la numeroase probleme în mediu şi, de aceea, necesită o atenţie specială în cazul apelor uzate industriale. Azotul, fosforul sau amândouă pot determina o creştere a productivităţii biologice acvatice, rezultând un nivel scăzut al oxigenului dizolvat şi eutrofizarea lacurilor, râurilor, estuarelor şi apelor marine.

Petrol şi uleiuri. Acestea tind să plutească la suprafaţa apei, blocând transferul de oxigen, împiedicând regenerarea şi producând un efect estetic negativ. Măsurările se fac cu ajutorul procedurii extragerii solventului. Adesea, petrolul şi uleiul interferează cu alte operaţii de tratare, de aceea, ele trebuie îndepărtate în cadrul stadiilor iniţiale de tratare.

9.4. Neutralizarea soluţilor de regenerare Soluţiie de regenerare şi spălare care ies din filtre au caracter acid sau bazic după

natura filtrului şi, de aceea, ele nu pot fi evacuate la canalizare. Concentraţia acidă şi bazică a soluţiilor se modifică în timpul regenerării, crescând spre sfârşitul ei.

Programul de regenerare al filtrelor duce la succesiuni de operaţii din care rezultă, când exces de ape acide, când exces de ape bazice.

În vederea neutralizării lor, apele reziduale de la tratarea chimică se adună într-un rezervor de neutralizare. După un ciclu de funcţionare, în mare măsură apele se neutralizează reciproc. Dacă apele bazice sunt în exces, neutralizarea


finală se face prin adaos de acid chorhidric sau sulfuric. Dacă apele din bazin au un caracter acid, neutralizarea are loc prin trecerea lor peste un pat din piatră de calcar, înainte de evacuarea la canal. În cazul centralelor cu combustibil solid şi evacuarea hidraulică a cenuşei, neutralizarea poate avea loc în conductele de evacuare în care lichidul este puternic alcalin.

Instalaţia de neutralizare se execută, de obicei, subteran şi este protejată anticorosiv. Pentru amesterarea soluţiilor se foloseşte un agitator mecanic, antrenat de un motor electric, capsulat şi protejat anticorosiv.

Printre efluenţii evacuaţi din instalaţiile de tratare a apei care necesită tratare sunt:

• nămoluri de la purjarea reactoarelor de coagulare; • ape de la spălarea filtrelor de limpezire; • ape de la regenerarea filtrelor Na-cationice; • ape de la regenerarea şi spalarea instalaţiilor de demineralizare totală a

apei sau a condensatului; • ape de la regenerarea filtrelor H-cationice din schemele de demineralizare

parţială.

9.5. Tratarea apelor uzate Apele uzate industriale conţin o varietate de poluanţi insolubili, coloidali şi

alte forme specifice, atât organice cât şi anorganice. În plus, standardele impuse pentru efluent sunt diverse, variind în funcţie de clasa poluantului. În general, combinarea mai multor procese de tratare este utilizată pentru a realiza gradul de epurare necesar, la un cost cât mai scăzut, [5].

Preepurarea

Multe ape uzate ar trebui preepurate înainte de a fi deversate în canalizarea municipală sau chiar în sistemul central de canalizare industrial. Preepurarea individuală ar trebui luată în consideraţie atunci când apele au un efect advers asupra sistemului de epurare totală.

Egalizarea este una dintre cele mai importante acţiuni de preepurare. Încărcătura deversată de deşeuri concentrate este cea mai potrivită pentru egalizare. Poate fi importantă egalizarea curgerilor de ape uzate, a concentraţiilor apelor uzate sau chiar amândouă. Deversările periodice de apă uzată tind să supraîncarce unităţile de epurare. Egalizarea curgerii tinde să elimine încărcările hidraulice asupra unităţilor de epurare, până la un anumit nivel. Este posibilă sau nu diminuarea variaţiei concentraţiei, în funcţie de gradul de amestecare din bazinul de egalizare. Amestecarea mecanică poate fi adecvată în cazul în care deşeurile nu reacţionează chimic. Deşeurile biodegrabile primesc în mod normal aerarea prin amestec, astfel încât microorganismele sunt menţinute aerobic şi se previn


mirosurile neplăcute. Sistemele cu aerare prin difuzie oferă o mai bună amestecare în condiţii variate de încărcare, faţă de echipamentele de aerare de suprafaţă. Atât amestecul, cât şi transferul de oxigen sunt importante pentru apele uzate biodegradabile. Operarea în cicluri regulate determină mărimea bazinelor de egalizare. Nu există vreun avantaj în construirea unui bazin de egalizare mai mare decât este nevoie, pentru ameliorarea variaţiilor apei uzate. Pentru operarea industrială de 5 zile, adică o săptămână de 40 de ore se recomandă un bazin de egalizare de 2 zile cu dimensiuni suficiente pentru o operare continuă a sistemului de epurare a apelor uzate în condiţii uniforme.

Apele uzate acide sau bazice, provenind de la staţia de tratare chimică a centralei, trebuie neutralizate înainte de deversare. Bazinele de egalizare pot fi utilizate ca bazine de neutralizare. Atunci când este necesară o neutralizare chimică separată, cel mai simplu de utilizat este hidroxidul de sodiu în stare lichidă, care poate fi folosit la diferite concentraţii, pentru o neutralizare în linie, cu minimum de echipament. Totuşi, varul rămâne cea mai utilizată bază pentru neutralizarea acidă. Calcarul este utilizat atunci când viteza reacţiei este mică şi există un timp considerabil disponibil pentru reacţie. Acidul sulfuric este acidul primar folosit pentru a neutraliza valori mari ale pH-ului apelor uzate, doar dacă sulfatul de calciu poate fi precipitat ca rezultat al reacţiei de neutralizare. Dacă acidul sulfuric nu este acceptabil, poate fi utilizat acidul clorhidric pentru neutralizarea apelor uzate bazice. Pentru neutralizarea adecvată a apelor uzate foarte slab bazice, poate fi utilizat dioxidul de carbon.

Îndepărtarea uleiului şi a petrolului. Uleiul şi petrolul tind să formeze cu apa straturi insolubile, ca rezultat al caracteristicilor lor hidrofobe. Aceste materiale hidrofobe pot fi uşor separate gravitaţional sau prin agitare de apă, dacă nu sunt prea bine omogenizate cu aceasta. Dacă petrolul şi uleiurile emulsionează cu apa, ca rezultat al amestecării turbulente, emulsiile sunt dificil de separat. Separarea petrolului şi a uleiului ar trebui să aibă loc în apropierea punctului de amestec cu apa. În câteva momente, pot fi adăugate bule de aer amestecului pentru a separa materialele hidrofobice de apă prin flotaţie. Pentru a ajuta la separarea emulsiilor pot fi adăugate şi substanţe chimice. Se pot utiliza capcane pentru a colecta uleiurile înainte de deversare. Din păcate, capcanele de ulei sunt proiectate pentru o curăţire regulată a uleiului captat. O capcană de uleiuri ar trebui să fie proiectată pentru un volum de colectare specific pentru o anumită perioadă. Trebuie manifestată o mare grijă în proiectarea capcanei, astfel încât uleiul să fie uşor de îndepărtat. Din cauza neglijenţei şi a proiectării deficitare, utilizarea de capcane de ulei este aproape ineficientă.

Substanţele toxice. Legislaţia recentă declară ilegale deversările toxice în apa uzată. S-a identificat un număr de poluanţi prioritari care trebuie îndepărtaţi şi păstraţi în condiţii de siguranţă, de la sursă până la depozitarea finală. O importanţă mai mare s-a acordat recent metalelor grele şi compuşilor organici complecşi care


ar putea fi implicate în provocarea cancerului. Pentru reducerea metalelor grele sub nivelul toxic şi pentru prevenirea deversării compuşilor organici toxici este esenţială preepurarea. Din fericire, compuşii organici toxici pot fi distruşi prin diferite sisteme de oxidare chimică. Incinerarea pare să fie cea mai economică metodă pentru distrugerea compuşilor organici toxici. Pentru a face incinerarea economică, compuşii organici trebuie separaţi de diluarea apelor uzate şi trataţi în forma lor concentrată. Dacă metalele grele nu pot fi reutilizate, trebuie concentrate şi plasate în substanţe insolubile, care nu le pot lixivia.

Epurarea primară

Epurarea primară a apelor uzate este îndreptată direct spre îndepărtarea cu minimum de efort a poluanţilor. Solidele în suspensie sunt îndepărtate prin tehnici de separare fizice sau chimice şi operate apoi ca solide concentrate.

Grătarele. Pentru îndepărtarea particulelor de mărime medie, greu compresibile, în curgerea fluidului sunt utilizate grătare fine, precum hidrogrătarele. Grătarele fine sunt de obicei utilizate când cantitatea de particule este destul de mare. Grătarele fine cu curăţare mecanică sunt folosite pentru separarea particulelor mai mari. Sunt folosite grătare rare, pentru a reţine solide mari, care pot strica pompele sau echipamentul din amonte de grătare.

Denisipatoarele se utilizează pentru reţinerea nisipului sau a particulelor dure, inerte, din apele uzate. Camerele de denisipare cu aerare sunt destul de mici, cu un volum total bazat pe o retenţie de 3 minute la o curgere maximă. Solidele flotabile sunt îndepărtate în camera de denisipare cu aerare. Este importantă îndepărtarea regulată a solidelor flotabile de la suprafaţa camerei, altfel putându-se crea condiţii neprielnice.

Sedimentarea gravitaţională. Particulele care se sedimentează încet sunt îndepărtate cu ajutorul bazinelor de sedimentare gravitaţională. Proiectarea acestora se face pe baza timpului de retenţie, rata suprafeţei de inundare şi adâncimea minimă. Un bazin de sedimentare poate fi circular sau rectangular. Factorul important care afectează eficienţa de îndepărtare este modelul de curgere hidraulică prin bazin. Energia conţinută de apa uzată care intră trebuie disipată pentru ca fluidele să poată sedimenta. Pentru o eficienţă maximă de sedimentare, curgerea apei uzate trebuie distribuită adecvat prin volumul de sedimentare. După ce solidele s-au sedimentat, efluentul trebuie colectat, fără a crea curenţi hidraulici care ar putea avea un efect negativ asupra procesului de sedimentare.

Precipitarea chimică. Solidele uşoare, în suspensie şi cele coloidale, pot fi îndepărtate prin precipitare chimică şi sedimentare gravitaţională. În mod normal, precipitarea chimică necesită un sistem de amestecare rapid şi un sistem de floculare, înaintea bazinelor de sedimentare, conform schemei din figura 9.3.

Parametrii utilizaţi pentru proiectarea amestecului rapid şi a sistemelor de


floculare este radicalul gradientului de viteză G definit de ecuaţia:

[ ]

s]Pa[]m[

kW

s

1

3

⋅⋅=

ηV

PG

( 9. 1)

unde: P [kW] – puterea furnizată sistemelor de floculare; V[m3] – volumul amestecului floculat; s]Pa[ ⋅η - vâscozitatea dinamică a apei.

Amestecarea optimă necesită în mod normal o valoare a G mai mare decât 1000 perioade (1/s).

Flocularea optimă are loc atunci G este cuprins între 10÷100 1/s.

Fig. 9.3. Schema sistemului de precipitare

Precipitarea chimică poate reţine 95 % din solidele suspendate, până la 50 % din solubilele organice şi o cantitate de metale grele din apa tratată. Reţinerea substanţelor organice solubile depinde de coagulantul chimic folosit. Reţinerea metalelor depinde, în primul rând, de pH şi de tipul de ion metalic.

Tratarea fizico-chimică

Procesele şi/sau operaţiile unităţilor care intră în această categorie includ: absorbţia, schimbul de ioni, diluarea, oxidarea chimică şi separarea prin membrane. Toate acestea sunt mult mai scumpe decât tratarea biologică, dar sunt utilizate pentru îndepărtarea poluanţilor ce nu pot fi uşor anihilaţi de biomasă. Adesea, acestea sunt utilizate în serie cu tratarea biologică, dar uneori sunt utilizate ca procese singulare.

Absorbţia. Acesta este cel mai utilizat proces de tratare fizico-chimică. Este utilizat în primul rând pentru îndepărtarea compuşilor organici solubili, carbonul activ servind ca absorbant. Majoritatea reacţiilor de absorbţie cu carbon activat, în stare lichidă, urmăresc izoterma Freundlich (ecuaţia 9. 2).

mcky

1

⋅=

(9. 2)

unde : y - capacitatea absorbantului, masa poluantului/masa carbonului; c - concentraţia poluantului în deşeu, masă/volum; k şi n - constante empirice.

Presupunând că se atinge echilibrul, izoterma furnizează doza de carbon necesară tratării. Într-un proces concurent, capacitatea carbonului este stabilită de concentraţia poluantului din deşeul netratat. Este preferabil contactul în


contracurent. Carbonul activat este disponibil într-o formă energizată (200÷400

particule/m2) şi într-una granulară (10-40 particule/m2). Ultima este mult mai scumpă, dar este mai uşor de regenerat şi de utilizat într-un contactor contracurent. Carbonul energizat este aplicat în contactori de şlam, cu amestecare, pentru timpi de detecţie de câteva ore, după ce are loc separarea prin sedimentare. Adesea coagularea, flocularea şi filtrarea sunt necesare pentru completarea sedimentării.

Deoarece este dificil de regenerat, carbonul energizat este, de obicei, aruncat după folosire. Carbonul granular este utilizat în contactorii în coloană, cu un timp de contact efectiv cuprins între 30 de minute şi o oră. Adesea se folosesc câţiva contactori în serie, realizându-se astfel un contact contracurent complet. Un singur contactor furnizează doar un contact contracurent parţial. Când un contactor este epuizat, carbonul este regenerat, fie printr-o metodă termică, fie prin trecerea unui solvent printr-un contactor.

Pentru aplicaţiile de tratare a deşeului în care trebuie îndepărtat un mare număr de poluanţi, dar cantitatea din fiecare poluant este mică, este favorabilă regenerarea termică. În situaţiile în care un poluant aflat în cantitate mare este îndepărtat de carbon, poate fi folosită regenerarea cu extragerea solventului, în special acolo unde poluantul poate fi recuperat din solvent şi reutilizat.

Regenerarea termică este o operaţie complexă. Ea necesită îndepărtarea carbonului din contactor, drenajul apei libere, transportul la un reactor, încălzirea în condiţii controlate de temperatură, oxigen, timp, presiunea parţială a vaporilor de apă, transportul înapoi în reactor şi reîncărcarea coloanei. Între cinci şi zece procente de carbon sunt pierdute în acest proces de regenerare, datorită arderilor şi frecărilor din timpul fiecărui ciclu de regenerare. Pentru regenerarea cu succes se folosesc cuptoare rotative cu vetre multiple.

În mod uzual, pretratarea se face înaintea absorbţiei carbonului pentru îndepărtarea solidelor în suspensie. Adesea, acest proces este utilizat ca tratare terţiară, după tratarea primară şi biologică. În fiecare situaţie, coloanele de carbon trebuie proiectate pentru spălare. Unele solide vor scăpa de pretratare şi va avea loc o creştere biologică în carbon, în ciuda tratării excesive. La început, tratarea cu carbon a fost văzută doar ca o aplicaţie la îndepărtarea compuşilor organici toxici sau a acelora care sunt dificil de degradat biologic. În prezent, absorbţia carbonului este o procedură pentru îndepărtarea tuturor tipurilor de compuşi organici. S-a observat că anumite activităţi biologice au loc, în aproape orice unitate, cu carbon activat, deci, proiectarea trebuie ajustată în consecinţă.

Schimbul de ioni. Acest proces a fost aplicat timp de mai mulţi ani pentru tratarea apelor industriale uzate, dar nu şi pentru deşeuri. Totuşi, recent, au fost dezvoltate unele materiale cu schimb de ioni, care pot fi utilizate pentru îndepărtarea unor poluanţi specifici. Aceste noi răşini sunt, în primul rând, folositoare pentru îndepărtarea selectivă a metalelor grele şi chiar şi aşa, metalele ţintă sunt prezente în concentraţii scăzute în apa uzată, ce conţine mulţi alţi


anorganici. Un proces cu schimb de ioni funcţionează în mod uzual astfel: deşeul curge printr-o serie de coloane, ce conţin răşinile schimbătoare de ioni adecvate. Sunt utilizaţi timpi de contact efectivi, între 30 de minute şi o oră. Este practicată pretratarea solidelor în suspensie şi îndepărtarea compuşilor organici, precum şi ajustarea pH-ului.

Capacitatea unei răşini schimbătoare de ioni depinde de tipul şi concentraţia regenerantului. Deoarece răşinile schimbătoare de ioni sunt aşa de selective cu compuşii ţintă, trebuie utilizat un exces semnificativ al regenerantului. Până la un punct, cu cât este mai mult regenerant, cu atât este mai mare şi capacitatea răşinii. Din păcate, aceasta are ca rezultat prezenţa deşeului majorităţii regeneraţilor. De fapt, cea mai mare parte a costurilor operaţionale ale acestui proces sunt alocate cumpărării de regenerant şi depozitării sale şi, de aceea, regenerarea trebuie optimizată. Regeneranţii utilizaţi (selecţia se face în funcţie de răşinile cu schimb de ioni) includ clorura de sodiu, carbonatul de sodiu, acidul sulfuric, hidroxidul de sodiu şi amoniac.

Diluarea cu aer este aplicată pentru îndepărtarea substanţelor volatile din apă. Legea lui Henry este relaţia cheie în utilizarea şi proiectarea sistemelor cu diluare.

Raportul minim gaz/lichid necesar diluării este: � pentru un proces în echicurent

out

outm

X)H(

XS

L

G −=

(9. 3)

� pentru un proces în contracurent

m

outm

XH

XX

L

G

)(

−=

(9. 4)

unde: G - rata curgerii de aer, masă/timp; L = rata curgerii deşeului, volum/timp; X - concentraţia poluantului din deşeu, masă/volum; H - constanta lui Henry pentru poluantul din apă, volum/masă.

Sunt necesare rate mai mari ale curgerii gazelor decât cele calculate mai sus, deoarece trebuie învinse limitările date de transferul de masă. Diluarea poate avea loc prin împrăştierea aerului într-un rezervor ce conţine deşeu. Împrăştierea compuşilor organici din rezervoarele cu nămol activat reprezintă o grijă, din cauza posibilităţii ca publicul să fie expus la poluanţi ce se transmit prin aer, inclusiv mirosuri.

Oxidarea chimică. Acest proces nu a fost utilizat pe scară largă din cauza costului său ridicat. Este recomandat doar acolo unde concentraţia compusului ţintă este foarte mică, iar cantitatea de oxidant necesar suficient de mică, pentru justificarea tratării prin oxidare chimică. Eficienţa acestui proces este, de asemenea, mică, deoarece pot avea loc multe reacţii secundare, care să crească consumul de oxidant.

11 00 .. PP OO LL UU AA RR EE AA FF OO NN II CC ĂĂ

10.1. Conceptul de zgomot

Abilitatea de a produce şi detecta sunetul oferă oamenilor posibilitatea de a comunica între ei, precum şi de a primi informaţii utile de la mediu. Sunetul poate alarma, ca în cazul alarmării în caz de incendiu, poate informa, ca la ceainicul fluierător şi poate provoca plăcere, ca în cazul muzicii. În plus, faţă de astfel de sunete utile şi plăcute, există zgomotul, adesea definit ca sunetul nedorit şi supărător. În general, clasificăm sunetele nedorite ca fiind sunetele generate de produsele civilizaţiei noastre, precum turbine, ventilatoare, pompe, mori de cărbune, abur ce iese cu presiune printr-un orificiu, camioane, avioane, utilaje industriale, aparate de aer condiţionat şi alte produse similare, producătoare de zgomot.

Deranjul produs de zgomot este dificil de măsurat, dar eventualele lezări ale urechii sunt o problemă măsurabilă, asociată cu zgomotul. Investigaţiile asupra factorilor care deranjează la locul de muncă arată că, peste 35 % dintre subiecţii intervievaţi, identifică zgomotul ca fiind factorul cel mai stresant de la locul de muncă.

Surprinzător, zgomotul urban nu este un fenomen modern. De exemplu, legenda spune că Iulius Cezar a interzis conducerea carelor pe străzile pavate ale Romei în timpul nopţii, pentru a putea să doarmă, [1]. Metropolele aveau, încă înaintea apariţiei automobilelor, un nivel de zgomot considerabil, acesta fiind considerat ca unul dintre cele mai supărătoare lucruri, [2].

Zgomotul poate avea efecte nocive asupra oamenilor, atât fiziologic, cât şi psihologic. Este un poluant perfid, deoarece lezările sunt de obicei pe termen lung şi permanent.

Majoritatea cetăţenilor au un concept redus, dacă îl au, asupra a ce este sunetul sau ce poate el să facă. Acest lucru este exemplificat prin povestea unui director, bine intenţionat, al unei unităţi industriale, care a decis scăderea nivelului zgomotului în fabrică, prin plasarea de microfoane în incintă şi canalizarea zgomotului prin difuzoare, către exterior, [3].

Sunetul este o undă, transfer de energie, fără transfer de masă. Sunetul se propagă printr-un mediu precum aerul, prin oscilaţia moleculelor de aer care transferă energia sonoră. De altfel, conform teoriei lui de Broglie, [4], microparticulele în mişcare au nu numai proprietăţi corpusculare, ci şi proprietăţi ondulatorii. Ca urmare, trebuie admis că, oricărui corpuscul material în mişcare îi este asociată o undă, caracterizată prin frecvenţa ν - sau pulsaţia ω - şi lungimea de undă λ.

Pentru exemplificarea modului de creare şi propagare a undelor de presiune în aer, se poate considera şi exemplul mecanic clasic al deplasării unui piston într-

Poluarea fonică 181

un cilindru, prezentat în figura 10.1. Deoarece pistonul este forţat spre dreapta în tub, moleculele din vecinatatea lui se împotrivesc mişcării şi se îngrămădesc pe faţa pistonului, conform primei legi a lui Newton. Aceste molecule comprimate acţionează acum ca un resort şi eliberează presiunea prin dislocare înainte, creând o undă de molecule de aer comprimat, care se mişcă prin tub. Energia potenţială a fost convertită în enegie cinetică. Aceste unde de presiune se mişcă în tub la o viteză de 344 m/s (de fapt viteza sunetului în aer la 20 °C). Dacă pistonul oscilează la o frecvenţă de, să presupunem, 10 cicluri/s, vor fi o serie de unde de presiune în tub, fiecare separat având o lungime de undă de 34.4 m, conform relaţiei

ν=λ

c

(10. 1)

unde: λ [ m ] - lungimea de undă, c [ m/s ] - viteza sunetului într-un mediu dat, ν [Hz] – frecvenţa, respectiv cicluri/s.

Fig. 10.1. Undele de presiune create de un piston.

Sunetul se propagă cu diferite viteze în materiale diferite, în funcţie de anumite proprietăţi fizice ale materialului, precum modulul de elasticitate. De exemplu, în fonta utilizată la şinele de cale ferată, viteza sunetului este de 3340 m/s, astfel că, dacă cineva aude un ţăcănit de 50 cicluri/s, atunci viteza de undă a

sunetului este de m 6950

3440==

ν=λ

c.

Gama de frecvenţe percepută de urechea umană este între 20 şi 20000 Hz. Intensitatea unui concert mediu de pian este de circa 440 Hz. Frecvenţa este unul dintre cei doi parametri de bază care descriu sunetul. Amplitudinea, cât de puternic este sunetul, este celălalt parametru. De altfel, amplitudinea este elongaţia maximă, respectiv distanţa dintre centrul vibrator şi oscilator.

Considerând o undă de presiune a unui sunet izolată şi trasând amplitudinea funcţie de timp, se observă că unda produce o traiectorie sinusoidală, după cum se


prezintă în figura 10.2. Toate părţile din figură prezintă variaţia spaţială de-a lungul undei, într-un anume moment de timp; A sunt regiunile de compresie şi rarefiere în aer, B sunt undele de presiune, C este intensitatea undei, P este amplitudinea

presiunii cu valoarea eficace2

P, λ este lungimea de undă, iar I este intensitatea

medie.

Fig. 10.2. Undele sonore.

Toate sunetele sunt alcătuite dintr-un număr de unde sinusoidale corespunzătoare, după cum a demonstrat Fourier. Chiar dacă, atât combinaţiile ordonate, cât şi cele dezordonate de unde sinusoidale pot fi plăcute pentru ureche, zgomotul este uzual o combinaţie dezordonată.

Deşi urechea umană este un instrument remarcabil, capabil să detecteze presiuni ale sunetului de peste şapte ordine de amplitudine, aceasta nu este un receptor perfect al energiei acustice. În măsurarea şi controlul zgomotului, este importantă cunoaşterea nu numai a ceea ce reprezintă o presiune a sunetului, ci şi a avea unele noţiuni despre cât de puternic pare să fie un sunet. Însă, înainte de abordarea acestei topici, trebuie să revedem unele elemente de bază ale sunetului.

10.2. Nivelul presiunii, frecvenţa şi propagarea sunetului

După cum am arătat, figura 10.2 reprezintă o undă de presiune de sunet pur, având o singură frecvenţă. O undă de presiune este o undă de compresie, iar amplitudinea este o amplitudine de presiune, măsurată în unităţi de presiune, respectiv Pa (N/m2). Ca şi în cazul altor fenomene de unde, intensitatea I este pătratul amplitudinii P


2PI = (10. 2)

Intensitatea unei unde de sunet este măsurată în wat, o unitate de putere. Când o persoană aude sunete de diferite intensităţi, intensitatea totală auzită nu este suma intensităţilor diferitelor sunete. Mai degrabă, urechea umană tinde să devină supraîncărcată sau saturată cu prea multe sunete. O altă expunere a acestui fenomen este că audiţia umană însumează intensităţile sunetelor mai degrabă logaritmic, decât liniar. O unitate denumită Bel, a fost inventată pentru măsurarea intensitătii sunetului. Nivelul de intensitate a sunetului (IL - intensity level), este definit astfel

[ ]

=

010logB

I

IILB

(10. 3)

unde I [W] - intensitatea sunetului, I0 - intensitatea sunetului cel mai puţin audibil, de obicei fiind I0 = 10-12 W.

Unitatea Bel este o unitate incomod de largă. Unitatea mai convenabilă, care este acum utilizată în mod obişnuit este decibelul (dB). Nivelul de intensitate

în decibeli, IL , este definit ca

⋅=

010log10[dB]

I

IIL

(10. 4)

Deoarece intensitatea este pătratul presiunii, o ecuaţie analogă poate fi scrisă pentru nivelul presiunii sunetului (SPL - sound pressure level) în decibeli

⋅=

refP

PSPL 10log20[dB]

(10. 5)

unde SPL [dB] este nivelul presiunii sunetului, P [Pa] este presiunea undei sunetului, iar Pref [Pa] este presiunea de referinţă, aleasă în general la limita audiţiei, respectiv de 0.00002 Pa [N/m2].

Aceste relaţii sunt introduse oarecum intuitiv. Pe baza observaţiei că oamenii pot percepe diferenţele de greutate, când acestea sunt de acelaşi ordin de mărime, Weber avansează ideea că tot astfel se întâmplă şi cu sunetele. De exemplu, o creştere de 2 N/m2 faţă de o presiune a sunetului iniţială de 2 N/m2 este uşor percepută, în timp ce aceeaşi diferenţă de 2 N/m2 nu este luată în seamă, dacă se adaugă la un fundal al presiunii sunetului de 200 N/m2.

Matematic, aceasta se poate exprima ca

W

dWKds ⋅=

(10. 6)

unde ds este creşterea minimă perceptibilă, funcţie de sensibilitatea auzului, W este


încărcarea (de exemplu SPL de fundal), dW este schimbarea în încărcare, iar K o constantă.

Forma integrată a ecuaţiei (10.6) este cunoscută ca legea Weber-Fechner

WKs 10log⋅= (10. 7)

Această idee este utilizată în definirea unui deciBel

refW

WdB 10log10 ⋅=

(10. 8)

unde nivelul de putere W este împărţit cu o constantă, Wref, care este o valoare de referinţă, ambele măsurate în waţi (W).

Deoarece undele de presiune în aer sunt jumătate cu presiune pozitivă şi jumatate cu presiune negativă, adunându-le, rezultatul ar fi 0. În consecinţă, presiunile sunetului sunt măsurate ca valorile medii pătratice, care sunt legate de energia din undă. Se poate, de asemenea, arăta că puterea asociată cu o undă de sunet este proporţională cu pătratul presiunii medii. Prin urmare,

refrefref P

P

P

P

W

WdB 102

2

1010 log20log10log10 ⋅=⋅=⋅= (10. 9)

unde P şi Pref sunt presiunea şi respetiv presiunea de referinţă. Dacă definim presiunea de referinţă corespunzăror limitei de audiţie, Pref = 0.00002 N/m2, putem defini nivelul

presiunii sunetului, SPL ca

⋅=

refP

PlogSPL 1020[dB]

(10. 10)

Chiar dacă este obişnuită măsurarea presiunii sunetului pentru o gamă completă de frecvenţe, este uneori necesară descrierea unui zgomot prin cantitatea presiunii sunetului, prezentă la o gamă specifică de frecvenţe. O astfel de analiză de frecvenţe, prezentată în figura 10.3, poate fi utilizată pentru rezolvarea problemelor industriale sau evaluarea pericolului unui anumit sunet asupra urechii umane.

În plus, faţă de amplitudine şi frecvenţă, sunetul are încă două caracteristici importante. Ambele pot fi vizualizate prin imaginarea ondulaţiilor apei create de scăparea unui bolovan într-un bazin larg şi liniştit. Ondulaţiile, analog cu undele presiunii sunetului, sunt reflectate în afara sursei, iar magnitudinea ondulaţiilor este disipată, cu cât ondulaţiile ajung mai departe de sursă. Similar, nivelurile sunetului scad cu cât distanţa dintre receptor şi sursă creşte.

Cele patru caracteristici importante ale undelor de sunet sunt următoarele: • presiunea sunetului, fiind magnitudinea sau amplitudinea sunetului; • intensitatea, care este determinată de frecvenţa fluctuaţiilor de


presiune; • undele sonore se propagă departe de sursă; • presiunea sunetului descreşte cu creşterea distanţei faţă de sursă.

Fig. 10.3. Analiza tipică a unui zgomot de maşină cu zgomot de fond

Operaţia matematică de adunare a nivelului a două sunete, în decibeli, este ceva mai complicată. Procedura poate fi simplificată în mare măsură, prin utilizarea graficului prezentat în figura 10.4. În mod empiric, însumând două sunete egale, creşte nivelul presiunii sunetului, SPL, cu 3 dB, iar dacă un sunet este mai puternic cu 10 dB faţă de cel de-al doilea sunet, contribuţia ultimului este neglijabilă. De exemplu, dacă se combină un sunet de 80 cu unul de 75 dB, diferenţa dintre acestea este de 5 dB. Din figura 10.4 se observă că, pentru diferenţa de 5 dB dintre cele două sunete, pe linia curbă, se determină pe ordonată diferenţa dintre nivelul maxim şi nivelul total, ca fiind 1.2 dB; astfel că, valoarea totală este 81.2 dB.

Fig. 10.4. Combinarea diferitelor niveluri de presiune ale sunetului.

Considerăm că un motor cu reacţie are un nivel de intensitate a sunetului de


80 dB, auzit de la o distanţă de 50 m. Un membru al personalului de deservire stă la 50 m de un avion cu reacţie având 4 motoare. Ce nivel al presiunii sunetului, SPL, îi ajunge la ureche, când primul motor este pornit? Dar când funcţionează două motoare? Dar cu trei motoare pornite? Apoi cu patru?

Când primul motor este pornit, SPL este 80 dB, cu condiţia ca nici un alt zgomot comparabil să fie în vecinătate. Pentru determinarea, din graficul din figura

10.4, a SPL, când şi cel de-al doilea motor este pornit, observăm că diferenţa dintre cele două intensităţi ale motoarelor este 80 – 80 = 0 dB. Din grafic, o diferenţă numerică de 0 dintre cele două niveluri însumate, dă o diferenţă de 3 între total şi cel mai puternic dintre cele două, astfel că SPL2 motoare = 80+3=83 db. Cănd porneşte şi al treilea motor, diferenţa dintre cele două niveluri este 83 – 80 = 3 dB, ceea ce duce la o diferenţă de total de 1.8 db, astfel că nivelul intensităţii sunelului, IL este IL2motoare=83+1.8=84.8 dB. Când toate cele patru motoare sunt pornite, diferenţa dintre sunete este IL3motoare=84.8–80 = 4.8 dB, ducând la o diferenţă de total de 1.2 dB, astfel că, în final, nivelul intensităţii sunetului IL total este IL2motoare= 86 dB.

Zgomotul de fond (sau zgomotul ambiental) trebuie, de asemenea, să fie scăzut din orice zgomot măsurat. Utilizând regula empirică de mai sus, dacă nivelul presiunii sunetului, SPL, este mai mare cu 10 dB decât nivelul ambiental, contribuţia poate fi ignorată. Acoperirea unui sunet cu unul mai puternic este denumită mascare. Vorbirea poate fi mascată de zgomotul industrial, după cum se prezintă în tabelul 10.1.

Aceste date arată că un nivel al SPL de 80 dB într-o incintă va împiedica conversaţia eficientă. Conversaţiile telefonice sunt similar afectate; un fundal de 65 dB va face conversaţia dificilă, iar unul de 80 dB o face imposibilă.

Tabel 10.1.

Niveluri de presiune a sunetului pentru mascarea vocală

Nivelul de interferenţă al vorbirii [ dB ] Distanta

Normal Strigăt

3 60 78 6 54 72

12 48 66

În unele cazuri este utilă utilizarea aşa numitului zgomot alb, un zgomot de fond cu frecvenţă largă, de exemplu, de la un ventilator, pentru mascarea altor zgomote mai supărătoare.

Aceste caracteristici ignoră urechea umană. Ştim că urechea umană este un receptor uimitor de sensibil, dar este el la fel de sensibil la toate frecvenţele? Putem auzi la fel de bine sunetele scăzute sau cele ridicate? Răspunsul la aceste întrebări ne conduce la conceptul de nivel de sunet.


10.3. Nivelul de sunet

Să presupunem că stăm într-o cameră foarte liniştită şi ascultăm un ton la 1000 Hz şi un nivel al presiunii SPL de 40 dB. Dacă acest sunet este oprit şi un sunet pur la 100 Hz este fluierat înăuntru şi ajustat până îl percepem a fi “la fel de puternic”, cu tonul de 40 dB şi 1000 Hz, tocmai auzit cu puţin timp înainte, ar trebui, destul de surprinzător, să aducem tonul de 100 Hz la circa 55 dB. Cu alte cuvinte, mult mai multă energie trebuie să fie generată la frecvenţe mai scăzute pentru a auzi un ton de asemenea intensitate sonoră percepută, indicând că urechea umană este destul de ineficientă pentru tonuri de frecvenţă joasă.

Este posibilă conducerea unor astfel de experimente pentru mai multe sunete şi cu mai multe persoane şi trasarea de contururi medii egale de intensitate sonoră, ca în figura 10.5. Aceste contururi sunt trasate în condiţii de foni, care corespund nivelului de presiune a sunetului în decibeli, a tonului de referinţă de 1000 Hz, iar presiunea de referinţă este de 0.00002 Pa (respectiv N/m2). Utilizând figura 10.5, o persoană supusă unui ton de 65 dB la 50 Hz ar judeca acest ton ca fiind egal cu un ton de 40 dB şi 1000 Hz. Prin urmare, sunetul de 50 Hz şi 65 dB are un nivel de intensitate sonoră de 40 foni. Astfel de masurători sunt în mod obişnuit denumite niveluri de sunet şi nu se bazează doar pe fenomene fizice, având şi un factor de ajustare, un “factor inventat”, care corespunde ineficienţei urechii umane.

Fig. 10.5. Contururi egale de intensitate sonoră.


Nivelul sunetului (SL) este măsurat cu un aparat care constă dintr-un microfon, un amplificator, un circuit de măsurare a frecvenţei (filtre) şi o scală de ieşire, prezentat schematic în figura 10.6.

Fig. 10.6. Schema unui aparat de măsurare a nivelului sunetului.

Reţeaua de măsurare filtrează frecvenţele care fac răspunsul mai caracteristic audiţiei umane. Pentru utilizare, au fost standardizate internaţional trei scale (curbe) de filtrare, notate A, B şi C şi prezentate în figura 10.7.

Fig. 10.7. Curbele de filtrare A, B şi C.

De notat că scala A din figura 10.7 corespunde strâns cu un contur inversat de 40 foni, din figura 10.5. Similar, răspunsul reflectat de scala B, aproximează un contur inversat de 70 foni. Scala C prezintă un răspuns esenţial plan, dând ponderi egale pentru toate frecvenţele şi aproximează răspunsul urechii la niveluri intense de presiune ale sunetului.

Rezultatele măsurării zgomotului cu aparate de măsură standardizate pentru nivelul sunetului sunt exprimate în funcţie de decibeli şi se precizează şi scala pe care s-a făcut măsurătoarea. Dacă pe scala A aparatul de măsură citeşte 45 dB, măsurătoarea se raportează ca fiind 45 dB(A).

Cele mai multe acte legislative de zgomot sunt exprimate în dB(A), dar pentru zgomote foarte puternice, scala C este o aproximaţie mai bună. Însă, deoarece utilizarea de scale multiple complică lucrurile, alte scale decât A sunt rar utilizate.


În figura 10.8 se prezintă un aparat de măsurare manuală a nivelului sunetului (zgomot), numit sonometru.

Fig. 10.8. Aparat de masurare manuală a nivelului sunetului.

În plus, faţă de scalele A, B şi C, a fost introdusă o nouă scală, D, pentru aproximarea răspunsului uman, exclusiv la zgomotul de avion. Aceasta aduce alte complicaţii la măsurarea zgomotului. În general, nu răspundem în acelaşi mod la diferite tipuri de zgomot, chiar dacă acestea pot fi egale ca nivel de sunet. De exemplu, o orchestră simfonică ce interpretează la mijlocul scalei C, la 120 dB(A), şi un motor cu reacţie la 120 dB(A), vor genera diferite reacţii din partea oamenilor. Pentru a răspunde acestei discrepanţe în reacţii, au fost introduşi mai mulţi parametri, cu scopul de a găsi “cea mai bună” metodă de măsurare cantitativă a răspunsului uman la zgomot. Printre aceştia sunt:

• indicele zgomotului de trafic (TNI - Traffic Noise Index); • soni; • nivelul de zgomot perceput (PNdB - Perceived Noise level); • indicele şi numărul zgomotului (NNI - Noise and Number Index); • nivelul de zgomot perceput eficient (EPNdB - Effective Perceived Noise

level); • nivelul de interferenţă al vorbirii (SIL - Speech Interference Level).

Metodele de măsurare au proliferat, deoarece fenomenul fizic, o undă de presiune, este legat de un răspuns uman fiziologic (audiţie) şi apoi de un răspuns psihologic (plăcere sau iritare). De-a lungul timpului, ştiinţa devine progresiv mai subiectivă.

Măsurarea anumitor zgomote, în particular a celor denumite de obicei


zgomotele comunităţii, precum trafic sau petreceri zgomotoase, este destul de complicată. Aceste zgomote pot fi la distanţă mare şi oarecum constante în intensitate şi frecvenţă, funcţie de timp, dar pot fi şi zgomote tranzitorii precum mişcarea unui camion pe lângă un aparat de măsurare a sunetului sau o petrecere zgomotoasă lângă locaţia de măsurare. Un zgomot neobişnuit care se poate produce în timpul unei perioade, în general liniştite, este un zgomot intermitent şi are un efect diferit, din punctul de vedere al percepţiei asupra persoanelor.

10.4. Măsurarea zgomotelor tranzitorii

Zgomotul tranzitoriu este încă măsurat cu un aparat de măsurare a nivelului sunetului, dar rezultatele trebuie să fie raportate statistic. Parametrul comun este procentul de timp în care un nivel de sunet este depăşit, notat cu litera L cu un indice; de exemplu, L10 = 70 dB(A) înseamnă că 10 % din timp, zgomotul este mai puternic decât 70 dB(A), măsurat pe scala A. Datele despre zgomotul tranzitoriu sunt adunate, prin citirea nivelului sunetului SL, la intervale regulate. Aceste numere sunt apoi ordonate şi reprezentate grafic, iar valorile L sunt citite de pe grafic.

Pentru exemplificare, considerăm datele pentru zgomotul produs de trafic, prezentate în tabelul 10.2.

Tabel 10.2.

Date pentru zgomotul produs de trafic

Date masurate Date reordonate

Timp (s) dB(A) Nr.crt. dB(A) % din timp egal sau depăşit 10 71 1 70 90 20 75 2 71 80 30 70 3 74 70 40 78 4 74 60 50 80 5 75 50 60 84 6 75 40 70 76 7 76 30 80 74 8 78 20 90 75 9 80 10

100 74 10 84 0

Datele privind zomotul produs de trafic sunt măsurate la intervale de 10 s. Aceste valori sunt apoi ordonate în sensul creşterii nivelului sunetului şi astfel, se poate determina cât din timp un anume nivel al zgomotului este egal sau depăşeşte valoarea respectivă, cum se observă şi din figura 10.9.

Datele din tabelul 10.2 sunt reprezentate grafic, ca procent de timp, în care SL depăşeste valoarea respectivă, în dB(A).


Se menţionează că, după ce sunt făcute 10 citiri, cea mai scăzută valoare a zgomotului (nr. 1) corespunde unui SL care este egal sau depăşeşte 90 % din timp. Prin urmare, 70 dB(A) este reprezentat grafic în corespondenţă cu 90 %, în figura

10.9. Similar, 71 dB(A) este depăşit 80 % din timp şi aşa mai departe.

Fig. 10.9. Rezultatele de la o supraveghere a zgomotelor tranzitorii.

Un parametru utilizat adesea pentru aprecierea nivelului de zgomot perceput de la sursele tranzitorii este nivelul de poluare sonoră (NPL - noise pollution level), care ţine cont de iritaţia cauzată de zgomotele de impuls. NPL este definit ca

( ) ( )( )

60)(

29010

901050

LLLLLAdBNPL

−+−+=

(10. 11)

Aşa cum s-a definit anterior, simbolul L se referă la procentul de timp în care zgomotul este egal sau mai mare decăt o anumită valoare. Procentul de timp este indicat prin indice. L10 este, prin urmare, nivelul în dB(A), care depăşeste 10 % din timp. Făcând referire la figura 10.9, L10, L50 si L90 sunt 80, 75 şi respectiv 70 dB(A), care, introduse în ecuaţia anterioară, conduc la NPL(dB(A)=86.66. Este indicată, întotdeauna, luarea în calcul a cât mai multor date posibile. Cele 10 citiri din tabelul 10.2 sunt rareori suficiente pentru o analiză amănunţită, fiind necesar ca procentele să fie calculate pe baza unui număr cât mai mare de citiri.

10.5. Mediul acustic

Tipurile de sunete din jurul nostru variază de la un concert de Beethoven la zgomotul unui avion turboreactor. Intensitatea, în dB, a unor zgomote tipice este: adierea văntului – 1, locuinţă - 40, birou - 50, vorbire obişnuită – 65, trafic urban mediu – 70, avioane cu reacţie, trafic greu – 85, compresor de aer – 95, ciocan pneumatic – 125, sirenă – 140. De menţionat că sunt numeroase reglementări


referitoare la limitarea zgomotului. Majoritatea jurisdicţiilor locale au ordine împotriva “zgomotului puternic şi nenecesar”. Problema este că majoritatea acestor ordine sunt dificil de a fi puse în aplicare.

În mediul industrial, zgomotul este reglementat de normative privind siguranţa şi sănătatea profesională, care stabileşte limitele pentru zgomot la locul de muncă. În tabelul 10.3 se prezintă valorile recomandate pentru durata maximă a unei zile de lucru, în funcţie de nivelul de zgomot. Există unele neînţelegeri cu privire la nivelul zgomotului care trebuie permis pentru o zi de lucru de 8 ore. Unii cercetători şi agenţii de sănătate insistă că 85 dB(A) trebuie să fie limita. Aşa cum pare la suprafaţă, acesta nu este un subterfugiu minor, deoarece saltul de la 85 dB la 90 dB este de fapt o creştere de circa patru ori a presiuni sunetului, ţinând cont de natura logaritmică a scalei de decibeli.

Tabelul 10.3.

Durata zilei de muncă funcţie de nivelul zgomotului

Nivelul de sunet dB(A) Durata maximă a unei zile de lucru (h)

90 8 92 6 95 4

100 2 105 1 110 0.5 115 0.25

10.6. Efectele zgomotului asupra sănătăţii

Urechea umană este un instrument incredibil. Doar de curând am început să devenim conştienţi de efectele psihologice devastatoare ale zgomotului. Pe de altă parte, efectul zgomotului excesiv asupra abilităţii de a auzi a fost cunoscut de mult timp, [5]. Sistemul acustic uman este prezentat în figura 10.10.

Rolul fiziologic esenţial al analizorului acustic este acela de a capta undele sonore din mediul ambiant, de a le direcţiona şi codifica sub formă de impulsuri nervoase care, conduse la scoarţa cerebrală, sunt transformate în senzaţii auditive.

Urechea externă şi urechea medie au rolul de a capta şi transmite undele sonore din mediul extern către urechea internă, unde se află segmentul periferic al analizorului acustic. Undele sonore ajunse la nivelul pavilionului urechii sunt colectate, condensate şi transmise conductorului extern, prin care ajung la nivelul timpanului.

Undele de presiune a sunetului, cauzate de vibraţii, acordează timpanul (membrana timpanului) în mişcare. De menţionat că timpanul are proprietatea de a vibra la orice fel de frecvenţă, adică de a fi aperiodic, [6].

Membrana timpanului activează cele trei oase din urechea mijlocie şi anume,


ciocanul, nicovala şi scăriţa. Ciocanul, nicovala şi scăriţa amplifică fizic mişcarea primită de la timpan şi o transmit la urechea interioară. Această cavitate, umplută cu lichid conţine melcul urechii, o structură în formă de melc, în care mişcarea fizică este transmisă la celule minuscule capilare. Aceste celule capilare vibrează, asemănător algelor marine care se leagănă în curent, iar anumite celule sunt sensibile doar la anumite frecvenţe.

Fig. 10.10. Secţiunea prin urechea umană

Mişcarea mecanică a acestor celule capilare este transformată în semnale bioelectrice şi transmisă la creier de către nervii acustici.

Particularitaţile structurale ale oscioarelor urechii şi ale modului cum acestea sunt articulate între ele conferă urechii medii, în procesul de transmitere a undelor sonore, funcţia de a se acomoda faţă de sunetele extreme: sunetele de intensitate prea puternică sunt diminuate, iar cele de intensitate mică sunt amplificate cu ajutorul contracţiei muşchilor acestor oscioare.

Zgomotele foarte puternice şi bruşte pot produce daune acute timpanului. Mai serioasă este lezarea cronică a celulelor minuscule capilare din urechea interioară. Expunerea prelungită la zgomot de o anumită frecvenţă poate cauza, fie pierderea temporară a auzului, care dispare în câteva ore sau zile, sau pierderea permanentă. Prima este denumită schimbare temporară de limită, iar ultima este cunoscută ca schimbare permanentă de limită. Literar, limita acustică se schimbă, astfel încât nu putem auzi anumite sunete.

Schimbarea temporară de limită nu lezează urechea, cu condiţia ca sunetul să nu fie prelung. Persoanele care lucrează în medii zgomotoase descoperă că aud mai rău la sfârşitul zilei. Cântăreţii de rock sunt supuşi zgomotelor foarte înalte (considerabil peste nivelurile recomandate) şi, de obicei, sunt victimele schimbărilor temporare de limită. Într-un studiu, [7], ale cărui rezultatele sunt prezentate în figura 10.11, cântăreţii suferă o schimbare temporară de limită de până la 15 dB după un concert.

Zgomotul repetat pe o perioadă îndelungată conduce la schimbarea permanentă de limite. Acest lucru se întâmplă, în special, în aplicaţiile industriale


în care persoanele sunt supuse zgomotelor de o anumită frecvenţă. Pierderea auzului se instalează în timp la persoanele care lucrează la niveluri înalte de zgomot şi, cu precădere, cele mai grave pierderi sunt înregistrate la frecvenţa dominantă a zgomotului.

Fig. 10.11. Schimbarea temporară de limită pentru cântăreţii rock

Din această cauză, camerele de comandă din centralele electrice, staţii şi posturi de transformare, sunt izolate fonic.

Cu cât persoanele înaintează în vârstă, auzul devine mai puţin acut, din simplul motiv al îmbătrâniri. Această pierdere a auzului, denumită presbicus, este ilustrată în figura 10.12. De notat că cea mai mare pierdere se produce la fecvenţele cele mai ridicate. Frecvenţa vocală este de circa 1000÷2000 Hz, unde pierderea auzului este notabilă.

În plus, faţă de presbicus, există o pierdere serioasă a auzului datorită zgomotului de mediu. Într-un studiu asupra unor elevi, [2], a rezultat o pierdere de 15 dB la 2000 Hz, pentru 13 % dintre cei de clasa a 12-a şi 35 % dintre proaspeţii admişi la facultate. Studiul a concluzionat că, această pierdere gravă a rezultat de la expunerea la zgomote puternice, precum motociclete şi muxica rock, şi a rezultat că “auzul multor astfel de elevi este deja deteriorat, ca la nivelul unei persoane de 65 ani”.

Zgomotul afectează, de asemenea, alte funcţii ale corpului, incluzând cele ale sistemului cardiovascular. Zgomotul alterează ritmul bătăilor inimii, subţiază sângele, dilată vasele de sânge şi face focalizarea ochilor să fie dificilă. Nu este de mirare că zgomotul excesiv a fost învinuit pentru dureri de cap şi iritabilitate. Toate aceste reacţii sunt cele pe care locuitorii peşterilor ancestrale le-au experimentat. Zgomot înseamnă pericol, iar simţurile şi nervii erau “în alertă”, dar nu se cunoaşte care dintre bolile fizice se datorează răspunsului la zgomot.

Cunoaştem, de asemenea, că nu putem să ne adaptăm zgomotului, în sensul că funcţiile corpului nostru nu reacţionează într-un anume mod la zgomotul


excesiv. Prin urmare, persoanele nu “se obişnuiesc” cu zgomotul în sensul fiziologic.

Fig. 10.12. Pierderea auzului cu înaintarea în vârstă

În plus, faţă de problemele legate de zgomotul pe care îl auzim, este potrivit să menţionăm problemele potenţiale generate de sunetul foarte puternic sau foarte scăzut, aflat în afara gamei uzuale, de 20÷20.000 Hz a auzului. Efectele de sănătate ale acestora, dacă există, rămân să fie explorate mai amănunţit în viitor.

10. 7. Costurile induse de zgomot

O cuantificare oarecum directă a costurilor induse de zgomote se poate face comparând timpul de spitalizare, pentru aceleaşi afecţiuni, a pacienţilor dintr-un spital liniştit şi unul supus la zgomote datorate activitaţii interne sau externe. Aceasta se poate transpune direct în cifre financiare.

Procese judiciare recente au fost câştigate de lucrătorii care au reclamat lezări prin pierderi ale auzului suferite la locul de muncă. Sume mari se cheltuie anual pentru îngrijirea pacienţilor cu tulburări de auz, care au lucrat în armată.

Alte costuri, precum somnifere, timp pierdut în industria şi izolarea fonică a apartamentelor, sunt dificil de cuantificat, dar exemplele abundă. Izolarea camerelor de comandă este realizată practic pentru toate centralele.

O problemă comună de zgomot este la utilajele agricole (în mod deosebit tractoare), astfel că noile modele sunt dotate cu cabine insonorizate.

De altfel, toate automobilele noi sunt dotate cu cabină insonorizată, ca şi întreaga caroserie.


10.8. Controlul zgomotului

Controlul zgomotului este posibil în trei stadii diferite ale transmisiei acestuia:

• reducerea sunetului produs; • întreruperea căii sunetului; • protejarea receptorului.

Când considerăm controlul zgomotului în industrie, în comunitate sau în casă, trebuie să avem în vedere că toate problemele au aceste trei posibile soluţii.

Controlul zgomotului industrial implică, în general, înlocuirea utilajelor sau a echipamentelor generatoare de zgomot cu alternative mai silenţioase. De exemplu, zgomotul de la un ventilator poate fi redus prin creşterea numărului de palete sau a înclinării acestora şi descreşterii vitezei de rotaţie, obţinând astfel, acelaşi debit de aer. Zgomotul industrial poate, de asemenea, să scadă prin întreruperea căii zgomotului; de exemplu, un motor zgomotos poate fi acoperit cu material de izolare.

O metodă pentru controlarea zgomotului, adesea utilizată în industrie, este protecţia receptorului prin distribuirea de dispozitive de protecţie auditivă (antifoane). Aceste antifoane trebuie alese să aibă o atenuare suficientă a zgomotului, pentru protejarea împotriva expunerilor anticipate la zgomot. O atenţie mai mare trebuie acordată pentru evitarea interferenţei cu abilitatea de a auzi vorbirea umană şi semnalele de alarmare de la locul de muncă.

Controlul zgomotului comunităţii. Cele trei surse majore ale zgomotului comunitar sunt avioanele, traficul şoselelor şi construcţiile. Zgomotul construcţiilor poate fi controlat prin reglementări locale. Controlul, de obicei, implică amortizarea compresoarelor de aer, a ciocanelor pneumatice, a compactoarelor manuale etc. Deoarece amortizarea necesită fonduri suplimentare, contractorii nu vor avea iniţiativă proprie pentru controlul zgomotului, decât dacă nu sunt exercitate presiuni exterioare.

Tot mai multe ţări impun restricţii privind aterizarea avioanelor ce depăşesc anumite limite de zgomot să utilizeze aeroporturile, forţând fabricanţii să proiecteze motoare care să opereze la nivele reduse. Al doilea efort a fost devierea căilor de zbor departe de zonele populate şi, acolo unde este necesar, piloţii să nu utilizeze puterea maximă când decolează, pentru o zonă sensibilă la zgomot. Adesea, aceste abordări nu sunt suficiente pentru prevenirea lezărilor sau supărărilor semnificative induse de zgomot, iar zgomotul avioanelor rămâne o problemă reală în zonele urbane.

Avioanele supersonice prezintă o problemă specială. Nu numai motoarele lor sunt zgomotoase, dar bubuitul sonic poate produce lezări considerabile. Leziunile de la zborurile militare supersonice din Statele Unite au condus la interzicerea unor


astfel de zboruri în aviaţia supersonică comercială. A treia sursă majoră a zgomotului comunităţii este traficul. Maşinile sau

camioanele generează zgomot în diferite moduri. Sistemul de exhaustare, cauciucurile, motorul, angrenajele şi transmisia, toate contribuie la un nivel de zgomot, în timp ce numai actul de deplasare prin atmosferă creează zgomotul vântului. Şosele şi poduri suspendate intră în rezonanţă cu traficul şi amplifică zgomotul de trafic. Cel mai ofensator, pe şosele, este camionul de mare tonaj care generează zgomot în toate modurile amintite. Zgomotul total generat de vehicule poate fi corelat direct cu volumul traficului camioanelor. Figura 10.13 este o reprezentare tipică, ce prezintă nivelul sunetului în funcţie de volumul de trafic (măsurat în număr de camioane pe oră). Clar, volumul camioanelor este de importanţă majoră. Este important de menţionat că acest grafic este reprezentat ca “nivelul de sunet depăşit 10 % din timp”. Nivelurile de sunet de vârf pot fi problema majoră.

Fig. 10.13. Efectul densităţii camioanelor şi a distantei faţă de sosea asupra zgomotului

Un număr de alternative sunt disponibile pentru reducerea zgomotului şoselelor. Întâi, sursa poate fi controlată prin realizarea de vehicule mai silenţioase; în al doilea rând, şoselele pot fi trasate departe de zonele populate, iar în al treilea rând, zgomotul poate fi ecranat cu ziduri sau alte tipuri de bariere.

Surprinzător, vegetaţia creează o ecranare foarte scăzută a zgomotului, doar dacă ecranul are lăţimea de 100 m, sau mai mult. Cea mai eficientă ecranare apare cu scăderea cotei şoselei sau construirea de bariere de beton de-al lungul drumului, ecranând astfel zgomotul.

Toate acestea au limitări: zgomotul va lovi zidul şi va crea umbre reduse sau fără zgomot, dar pereţii vor împiedica ventilaţia şoselei, contribuind astfel, la acumularea de CO sau alţi poluanţi de la gazele de eşapament ale maşinilor şi camioanelor.

Nivelul de zgomot aferent unui teren oarecare, construit sau viran, funcţie de destinaţia acestuia, se prezintă în tabelul 10.4.


Tabelul 10.4.

Nivele de zgomot stabilite

Categoria

de teren

Nivelul de

zgomot proiectat, L10

Descrierea folosintei

terenului

A 60 dB(A) exterior Activităţi care necesită calităţi speciale de calm şi linişte, precum amfiteatre

70 dB(A) exterior Rezidenţe, moteluri, spitale, şcoli, parcuri, biblioteci

B 55 dB(A) exterior

Rezidenţe, moteluri, spitale, scoli, parcuri, biblioteci

C 75 dB(A) exterior Terenuri dezvoltate neincluse în categoriile A si B

D Fără limită Terenuri nedezvoltate

Zgomotul în casă. Locuinţele particulare devin mai zgomotoase datorită zgomotul intern produs, precum şi al zgomotului extern al comunităţii. Lista dispozitivelor dintr-o casă modernă sună ca o listă de produse care produc zgomot din ajunul Anului Nou. Unele exemple de zgomot casnic sunt listate în tabelul

10.5. Altfel, produse similare, de diferite mărci, adesea variază semnificativ în nivelurile de zgomot. Când cumpărăm un aparat casnic, este la fel de important să întrebăm “Cât de zgomotos este?” ca şi “Cât costă?”.

Tabel 10.5.

Unele generatoare casnice de zgomot

Aparatul (distante de la sursa de zgomot) Nivelul de sunet, dB(A)

Aspirator (3 m) 75 Maşină silenţioasă la 50 km/h (interior) 65 Maşină sport la 50 km/h (interior) 80 Tragerea apei la toaletă (1.5 m) 85 Depozitarea gunoiului (1 m) 80 Aparat de aer condiţionat de fereastră (3 m) 55 Alarma de la ceasul deşteptător (0.5 m) 80 Maşina electrică de tuns iarba (poziţia operatorului) 105 Snowmobil (poziţia operatorului) 120 Formaţie rock (3 m) 115

Zgomotul în centralele termoelectrice. În centralele termoelectrice există anumite zone în care nivelul de zgomot este ridicat, adeseori depăşind nivelul admisibil de 90 dB(A) şi anume,

• zona ventilatoarelor de aer şi gaze : 92÷105 dB(A) ; • zona morilor de cărbune : 95÷115 dB(A) ;


• concasoare : 98÷118 dB(A) ; • sala turbogeneratoarelor : 95÷105 dB(A) zona turbină şi 90÷103 dB(A) ; • staţiile de pompe păcură : 95÷100 dB(A) ; • staţii pompe termoficare : 95÷98 dB(A) ; • sala grup Diesel : 98÷112 dB(A) ; • sala compresoarelor: 95÷98 dB(A); • sala cazanelor: 95÷115dB(A); � cota tambur : 93÷95 dB(A) ; � cota SRR : 97÷108 dB(A) ; � cota nod abur : 93÷95 dB(A) .

Datele de mai sus se bazează pe măsurători concrete, efectuate într-o serie de centrale termoelectrice şi de termoficare, [10].

Mai există zone, în centrale, cu nivel de zgomot apropiat de nivelul admisibil precum : cota arzătoare, cota vane purjă, atelierul de prelucrări mecanice şi zone cu nivel scăzut de zgomot, camerele de comandă, staţiile electrice interioare etc.

Încă din faza de proiectare şi construcţie se prevăd măsuri pentru limitarea nivelului de poluare fonică prin reducerea posibilităţii producerii zgomotului. Astfel, se aplică mantale de absorbţie a zgomotelor peste turbine, generatoare, ventilatoare, sau se plachează platformele maşinilor, pereţii rezervoarelor, corpurile filtrelor, transformatoare, pompe şi mori.

Izolaţia fonică a camerelor şi a pupitrelor de comandă impune condiţii speciale, atât de acustica încăperii, cât şi de izolaţie fonică. Trebuie să se împiedice fenomenele de ecou, prin dimensiuni şi forme adecvate ale acestor încăperi. Timpul de reverberaţie trebuie să rămână în anumite limite, de circa 0.9÷1.2 s, pentru ca silabile să fie clare când se vorbeşte, pentru înţelegerea comenzilor.

10.9. Concluzii

Cât timp zgomotul a fost considerat un alt inconvenient în lumea poluată, nu i s-a acordat prea mare atenţie. Acum, avem suficiente date să demonstrăm că zgomotul este un pericol pentru sănătate şi trebuie enumerat printre poluanţii importanţi. Reducerea poluării fonice necesită investirea unor sume mari de bani şi nu întotdeauna întreprinderile, mai ales cele private, sunt dispuse să acorde importanţa necesară acestei probleme, fără intervenţie din partea guvernului, sau a opiniei publice.

11 11 .. VV II BB RR AA ŢŢ II II LL EE ÎÎ NN FF UU NN CC ŢŢ II OO NN AA RR EE AA

AA GG RR EE GG AA TT EE LL OO RR CC TT EE

11.1. Conceptul de vibraţie

Centrala termoelectrică este compusă din echipamente prin care circulă fluide cu diferite viteze sau care execută o mişcare de rotaţie unul faţă de celălalt. Datorită încălzirilor neuniforme care conduc la dilatarea suprafeţelor schimbătoare de căldură sau a carcaselor turbinelor, generatorului electric, condensatorului, acestea au posibilitatea de mişcare relativă, ceea ce, până la urmă, conduc la posibilitatea de a vibra.

Un sistem mecanic efectuează o vibraţie sau o oscilaţie dacă parametrii care îi determină configuraţia la un moment dat variază alternativ în timp faţă de valorile avute în starea de referinţă.

Vibraţia este periodică dacă toate elementele mişcării se repetă identic, după un acelaşi interval de timp T, numit perioadă. Astfel, după o perioadă, poziţia, viteza v şi acceleraţia a ale tuturor punctelor sunt aceleaşi.

Cea mai simplă mişcare periodică este mişcarea a cărei ecuaţie se exprimă cu ajutorul funcţiilor trigonometrice sinus sau cosinus şi se numeşte vibraţie (oscilaţie) armonică:

( )

( )ϕ+ω⋅=ω⋅=

ϕ+ω⋅=ω⋅=

txx,txx

txx,txx

cossau cos

sinsau sin

00

00 (11. 1)

Mărimile caracteristice ale unei vibraţii armonice sunt: • elongaţia x – distanţa dintre centrul vibrator şi oscilator, la un moment dat; • amplitudinea x0 – elongaţia maximă; • perioada T – timpul cel mai scurt după care mişcarea se repetă identic; • frecvenţa f – inversul perioadei şi reprezintă numărul de vibraţii complete

efectuate în unitatea de timp (secunda), măsurată în Hertz, 1 Hz=1/s; • pulsaţia ω – numărul de vibraţii complete care au loc în intervalul de timp

de 2π secunde; • faza (ωt+φ) – argumentul funcţiei cu care se exprimă vibraţia armonică; • diferenta de fază sau faza iniţială φ – diferenţa dintre fazele mişcării

vibratorii armonice.

După numărul gradelor de libertate, vibraţiile pot fi cu unul sau mai multe grade de libertate.

După forţele care intervin în mişcarea vibratorie, vibraţiile se pot clasifica în:

Vibraţiile în funcţionarea agregatelor CTE 201

� vibraţii libere – când forţele pertubatoare sunt nule ; � vibraţii forţate sau întreţinute – când intervin forţe perturbatoare ; � vibraţii neamortizate – când forţa rezistentă este nulă ; � vibraţii amortizate – când intervine şi forţa rezistentă.

Multe echipamente întâlnite în centralele termoelectrice, supuse la vibraţii, pot fi considerate ca sisteme oscilante cu un singur grad de libertate, acestea constituind o aproximaţie suficientă pentru sisteme oscilante mai complexe. Uneori, vibraţiile sistemelor cu mai multe grade de libertate pot fi descompuse în vibraţii independente, fiecare cu un singur grad de libertate.

Studiul analitic al vibraţiei unui sistem liniar cu un singur grad de libertate se bazează pe rezolvarea ecuaţiei diferenţiale liniare

)t(Pxkt

xh

t

xm =⋅+⋅+⋅

d

d

d

d2

2

(11. 2)

în care m - masa corpului care oscilează, h – factor de proporţionalitate al amortizării, k – constanta elastică a elementului elastic din sistem, P(t) – forţa ce întreţine vibraţia.

Toate vibraţiile din echipamentele CTE sunt vibraţii amortizate. Forţa rezistentă care produce amortizarea poate fi: constantă, proporţională cu viteza (rezistenţă vâscoasă), variabilă după alte legi.

Dacă forţa ce întreţine vibraţia este armonică, [1]

tF)t(P ω⋅= sin (11. 3)

ecuaţia devine,

tm

Fxp

t

xn

t

xω=⋅+⋅⋅+ sin

d

d2

d

d 22

2

(11. 4)

şi atunci amplitudinea mişcării este:

2

222

2

2 21

1

pp

n

p

k

FA

ω⋅

+

ω−

⋅= (11. 5)

Pentru p=ω , are loc fenomenul de rezonanţă la care amplitudinea ia valori foarte mari şi, prin urmare, acest fapt trebuie, pe cât posibil, evitat.

Cu cât factorul de amortizare p

n2 este mai mare, cu atât amplitudinea este

mai mică. Rezonanţa joasă reprezintă un pas semnificativ spre construcţii uşoare, avînd

ca scop descărcarea lagărelor, fapt care adesea s-a manifestat la fundaţiile de oţel, întâi numai prin faptul că rotorul generatorului trebuia să fie echilibrat după


montare. Cadrul cu stîlpi subţiri reprezintă pentru rotor numai o fracţiune din masa de amortizare care era asigurată de fundaţiile grele de beton.

În stadiul actual al tehnicii echilibrării este posibil să se echilibreze şi cele mai mari rotoare, aşa încât axa care trece prin centrul de greutate şi axa lagărelor să fie practic identice. Excentricităţile care mai rămân sunt cuprinse în limite admisibile.

11.2. Influenţa fundaţiilor asupra vibraţiilor agregatelor

Fundaţiile moderne sunt realizate din beton precomprimat. Complexitatea circuitului termic al turbinelor moderne a impus găsirea unor noi soluţii constructive pentru fundaţii.

Fundaţiile rigide, masive, consumă mult beton şi asigură condiţii statice numai în direcţie longitudinală. Un alt dezavantaj este lipsa de măsuri de redresare, după ce s-a produs o deformare a terenului.

Fundaţia de beton precomprimat are proprietăţi dinamice care corespund, facând abstracţie de masa platformei care este de circa 6÷7 ori mai mare, acelora ale unei fundaţii de oţel, [2]. Dimensiunile reduse care se pot obţine prin folosirea betonului precomprimat se datorează faptului că, prin introducerea artificială de forţe de compresiune în diferitele bare ale armăturii, proprietăţile iniţiate neomogene ale betonului sunt ameliorate în aşa măsură, încît se comportă ca un material omogen.

Fundaţia trebuie să susţină echipamentul în aşa fel, încît eforturile care iau naştere din lipsa de echilibrare perfectă a maşinilor şi din momentele de scurtcircuit, inclusiv eforturile care rezultă de aici şi în fundatie, să se păstreze în anumite limite, iar pe de altă parte, energia de oscilaţie disipată în terenul de construcţie să fie cît mai mică.

Legătura rigidă dintre maşină şi suportul ei este adesea cauza transmiterii trepidaţiilor (vibraţiilor). Dacă se reuşeste să se instaleze un agregat în aşa fel încât să se opună un minimum de rezistenţă mişcării sale în orice direcţie, s-a realizat cazul ideal al instalării fără perturbaţii.

Condiţiile grele pe care trebuie să le îndeplinească agregatele în ceea ce priveşte lipsa oscilaţiilor, impun ca, nu numai în interiorul maşinilor să nu ia naştere oscilaţii dăunătoare, ci să nu se transmită nici din exterior la agregate sau personalul de exploatare vreo trepidaţie şi invers, să nu se răspîndească oscilaţii prin suportul acestora. Dacă maşina este instalată pe un planşeu, există totdeauna pericolul de transmitere a oscilaţiilor maşinii la acesta.

Problema evitării radiaţiei oscilaţiilor şi a realizării unui suport compatibil cu buna funcţionare a agregatului se poate rezolva în sensul că se aşează agregatul, inclusiv cadrul de fundaţie, pe un suport elastic, a cărui rezonanţă este astfel aleasă, încât frecvenţa proprie a sistemului este mult inferioară frecvenţelor oscilaţiilor


perturbatoare. Este necesar, de aceea, să se cunoască aceste frecvenţe. La maşinile rotative, cum sunt exclusiv cele care se întâlnesc în construcţia

centralelor, este vorba de turaţiile de regim.

11.3. Amortizarea vibraţiilor în CTE

Amortizarea vibraţiilor este necesar a fi luată în consideraţie încă de la instalarea echipamentelor pe fundaţii. Instalarea pe fundaţii se poate face cu, [2]:

• amortizare activă - în acest caz, maşina trebuie să fie instalată astfel încât să nu se transmită oscilaţii dăunătoare mediului înconjurător;

• amortizare plastică - în acest caz, trebuie să se protojeze maşina contra perturbaţiilor care se transmit prin terenul de construcţie (de la maşinile vecine, trafic etc.).

Perturbaţiile de care trebuie să se ţină seama în cazul amortizării active provin din cauza oscilaţiilor care se produc în timpul mişcărilor rectilinii sau de rotaţie ale maşinilor. La orice acceleraţie a maselor, apar forţe care se manifestă sub formă de oscilaţii.

Perturbaţia periodică se caracterizează prin efectul de lungă durată al unei forţe variabile ca mărime şi direcţie.

În cazul perturbaţiei periodice, se poate ajunge la rezonanţă sau cvasirezonanţă între frecvenţa perturbatoare şi frecvenţa proprie a fundaţiei. Acest domeniu trebuie să fie neapărat evitat, deoarece aici, în funcţie de amortizare, pot apare forţe dinamice egale cu un multiplu al forţelor statice.

Morile de cărbune necesare pentru focarele în care se arde praf de cărbune trebuie să fie întotdeauna instalate imediat dedesubtul sau în apropierea cazanului. De aici rezultă necesitatea de a se instala morile pe fundaţiile cazanului sau ale clădirii, uneori chiar pe planşee. În funcţie de tipul de moară, fundaţia trebuie să fie dimensionată pentru a prelua forţe centrifuge considerabile. În aceste cazuri se recomandă să se dimensioneze greutatea fundaţiei în aşa fel, încît să corespundă la de zece ori greutatea pieselor în rotaţie ale morii.

Turbinele şi generatoarele mici (turbine pentru serviciile interne ale centralei) se instalează adesea direct pe unul din planşeele clădirii.

Oscilaţiile care se produc în acest caz au frecvenţa turaţiei maşinii, adică sunt întotdeauna de peste 25 Hz.

La alegerea amortizorului de oscilaţii, se dispune de diferite posibilităţi. Turbogeneratoarele mari au fundaţie proprie diferită de cea a clădirii şi

dimensionată astfel încât să conducă la amortizarea vibraţiilor ansamblului turbogenerator.

Fundaţiile pompelor de alimentare. Pompele de alimentare ale cazanului sunt în general agregate cu turaţie mare, care, însă, au adesea turaţia progresiv reglabilă.

De aceea, elementele amortizoare ale oscilaţiilor trebuie sa fie proiectate în baza turaţiei minime posibile.


11.4. Turaţia critică

Modul de funcţionare al centralelor termoelectrice face ca turbogeneratorul să funcţioneze, în afară de turaţia de sincronism, şi la toate valorile de turaţii de la zero la turaţia de sincronism, în regimurile de pornire şi oprire.

Arborele maşinilor rotative poate vibra cu frecvenţă proprie. Întrucât perfecta echilibrare a rotorului nu este posibilă, rămâne întotdeauna o forţă centrifugă rezultantă, care se roteşte o dată cu rotorul; deci, rotorul este supus unor forţe

perturbatoare cu frecvenţa 60

nfi = , [3]. Dacă această frecvenţă este egală cu

frecvenţa proprie a arborelui, acesta intră în rezonanţă, vibraţiile crescând puternic şi putând duce în final la ruperea arborelui.

Turaţia pentru care arborele intră în rezonanţă se numeşte turaţie critică a rotorului.

Turaţia critică poate fi de diferite ordine; la turaţia critică primară arborele face săgeată.

La turbinele cu abur se pune condiţia ca turaţia nominală să difere cu 15÷40 % de turaţia critică primară.

Arborii tubinelor pot fi: • rigizi – la care turaţia critică este mai mare decât turaţia de funcţionare; • elastici – la care turaţia critică este mai mică decât turaţia de funţionare.

La arborii elastici, la pornire şi la oprire, se trece prin turaţia critică; trecerea trebuie făcută cât mai repede.

11.5. Urmărirea vibraţiilor

Vibraţiile conduc la oboseală, atât a materialului agregatelor, cât şi a personalului de exploatare. Creşterea vibraţiilor devine periculoasă pentru funcţionarea în siguranţă a turboagregatelor, crescând solitările asupra fundaţiilor.

O funcţionare cu vibraţii crescute conduce la amplificarea zgomotului. Fără a fi pe deplin cunoscute efectele asupra sănătăţii, se apreciază că anumite vibraţii se suprapun peste vibraţiile proprii ale corpului, dând o stare de disconfort general şi, mai grav, poate duce la mutaţii celulare.

Din această cauză este absolut necesară urmărirea nivelului de vibraţii, pentru asigurarea, în primul rând, a siguranţei în funcţionare a agregatelor.

Pentru măsurarea vibraţiilor sunt utilizate : • traductoare de acceleraţie pentru măsurarea vibraţiilor lagărelor, bazate pe

sistem de măsură piezoelectric, fiabil şi stabil în timp, cu care se măsoară vibraţiile absolute ale carcaselor şi lagărelor cu rulmenţi, în gama de frecvenţe de la 1 la 15 000 Hz;


• velocimetre - traductoare de viteză de vibraţie pentru măsurarea vibraţiilor absolute ale lagărelor în gama 1÷2000 Hz, cu compensarea nelinearităţilor, fiind neinfluenţate de câmpul magnetic exterior;

• proximitoare - traductoare de deplasare non contact pentru măsurarea deplasărilor relative ale arborilor cu condiţioner de semnal încorporat;

• sisteme off-line 3 în 1 pentru mantenanţa preventivă a utilajelor - analizor de vibraţii cu două canale independente şi achiziţie de date simultană pentru vibraţii absolute lagăre, viteză de rotaţie;

• sisteme on-line pentru monitorizare şi diagnoză – monitorizarea permanentă a nivelului de vibraţii, alarmarea la depăşirea valorilor prestabilite, diagnoză şi predicţie cu software-uri dedicate, monitorizare parametrii de proces, dignostichează defecte referitoare la dezechilibrări, dezaliniere şi săgeată la arbori, excentricitate, schimbări în rigiditatea fundaţiilor etc.

În centralele termoelectrice există anumite zone în care nivelul de vibraţii este ridicat.

Măsurătorile de vibraţii efectuate pe sala turbinelor la o CET, [4], arată că valorile obţinute pentru acceleraţie pentru frecvenţele de la 20 la 100 Hz se află sub limita maximă admisă pentru vibraţii longitudinale cu acţiune generală şi continuă.

Pentru turbine de 50÷125 MW acceleraţiile sunt: � 0.034÷0.044 la frecvenţa de 20 Hz ; � 0.04÷0.041 la frecvenţa de 40 Hz ; � 0.05÷0.054 la frecvenţa de 50 Hz ; � 0.045÷0.06 la frecvenţa de 80 Hz ; � 0.055÷0.06 la frecvenţa de 100 Hz .

11 22 .. PP OO LL UU AA RR EE AA AA EE RR UU LL UU II

DD AA TT OO RR AA TT ĂĂ

PP AA RR TT II CC UU LL EE LL OO RR

12.1. Particule poluante

Particulele sunt acele minuscule pulberi solide sau lichide care sunt suspendate în aer şi care, de obicei, sunt invizibile individual pentru ochiul liber. Totuşi, colectiv, particulele mici formează deseori o pâclă ce limitează vizibilitatea. Într-adevăr, în multe zile de vară cerul de deasupra oraşelor din America de Nord şi Europa are o culoare albă lăptoasă, în loc de albastră, datorită împrăştierii luminii de către particulele suspendate în aer.

Particulele suspendate într-o masă dată de aer nu sunt nici toate de aceeaşi mărime sau formă, nici nu au aceeaşi compoziţie chimică. Cele mai mici particule suspendate au o mărime de aproximativ 0.002 µm (adică 2 nm). Pentru comparaţie, lungimea moleculelor gazoase tipice este cuprinsă între 0.0001 şi 0.001 µm (0.1 până la 1 nm). Atunci când picăturile mici de apă din atmosferă se contopesc în particule mai mari decât această valoare, ele corespund picăturilor de ploaie şi cad din aer atât de repede, încât nu sunt considerate ca fiind “suspendate”. Domeniile de mărime ale tipurilor comune, [1], de particule suspendate sunt ilustrate în figura

12.1.

Diametrul particulelor este proprietatea lor cea mai importantă. Din punct de vedere calitativ, particulele individuale sunt clasificate în grosolane şi fine, în funcţie de diametrul lor, dacă este mai mare sau mai mic de 2.5 µm. Pentru comparaţie, este de menţionat că, pentru a acoperi suprafaţa unei mici monede ar fi nevoie de aproximativ 100 milioane de particule cu diametrul de 2.5 µm.

Pentru particule solide neregulate (nesferice), metoda obişnuită pentru caracterizarea particulei este de a introduce un „diametru echivalent”, acesta fiind diametrul unei particule sferice care are acelaşi comportament în sistemul experimental.

Diametrul aerodinamic este unul dintre cele mai comune diametre echivalente. Poate fi definit ca diametrul unei sfere cu aceeaşi viteză ca cea a sferei care trebuie măsurată. Diametrul aerodinamic este folosit în mod frecvent pentru a descrie mişcarea particulelor în diverse sisteme. Oricum, mişcarea neregulată a particulelor poate să nu fie caracterizată precis cu ajutorul diametrului echivalent din cauza rotaţiei şi translaţiei complexe a mişcării neregulate a particulelor comparate cu sfera.

Particulele solide ultrafine şi aglomerate pot avea dimensiuni de ordinul micronilor. Particulele individuale, care compun aglomeratele, se numesc particule

primare. Se presupune că particulele primare au o formă uniformă, această

Poluarea aerului datorată pacticulelor 207

presupunere nefiind concludentă. Există multe denumiri obişnuite pentru particulele atmosferice: “praf” şi

“funingine” se referă la solide, “pâcla” şi “ceaţa” se referă la lichide, cea din urmă desemnând o mare concentrare de picături de apă.

Aerosolul este o colecţie de particule, fie solide, fie picături lichide, dispersate în aer. Un aerosol adevărat (spre deosebire de, să zicem, rezultatul unui spray pentru păr), are particule foarte mici; diametrele lor sunt mai mici de 100 µm.

Aerosolii sunt frecvent multicomponenţi, adică sunt compuşi din specii chimice diferite. O singură particulă de aerosol poate fi compusă din mai multe grupuri chimice şi întreg aerosolul poate exista ca un amestec de particule de compoziţii diferite. Două cazuri limită sunt uneori considerate pentru aerosolii multicomponenţi. Dacă toate particulele au aceeaşi compoziţie chimică, aerosolii se numesc amestecaţi intern. Dacă componentele chimice sunt segregate, astfel ca particulele să depindă chimic diferit de sursele lor, aerosolii se numesc amestecaţi extern. Cele două cazuri limită se pot distinge prin măsurarea compoziţiilor chimice ale particulelor individuale. Chiar dacă aerosolii sunt amestecaţi intern sau extern, au importante implicaţii în comportamentul aerosolilor.

Fig. 12.1. Mărimile tipice pentru particulele atmosferice aeropurtate


În mod intuitiv, se poate crede că toate particulele trebuie să se stabilească şi să se depună rapid pe suprafaţa Pământului sub influenţa gravităţii, însă acest lucru nu este adevărat pentru particulele mai mici. Conform legii lui Stoke, viteza cu care particulele cad creşte cu pătratul diametrului lor. Cu alte cuvinte, o particulă care are jumătate din diametrul alteia cade de patru ori mai încet. Particulele mici cad atât de încet, încât ele sunt suspendate aproape nedeterminat în aer, dacă nu se lipesc de vreun obiect pe care îl întâlnesc. Cele foarte mici se aglomerează pentru a forma particule mai mari, de obicei tot din categoria celor de mărime fină. Astfel, particulele fine rămân de obicei în aer timp de zile întregi sau săptămâni, pe când cele grosolane se depun destul de rapid. Pe lângă acest proces de sedimentare, particulele mai pot fi îndepărtate din aer prin absorbţia lor în picăturile de ploaie în cădere.

12.2. Surse de particule atmosferice

Particulele grosolane îşi încep existenţa sub formă de substanţă solidă, deoarece, în principal, ele îşi au originea în procesul de dezintegrare a “bucăţilor” mai mari de materie. Poluanţii minerali reprezintă sursa de particule grosolane din aer. Multe dintre particulele mari din praful atmosferic, în special din aerul zonelor rurale, sunt la origine sol sau rocă şi, în consecinţă, compoziţia lor elementară este asemănătoare cu cea a scoarţei pământului, având concentraţii mari de Al, Ca, Si şi O, sub formă de silicaţi de aluminiu, dintre care unii mai conţin şi ionul de calciu. În preajma şi pe deasupra oceanelor, concentraţia de NaCl solid este foarte mare, deoarece spuma de mare eliberează în aer particule de clorură de sodiu, atunci când se evaporă apa. Şi polenul eliberat de plante constă din particule grosolane din domeniul 10÷100 µm. Particulele de cenuşă vulcanică sunt în majoritate de mărime grosolană.

Sursele de particule grosolane mai mari sunt cele naturale, precum erupţiile vulcanice şi activităţile umane, ca de exemplu, cultivarea pământului şi concasarea pietrei în cariere, care duc la preluarea particulelor de humus şi de rocă de către vânt. Particulele grosolane din multe zone sunt bazice, datorită prezenţei carbonatului de calciu şi alte asemenea minerale din soluri.

Particulele grosolane rezultă din spargerea unora mai mari, pe când cele fine se formează, în principal, prin reacţii chimice şi prin coagularea unor specii mai mici, inclusiv a moleculelor în stare de vapori. Conţinutul organic mediu al particulelor fine este în general mai mare decât cel al particulelor grosolane. De exemplu, arderea incompletă a combustibililor pe bază de carbon, precum cărbunele, păcura, benzina şi combustibilul diesel, produce multe particule de funingine, care, în principal, sunt cristaloizi de carbon. În consecinţă, una dintre principalele surse de particule atmosferice pe bază de carbon, atât fine, cât şi grosolane, este procesul de ardere a combustibilului fosil. O mare parte din conţinutul organic al emisiilor este formată din carbon elementar, iar aceasta poate


fi uşor observată sub formă de fum negru emanat de aceste instalaţii. Particule fine suspendate în atmosferă sunt predominant formate din

compuşi anorganici ai sulfului şi ai azotului. Categoriile cu sulf îşi au originea în gazul bioxid de sulf, SO2, produs, atât de surse naturale (de exemplu vulcani), cât şi de surse industriale de poluare (centrale electrice în principal şi alte instalaţii de ardere), iar acesta se oxidează pe perioade de ore sau zile până la acid sulfuric şi sulfaţi în aer. Acidul sulfuric însuşi, H2SO4, călătoreşte în aer, nu sub formă de gaz, ci de aerosol cu picăturile fine, deoarece are o mare afinitate pentru moleculele de apă. Particulele fine din multe zone sunt acide, din cauza conţinutului lor de acid sulfuric şi acizi azotici. Acidul azotic este produsul final al oxidării gazelor atmosferice cu azot, precum NH3, NO. şi NO2

. . Acidul azotic, HNO3, având o presiune de vapori mult mai mare decât o are acidul sulfuric, H2SO4, va conduce la o condensare mai mică a acidului azotic pe particulele pre-existente, decât la H2SO4. Dacă în aer se găseşte o cantitate substanţială de amoniac gazos, acidul azotic va reacţiona cu acesta pentru a forma sarea azotat de amoniu, 34NONH , în faza pulverulentă (vezi mai jos).

Atât acidul sulfuric, cât şi cel azotic din aer adeseori întâlnesc în cele din urmă gazul amoniacal eliberat în urma procesului de descompunere biologică, ce are loc la nivelul solului. Acizii trec printr-o reacţie acid-bază cu amoniacul şi se transformă în sărurile sulfat de amoniu, ( ) SONH 424 sau azotat de amoniu,

NONH 34

( ) )( SONH )( NH 2 )( SOH 424342 lgl →+ (12.1)

unde acidul sulfuric, H2SO4, şi sulfatul de amoniu, (NH4)2 SO4, sunt în fază lichidă (particule apoase), iar amoniacul, NH3, în fază gazoasă.

Deşi aceste săruri se formează la început în particule apoase, evaporarea apei poate avea ca rezultat formarea particulelor solide. Ionii predominanţi în particulele fine sunt anionii sulfat SO4

2- , bisulfat HSO4- şi azotat NO3

-, precum şi cationii amoniu NH4

+ şi ionul de hidrogen H+. Aerosolii în care predomină compuşii oxidaţi ai sulfului sunt deseori numiţi aerosoli sulfat.

O parte a aerosolilor provin din evaporarea apei răcite în turnurile de răcire şi chiar din lacuri, iazuri şi râuri în care se returnează apa caldă de la condensator. Acest fenomen se datorează, în principal, gradientului termic dintre fluidul cald evacuat din condensator şi aer sau apa de răcire.

Cenuşa evacuată pe coşul centralei sau antrenată de curenţii de aer din depozitul de cărbune praf sau depozitul de cenuşă constituie o sursă importantă de poluare cu particule, atât particule grosolane, cât şi fine.

Pe scurt, particulele grosolane sunt în natură, de obicei, funingine, pe când cele fine sunt fie funingine, fie aerosoli sulfat sau azotat. Particulele fine sunt de obicei acide, datorită prezenţei acizilor, pe când cele grosolane sunt alcaline. Un studiu recent din Marea Britanie, [2], a ajuns la concluzia că majoritatea


particulelor fine din lunile de iarnă luau naştere ca funingine din eşapamentul maşinilor şi din poluarea industrială, pe când în timpul verii ele se formau din oxidarea oxizilor de sulf şi azot.

12.3. Indici de calitate ai aerului pentru substanţa sub

formă de particule

Atunci când se monitorizează calitatea aerului, măsura cea mai obişnuită a concentraţiei particulelor suspendate este indexul PM (Particulate Matter = substanţă sub formă de particule), ceea ce înseamnă cantitatea de substanţă sub formă de particule prezentă într-un volum dat. Deoarece substanţa implicată este de obicei neomogenă, nu se poate utiliza masa sa molară şi de aceea concentraţiile sunt date în termeni de masă ai particulelor şi nu ca număr de moli.

Unităţile uzuale sunt micrograme de substanţă în particule pe metru cub de aer (µg/m3). Având în vedere că particulele mai mici au un efect nociv mai mare asupra sănătăţii oamenilor decât cele mai mari, de obicei doar cele care au un anumit diametru sau mai mic decât acesta sunt colectate şi raportate. Acest diametru limită, în µm, este listat ca indice la simbolul PM.

În ultimii ani, agenţiile guvernamentale din multe ţări au monitorizat PM10, adică concentraţia totală a tuturor particulelor cu diametre mai mici de 10 µm, ceea ce corespunde tuturor domeniilor de particule fine, plus clasele cele mai mici de la particulele grosolane, toate acestea fiind numite particule, care pot fi inhalate. O valoare tip a PM10 într-o aşezare urbană, este 30 µg/m3.

Se utilizează acum tot mai mult indicele PM2.5, care cuprinde toate particulele fine cu diametre sub 2.5 µm, numite şi particule respirabile.

Noul termen superfine este aplicat particulelor cu diametre foarte mici, de obicei mai mici de 0.05 µm (50 nm), deşi diferiţi savanţi utilizează valori diferite. În trecut, în locul indicelui PM se raportau particulele totale suspendate (TSP), reprezentând concentraţia tuturor substanţelor sub formă de particule din aer.

Particulele al căror diametru este egal cu valoarea lungimii de undă a luminii vizibile şi anume, 0.4÷0.8 µm, pot interfera cu transmisia luminii în aer, reducând claritatea vizuală, vizibilitatea la distanţă mare şi cantitatea de lumină care ajunge la nivelul solului.

De exemplu, o concentraţie mare în aer de particule cu diametre între 0.1 µm şi 1 µm produce pâcla. Într-adevăr, o tehnică clasică de a măsura poluarea unei mase de aer de către particule constă în determinarea înceţoşării acesteia. Pâcla este datorată aerosolilor sulfat provenind din arderea cărbunelui.

Înceţoşarea accentuată în timpul verii se datorează în mare măsura aerosolilor sulfat, provenind din zonele industrializate.


Distribuţia particulelor într-o mostră de aer

Particulele suspendate în atmosferă au origini şi compoziţii diferite şi s-au format în decursul unor perioade de timp în moduri întâmplătoare, astfel că există o largă distribuţie a dimensiunilor de particule existente în orice masă de aer.

Determinarea distribuţiei dimensiunilor constă în punerea într-un grafic a numărului de particule cu un anumit diametru dat, funcţie de diametru, ca de exemplu în figura 12.2, [3], pentru o mostră tipică de aer urban.

Fig. 12.2. Distribuţia numărului de particule de aerosoli într-un mediu tipic urban

Se observă că sunt utilizate pe amândouă axele scara logaritmică, pentru ca să poată fi văzute clar detaliile de distribuţie a particulelor de multe dimensiuni. Vârful distribuţiei apare la aproximativ 0.01 µm şi are “umeri” la aproximativ 0.1 µm şi la 1.0 µm; după cum arată liniile întrerupte, distribuţia netă apare ca fiind suma a trei distribuţii simetrice (“forma de clopot”), ale căror vârfuri sunt la diametrele de 0.01, 0.1 si 1 µm. Particulele distribuţiei la cel mai mic diametru (vârful de 0.01 µm) se formează prin condensarea vaporilor de poluanţi produşi prin reacţii chimice, asemenea acidului sulfuric format prin oxidarea bioxidului de sulf gazos şi particulele de funingine formate prin ardere.

Particulele care se formează în acest fel se spune că se constituie după modul


nucleic. Coagularea acestor particule în particule mai mari (ceea ce se poate întâmpla în decurs de câteva minute) dă naştere la modul prin acumulare, mod intermediar de distribuţie (cu vârful la 0.1 µm). Particulele asociate celei de a treia distribuţii, numită modulul particulelor grosolane, chiar dacă include şi câteva particule fine şi are vârful la 1 µm, sunt în principal formate din cenuşă, nisip sau alte materiale produse de dezintegrarea mecanică a particulelor de sol etc.

Distribuţia particulelor suspendate în aer are vârful în regiunea micrometrică, deoarece particulele mai mici coagulează spre a forma particule de această mărime, iar cele mai mari se aşează repede pe sol. În figura 12.3 este ilustrată perioada medie de timp, pe parcursul căreia particulele de diverse mărimi rămân suspendate în aer, [4].

Fig. 12.3. Timpul mediu cât particulele de diverse mărimi rămân suspendate in aer

Graficele cu numerele de particule pot fi înşelătoare pentru anumite finalităţi, deoarece particulele minuscule cu masa şi aria suprafeţei foarte mici domină mostrele şi, în consecinţă, distribuţiile.

O metodă alternativă de reprezentare a datelor în mod semnificativ este aceea de a pune în grafic masa totală a tuturor particulelor de o anumită dimensiune, dintr-o mostră de aer, faţă de diametru, pentru a vedea cum se prezintă distribuţia masei pe diverse dimensiuni. Acest tip de grafic, pentru o masă de aer urban, [5], se prezintă în figura 12.4; din motive tehnice, se prezintă pe grafic volumul şi nu masa, însă, pentru particulele de aceeaşi densitate, distribuţiile sunt identice.


Funcţia distribuţiei pentru masă este deplasată către diametre mai mari în comparaţie cu aceea a numerelor de particule. Masa (sau volumul) unei particule este proporţională cu cubul diametrului său d, astfel încât înălţimea curbei pentru orice diametru al distribuţiei din figura 12.4 corespunde valorii pentru distribuţia de număr pentru această masă de aer, înmulţită cu d3.

În consecinţă, înălţimile vârfurilor pentru particulele mai mari sunt scoase mai mult în evidenţă decât cele ale particulele mai mici în distribuţiile de masă, iar întreaga distribuţie pare a se deplasa spre un diametru mai mare. Două curbe simetrice de distribuţie, una centrată în regiunea particulelor fine la aproximativ 0.3 µm, iar cealaltă în regiunea celor grosolane la aproximativ 7 µm, apar suprapuse pentru a produce distribuţia finală “bimodală”. De fapt, curbele corespund celui de al doilea şi al treilea vârf din distribuţia pe numere, iar vârful modulului nucleic nu apare de loc în acest grafic, deoarece masa totală (şi volumul) a particulelor minuscule este foarte mică.

Fig. 12.4. Distribuţia volumului particulelor pentru un model tipic de aerosol urban

Se spune ca substanţele care se dizolvă în corpul unei particule sunt absorbite de aceasta, iar acelea care pur si simplu se lipesc pe suprafaţa particulei se zice ca sunt adsorbite. Prin absorbţie se înţelege pătrunderea şi repartiţia mai mult sau mai puţin uniformă a unei substanţe în toată masa altei substanţe. Proprietatea unei componente dintr-un amestec de gaze sau dintr-o soluţie de a se acumula pe suprafaţa solidă sau lichidă, în concentraţie mai mare decât în restul gazului sau al soluţiei, se numeşte adsorbţie. Un material, de obicei nevolatil, capabil să fixeze pe suprafaţa sa alte substanţe se numeşte adsorbent, iar substanţa adsorbită, un adsorbat. Figura 12.5 evidenţiază diferenţa dintre absorbţie şi adsorbţie.

Mult utilizaţi, ca adsorbenţi sunt cărbunele aşa-numit activ, silicagelul, oxidul de aluminiu şi mulţi alţii.


Un exemplu important pentru cel de al doilea caz este dat de adsorbţia moleculelor organice mari pe particulele de cărbune activ.

Cărbunele activ se obţine din lemn, prin carbonizare în prezenţă de gaze, ca vapori de apă şi CO2, care reacţionează la temperatură înaltă cu carbonul, dând naştere unor granule de cărbune străbătute de un număr mare de canale sau pori de diferite diametre.

Multe particule aeriene insolubile sunt înconjurate de o peliculă de apă, care poate dizolva şi alte substanţe.

Fig. 12.5. Diferenţa dintre adsorbţia şi absorbţia moleculelor

12.4. Efectele particulelor din aerul atmosferic asupra

sănătăţii

Substanţele în particule sub formă de fum, de la arderea cărbunelui, au constituit o problemă de poluare a aerului timp de multe sute de ani.

Parametrul de poluare a aerului care este cel mai puternic corelat cu creşterile ratei de îmbolnăvire sau de mortalitate din majoritatea acestor regiuni, este concentraţia de particule respirabile.

Se pare că poluarea atmosferică pe bază de pulberi are un efect mai mare asupra sănătăţii umane decât cea produsă direct de gazele poluante.

Există câteva motive generale pentru care particulele mari nu prezintă atâtea probleme pentru sănătatea umană precum cele mici, respectiv:

• având în vedere că particulele grosolane se depun rapid, expunerea omului la acestea, prin inhalare, este redusă;

• atunci când sunt inhalate, particulele grosolane sunt filtrate eficient de nasul nostru (inclusiv prin perişorii săi) şi de gât şi în general ele nu ajung până la plămâni;


• particulele fine inhalate ajung de obicei în plămâni (motiv pentru care sunt numite şi “respirabile”) şi pot fi adsorbite pe suprafaţa celulelor de acolo, în consecinţă, afectându-ne sănătatea;

• aria suprafeţei masei unitare, la particulele mari, este mai mică decât cea a celor mici şi astfel, pentru fiecare gram, capacitatea lor de a transporta molecule adsorbite de gaz, spre oricare parte a sistemului respirator şi de a cataliza reacţii chimice şi biochimice, este corespunzător mai mică;

• dispozitivele, precum filtrele electrostatice şi filtrele tip sac (din ţesătură fină prin care se forţează trecerea aerului), care se utilizează pentru îndepărtarea particulelor din aer, sunt eficiente doar pentru particule grosolane.

Astfel, deşi un dispozitiv poate elimina 95 % din masa totală de substanţă în particule, reducerea ariei suprafeţei şi a particulelor respirabile se face într-o proporţie mult mai redusă.

Principala dovadă care face legătura între deteriorarea sănătăţii umane şi particulele din atmosferă provine din studiile statistice, [6], care corelează ratele deceselor din diferite oraşe cu nivelurile acestora de poluare a aerului cu particule. În aceste studii, ratele deceselor, fie ratele totale sau ratele pe boli, precum cancer pulmonar, sunt redate grafic funcţie de concentraţia medie a substanţelor în particule, pentru a stabili dacă au legătură unele cu altele.

S-a constatat că ratele globale ale mortalităţii sunt semnificativ corelate cu concentraţia particulelor de sulfat purtate de aer, aşa cum se arată în figura 12.6 a), precum şi cu nivelurile de PM2,5 (particule fine), cum este ilustrat în figura 12.6 b).

Fig. 12.6. Rata mortalităţii funcţie de concentraţia de particule: a) concentraţia de

particule sulfaţi; b) concentraţia de particulele fine (praf).

Pe categorii specifice de mortalitate, nivelurile de particule s-au corelat cu mortalitatea cauzată de cancerul pulmonar şi problemele cardio-pulmonare.


Pe baza unui număr de studii similare, s-a tras concluzia că există o creştere de aprox. 4 % a ratei mortalităţii, la fiecare creştere cu 50 µg/m3 a indicelui PM10.

De menţionat că riscul asociat fumatului depăşeşte cu mult pe cel al poluării aerului din toate categoriile.

În ciuda “dovezilor de circumstanţă” ale corelaţiilor de mai sus şi din multe alte studii, nu este certă legătura cauzală dintre poluarea aerului prin pulberi şi mortalitatea umană.

Totuşi, majoritatea oamenilor îşi petrec mai tot timpul în interior şi în consecinţă, expunerea la particule nu este strâns legată de nivelurile exterioare de poluare. În plus, încă nu s-a stabilit că un mecanism biologic este responsabil pentru efectul particulelor asupra sănătăţii.

Standardele actuale pentru calitatea aerului impun un nivel maxim în 24 de ore al PM10 de 50 µg/m3, care nu poate fi depăşit în mai mult de patru zile pe an.

În ultimul timp sunt limitate şi emisiile de PM2,5 la o medie nu mai mare de 15 µg/m3 anual şi de 65 µg/m3 zilnic.

În corelaţiile obţinute până în prezent, nu există nici un prag sub care particulele fine să nu afecteze în mod nefavorabil sănătatea.

11 33 .. PP OO LL UU AA RR EE AA AA EE RR UU LL UU II DD II NN

II NN TT EE RR II OO RR UU LL CC LL ĂĂ DD II RR II LL OO RR

Deşi concentraţiile poluanţilor variază semnificativ de la clădire la clădire, nivelurile câtorva poluanţi comuni sunt deseori mai înalte în interiorul clădirii decât în afară.

Deoarece cei mai mulţi oameni îşi petrec mai mult timp în interiorul unei clădiri decât afară, expunerea la poluanţii din interior este o problemă importantă a mediului înconjurător. Într-adevăr, metodele inadecvate de ventilare a clădirilor din ţările în curs de dezvoltare, ţări ce ard cărbune, lemn, rămăşiţele recoltelor şi alţi combustibili biologici neprocesaţi, duc la crearea unui microclimat interior poluat, creând probleme respiratorii şi afectând sănătatea oamenilor din aceste ţări, în special a femeilor şi copiilor.

Efectul pe care îl au poluanţii asupra sănătăţii umane nu poate fi dedus din legile generale ale biologiei sau fiziologiei, ci trebuie stabilit prin experimente. Se pot imagina experimente cu participarea animalelor sau cu voluntari umani, prin care se studiază efectele asupra sănătăţii ale expunerii la perioade scurte de poluare intensă, produsă artificial. Totuşi, relevanţa acestor studii este îndoielnică. Vorbind în general, noi suntem mai preocupaţi de efectele expunerii pe termen lung (“cronice”) la niveluri scăzute de poluare. Extrapolarea informaţiilor obţinute prin studiile pe termen scurt, despre poluarea intensă, către expunerile pe teren lung, la niveluri scăzute, este greu de făcut. În special, în cazul anumitor poluanţi poate foarte bine să existe un prag al concentraţiei poluantului sau al expunerii la acesta, sub care un anumit efect asupra sănătăţii nu se produce, caz în care predicţiile obţinute, presupunând o proporţionalitate directă între expunere şi efect, nu ar fi garantate.

Cele mai bune informaţii privind efectele poluanţilor asupra sănătăţii provin din “experimentul” pe scară largă, în care noi toţi suntem expuşi în mod curent la aceşti poluanţi, toată viaţa noastră. Nivelul de expunere la un anumit poluant, variind considerabil de la un loc la altul, se pot aduna informaţii despre sănătate şi despre nivelurile de poluare din diferite amplasamente şi le pot corela, utilizând statistica, pentru a stabili efectul uneia asupra celeilalte.

13.1. Formaldehida

Cel mai important şi mai controversat gaz poluant al aerului în interioare este formaldehida, OCH2 = . Aceasta este un produs secundar foarte răspândit în atmosferă, deoarece apare ca intermediar stabil în oxidarea metanului şi a altor COV-uri. În timp ce concentraţia sa în aerul din exterior este în mod normal prea mică pentru a deveni importantă, de aproximativ 0.001 ppm în zonele urbane,


exceptând perioadele de smog fotochimic, nivelul formaldehidei în interiorul clădirilor este deseori mult mai ridicat, situându-se în medie la 0.1ppm şi, în anumite cazuri, depăşind 1 ppm.

Sursele principale ale expunerii în interioare la acest gaz sunt eliberările din fumul de ţigară şi din materii sintetice ce conţin răşini de formaldehidă folosite ca izolant şi ca adezive pentru placaje şi plăci aglomerate; formaldehida însăşi este folosită la lipirea şi colorarea covoarelor, a ţesăturilor şi altor textile.

Multe răşini folositoare (care sunt din punct de vedere chimic materiale polimeric rigide) se obţin prin combinarea formaldehidei cu o altă substanţă organică; în primele câteva luni şi ani de-a rândul după ce au fost create, astfel de materiale vor elibera, oricum, mici cantităţi de gaz liber de formaldehidă. Prin urmare, noile prefabricate pentru uz casnic, ce conţin plăci aglomerate, aduc în aer mai multă formaldehidă decât o fac cele vechi, convenţionale. Mulţi fabricanţi de produse din lemn presat şi-au modificat acum procesele de producţie pentru a reduce cantitatea de formaldehidă eliberată în aer.

Formaldehida are un miros înţepător, cu un prag de detectare de aproximativ 0.1 ppm la oameni; mirosul său poate fi deseori simţit în magazinele ce vând covoare şi fabricate sintetice. Pentru niveluri puţin mai ridicate de 0.1ppm, mulţi oameni raportează probleme de iritare a ochilor, în special dacă poartă lentile de contact, a nasului, a gâtului şi pielii. Formaldehida din fumul de ţigară poate cauza iritarea ochilor. Pentru niveluri mult mai ridicate ale formaldehidei, ce nu se pot întâlni decât în spaţii specifice formării ei, respiraţia devine dificilă. Formaldehida din aer poate cauza mai multe infecţii respiratorii, alergii la copii, deşi nu este pe deplin demostrată legătura directă dintre acestea şi nivelul de formaldehidă.

Formaldehida este cancerigenă pentru animale şi ar putea fi şi pentru oameni, fiind considerată ca “un probabil cancerigen uman”. Zonele bănuite că ar putea fi afectate sunt cele din sistemul respirator şi nasul. Studii ale populaţiei expuse formaldehidei nu au dus la concluzii certe în ceea ce priveşte creşterea frecvenţei cancerului, datorită expunerii neintenţionate la formaldehidă.

Din studiile pe animale, se poate estima o limită superioară a efectului posibil asupra oamenilor şi anume, o creştere a ratei de cancer în unul sau două cazuri din 10 000 de oameni după 10 ani de viaţă, într-o casă în care se emană formaldehidă. Nu s-a ajuns la un consens ştiinţific privind pericolul reprezentat de o expunere minimă la formaldehidă pentru sănătatea umană.

13.2. Dioxidul de azot şi monoxidul de carbon

Atât dioxidul de azot, NO2, cât şi monoxidul de carbon, CO2, sunt gaze eliberate din procesele de ardere, inclusiv din arderile de combustibili fosili din locuinţe sau birouri.

Concentraţiile de NO2 din interior depăşesc deseori valorile din exterior, în cazul locuinţelor care au sobe, boilere şi reşouri ce funcţionează cu gaz.

Poluarea aerului din interiorul clădirilor 219

Temperatura de aprindere pentru acestea este suficient de ridicată pentru ca o parte din azotul şi oxigenul din aer să se combine pentru a forma oxidul de azot, NO, care, eventual, este oxidat în dioxid de azot. S-a relevat că nivelul dioxidului de carbon din casele ce folosesc gazele pentru a găti sau care au sobe cu kerosen ajunge în medie la 24 ppm, în comparaţie cu 9 ppm, pentru casele care nu folosesc aceste mijloace. Concentraţiile de vârf lângă aragaz pot depăşi 300 ppm.

Dioxidul de azot este solubil în ţesutul biologic şi este un oxidant, aşa că efectele sale asupra sănătăţii, dacă există, sunt aşteptate în sistemul respirator.

Există multe studii ale implicaţiilor expunerii la grade mici de NO2 (emis de diverse elemente ce utilizează gaz), în bolile respiratorii ale copiilor, dar rezultatele acestora nu sunt în consens şi sunt inadecvate pentru stabilirea unei relaţii cauză-efect. Un studiu recent, [1], a dezvăluit că o creştere de 15 ppb în concentraţia medie a NO2 dintr-o locuinţă, duce la o creştere de aproximativ 40 % a simptomelor bolilor respiratorii pentru copiii între 7 şi 11 ani. Dioxidul de azot este singurul oxid de azot dăunător sănătăţii la concentraţiile probabile din reziduuri.

Monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor, a cărui concentraţie în interior poate creşte foarte mult prin arderea incompletă a combustibililor ce conţin carbon, cum ar fi lemnul, benzina, kerosenul sau gazul. Concentraţiile mari din interior sunt de obicei rezultatul unei funcţionări neadecvate a unui aparat cu combustibil gazos, de exemplu cu kerosen. În ţările în curs de dezvoltare, intoxicarea cu monoxid de carbon este o problemă serioasă, atât timp cât se folosesc combustibili biologici pentru a încălzi camere prost ventilate în care dorm oamenii.

Concentraţiile medii de oxid de carbon, CO, în exterior şi în interior se situează de obicei în jurul a câtorva procente la un milion, deşi valorile crescute, între 10÷20 ppm, sunt proprii garajelor, datorită monoxidului de carbon eliberat de automobile. Oamenii ce lucrează în aer liber în spaţii cu trafic intens, pot fi expuşi la valori ridicate de CO timp îndelungat. Nivelul mediu de CO şi dioxid de azot în aer liber este în continuă scădere, datorită reglementărilor tot mai severe de limitare a emisiilor. Dintre marile oraşe, Mexico are cea mai gravă problemă în privinţa nivelului de CO din aer. Introducerea de substanţe oxigenate, adică hidrocarburi în care oxigenul a substituit câţiva atomi, a fost făcută cu scopul de a reduce eliberările de CO de către automobile.

Principalul pericol, în ceea ce priveşte monoxidul de carbon, rezultă din abilitatea acestuia de a se combina puternic, atunci când este inhalat, cu hemoglobina din sânge, astfel înfrânând capacitatea acesteia de a transporta oxigenul la celule. În medie, nefumătorii au aproximativ 1 % din hemoglobină blocată printr-o combinare cu CO; valoarea pentru fumători este dublă sau chiar mai mare, datorită monoxidului de carbon inhalat în timpul fumatului, acesta provenind din arderea incompletă a ţigărilor. Multe studii au arătat că mortalitatea crescută de boli de inimă poate fi rezultatul unei blocări cronice în complex cu CO a doar câtorva procente de hemoglobină. Expunerea la concentraţii foarte mari de


CO are ca rezultat durerile de cap, oboseală, pierderea de cunoştiinţă şi eventual moartea (dacă expunerea este pe timp îndelungat). Acum există detectoare de monoxid de carbon, echipamente uşor de instalat şi la preţuri mici pentru a preveni populaţia de nivelurile ridicate de CO din locuinţe şi birouri.

Dioxidul de carbon este nociv în concentraţii mai mari în aerul inspirat, deoarece împiedică eliminarea acestuia din sânge. Funcţia primară a sistemului respirator uman este aceea de a livra O2 către sânge şi de a îndeparta CO2 din corp.

13.3. Fumul de tutun în mediul înconjurător

Este foarte clar, [1,2], că fumul de ţigară este principala cauză a cancerului la plămân şi unul dintre principalii contribuabili la bolile de inimă. Nefumătorii sunt deseori expuşi fumului de ţigară, chiar dacă spre deosebire de fumători, expunerea se face la o concentraţie mai mică a fumului de ţigară, deoarece acesta este diluat în aer. Fumul de ţigară din mediul înconjurător a fost şi este subiectul multor cercetări, pentru a ne asigura dacă este sau nu dăunător oamenilor expuşi.

Componenţa chimică a fumului de ţigară este complexă; conţine mii de componente, dintre care, câteva zeci sunt cancerigene. Gazele includ monoxid de carbon, dioxid de azot, formaldehida, cadmiu, hidrocarburi aromatice policiclice-HAP, COV-uri şi elemente radioactive, ca poloniu. Partea caracteristică, numită tar, conţine nicotină şi hidrocarburi mai puţin volatile şi, în cea mai mare parte, este respirabilă. Mulţi oameni acuză iritaţii ale ochilor sau ale căilor respiratorii din cauza expunerii. Componentele gazoase ale fumului de ţigară, în special formaldehida, acetona, toluenul şi amoniacul, sunt principalele cauze ale mirosului şi iritaţiilor.

Într-un studiu recent asupra asistentelor medicale s-a descoperit că femeile nefumătoare, dar expuse regulat la fumul de ţigară, au o rată de infarct cu 91 % mai mare decât femeile ce nu au fost expuse. O analiză a tuturor studiilor recente despre fumatul pasiv au condus la concluzia că riscurile de îmbolnăviri de cancer la plămâni şi de inimă cresc cu o pătrime pentru nefumătorii expuşi fumului. Fumul de ţigară este estimat că omoară circa 140 000 de europeni anual prin cancer şi boli de inimă.

13.4. Azbestul

Termenul de azbest de referă la o familie de 6 minerale de silicat, naturale şi fibroase în esenţă. Din punct de vedere chimic, ele sunt formate din atomi de silicon, situaţi pe 2 rânduri, legaţi între ei prin atomi de oxigen. Sarcina negativă netă a structurii silicatului este neutralizată de prezenţa unor cationi, cum ar fi magneziul. Astfel, cea mai folosită formă de azbest, chrysotile, are formula Mg3Si2O5(OH)4. Este în formă solidă, albă, cu fiecare fibră ondulată.

Azbestul a fost utilizat în cantităţi imense datorită rezistenţei sale la căldură,


durităţii şi costului relativ mic. Aplicaţiile obişnuite ale azbestului includ utilizarea ca material izolator şi hidrant împotriva focului în clădirile publice, la plăcuţele de frână la automobile, ca ţevi şi ca fibră în costumele rezistente la foc.

Folosirea azbestului a fost drastic redusă pentru că, din studii, se recunoaşte acum efectul cancerigen uman asupra sănătăţii minerilor din minele de azbest. Cauzează mesothelioma, un cancer incurabil al plămânului, stomacului şi inimii. Fibrele de azbest şi fumul de ţigară prezente în aer acţionează sinergetic (efectul lor combinat este mai mare decât suma efectelor lor individuale) în cauzarea cancerului la plămâni. Există o mare controversă în ceea priveşte utilizarea azbestului şi înlocuirea cu alt material. Mulţi experţi sunt de părere că azbestul ar trebui lăsat la locul lui până se va deteriora atât de mult, încât există şansa ca fibrele să se desprindă în aer. Într-adevăr, îndepărtarea izolărilor de azbest poate duce la creşterea dramatică a nivelului de azbest din aer într-o clădire, cu excepţia cazului în care sunt luate măsuri excepţionale.

Marea majoritate a îngrijorării în ceea ce priveşte azbestul a fost legată de azbestul albastru, numit şi crocidolit. Implicarea evidentă a acestei materii în îmbolnăvirea de cancer a oamenilor, s-a stabilit deja cu mai mult de două decenii în urmă. Azbestul albastru este o materie cu fibre subţiri, drepte şi relativ scurte, care penetrează mai uşor plămânii şi este un cancerigen mai puternic decât azbestul alb. Se extrage în minele din Africa de Sud şi Australia şi nu este utilizat în România.

13.5. Radioactivitatea gazului radon

După cum se cunoaşte, o serie de nuclee atomice sunt instabile, deşi cele mai multe sunt stabile. Nucleele instabile, sau radioactive, se descompun eliminând o particulă mică, de obicei, încărcată cu o mare cantitate de energie.

Prin radioactivitate naturală se înţelege proprietatea unor elemente libere sau combinate de a emite în mod spontan, fără nici o intervenţie din afară, radiaţii electromagnetice. În multe astfel de procese, atomii sunt transformaţi de la unul la celalalt, ca rezultat al acestei emisii. Elemente foarte grele sunt înclinate acestui tip de descompunere, particulele eliberate în aceste cazuri fiind de obicei de tip “alfa”, “beta” sau „gama”. Radioactivitatea se explică prin faptul că nucleele elementelor radioactive suferă dezintegrări spontane, dând naştere altor nuclee. Principalele elemente radioactive naturale sunt uraniu (U), toriu (Th), radiu (Ra), actiniu (Ac), reniu (Re), poloniu (Po).

Radiaţiile α, care deviază într-un câmp electromagnetic spre polul negativ, sunt formate din nuclee de heliu (atomi de heliu care au pierdut cei doi electroni). Aceste particule au viteze de 14000÷25000 km/s, o mare putere de ionizare şi o mică putere de pătrundere.

O particulă alfa (α) este o particulă radioactivă cu un număr de masă 4 (are 2 neutroni şi 2 protoni) şi întâmplător, este identică cu un nucleu de heliu, fiind

notată α42 , sau He4

2 , unde 4 este numărul de masă şi 2 numărul atomic sau


numărul de protoni ori încărcătura energetică. Nucleul rămas după ce un atom a pierdut o particulă alfa este cu 4 unităţi mai

uşor. Astfel, de exemplu, când un nucleu de Ra (radiu-226) eliberează o particulăα, nucleul rezultat are o masă de 226-4 = 222 unităţi şi o sarcină de 88-2 = 86; acesta este un element cu totul nou, un izotop al radonului (Rn). Procesul poate fi exprimat ca o “reacţie nucleară”:

HeRnRa 42

22286

redezintegra22688 + →

α

(13.1)

De notat că numărul de masă (numărul nucleonilor din nucleu) şi numărul atomic (numărul de protoni) se conservă în ecuaţia de mai sus.

Radonul ia naştere prin transformarea elementului radioactiv radiu şi este un element (gaz) radioactiv cu punctul de topire de circa –71 ºC şi punctul de fierbere de – 65 ºC. Izotopul său cel mai stabil, cu număr de masă 222, are un timp de înjumătăţire de numai 3.85 zile. Radonul este mai radioactiv decât radiul, emiţând raze α şi transformându-se în heliu.

Radiul, precursorul gazului radon, se găseşte în minerale conţinând toriu, uraniu, sau actiniu.

Principala sursă de toriu este monazita, minereul pământurilor rare, un amestec de fosfaţi ce conţine toriul sub forma unui silicat. Mai rar se găseşte în natură silicatul de toriu, ThSiO4, în minereul denumit torită sau în combinaţie cu bioxidul de uraniu în torianită (ThO2 şi UO2).

Principalul minereu ce conţine uraniu este pehblenda, în care se găseşte preponderent U3O8 dar şi oxizi de fier, plumb, toriu, radiu şi lantanide. Cleveita este o varietate de pehblendă, cu un conţinut mare de toriu şi lantanide. Actinidele se găsesc de regulă în aceleaşi minereuri ca şi toriul şi uraniul.

O mare parte din radonul ce se infiltrează în locuinţe provine din solul de dedesubt şi din jurul fundaţiei, de la adâncimi de până la 1 m, [3]. Solul afânat permite difuzia maximă a gazului radon, în timp ce solul compact, îngheţat, argila, îi opreşte fluxul.

Radonul pătrunde la baza locuinţei prin găuri şi crăpături din fundaţiile lor de ciment. Cantitatea ce pătrunde creşte semnificativ dacă presiunea aerului la bază este mică. Materiile folosite pentru construirea caselor şi apa din fântânile arteziene sunt alte surse potenţiale ale prezenţei radonului în locuinţe şi mediu.

Mai mult, gazul radon se acumulează în cantităţi dăunătoare în peşteri, inclusiv în cele folosite în scopuri recreative.

Radonul, cel mai greu component al grupului de gaze nobile, este inert din punct de vedere chimic, în condiţii normale de mediu şi rămâne un gaz monoatomic. Astfel, el devine parte a aerului pe care îl respirăm imediat ce intrăm în case. Datorită stării fizice inerte şi solubilităţii grele în fluidele corpului, radonul nu implică un pericol prea mare, deoarece probabilitatea ca acesta să se dezintegreze în scurtul timp pe care îl petrece în plămânii noştri este mică.


Parcursul particulelor α din aer, înainte ca ele să-şi piardă cea mai mare parte din energie, este de mai puţin de 10 cm.

Pericolul radonului provine din radioactivitatea dată de 3 elemente produse în serie prin dezintegrarea radonului şi anume poloniu, plumb şi bismut; astfel de “descendenţi” sunt numiţi “fiicele” radonului. În cantităţi macroscopice, aceste elemente sunt solide şi atunci când se formează în aer din radon, imediat aderă la particulele de praf. Câteva particule de praf se lipesc pe suprafaţa plămânilor când sunt inhalate şi în aceste condiţii, aceste elemente pot ceea un pericol pentru sănătate.

Cea mai mare expunere la particule α , provenite din dezintegrarea radonului, este suportată de acei mineri care lucrează în mine de uraniu prost ventilate. Rata cancerului la plămâni înregistrată la ei este într-adevăr mai mare decât cea pentru populaţie în general, chiar şi după ce s-a luat în consideraţie fumatul, [3,4].

Din date statistice, ce arată legătura dintre frecvenţa cancerului la plămâni şi nivelul cumulat al expunerii la radiaţii, s-a creat o relaţie matematică între frecvenţa cancerului şi expunerea la radon. Oricum, aceste estimări s-ar putea să fie prea ridicate, deoarece minerii lucrează în condiţii de praf mai grave decât condiţiile dintr-o locuinţă şi respiraţia în timpul lucrului este mult mai rapidă şi profundă decât ar fi normal; în consecinţă, şansa ca fiicele radonului să pătrundă în plămânii minerilor este mult mai mare, în comparaţie cu situaţia populaţiei în general. Expunerea lor la arsenic şi la gazele de eşapament poate contribui, de asemenea, la creşterea ratei cancerului la plămâni şi aceasta ar putea fi atribuită expunerii la radon.

De menţionat că studiile epidemiologice sunt contradictorii în ceea ce priveşte riscul radonului asupra oamenilor, [3,4]. În Suedia s-a constatat că rata cancerului la plămâni la nefumători şi, în special, la fumători creşte odată cu creşterea nivelului de radon din locuinţele lor. În Canada, studiile s-au desfăşurat în zonele cu cel mai mare conţinut de radon (Winnipeg, Manitoba) şi nu s-a găsit nici o legătură între nivelul de radon şi frecvenţa cancerului la plămâni. În SUA s-a descoperit o infimă dovadă a tendinţei de creştere a ratei cancerului la plămâni, odată cu creşterea concentraţiei de radon din interior.

“Problema radonului” a primit cea mai mare atenţie în Statele Unite, unde în mod curent există programe pentru a testa aerul de la baza unui număr mare de case, pentru a descoperi nivelul de radon. Odată ce radonul este identificat, proprietarii pot schimba căile de aerisire în aceste clădiri pentru a reduce nivelurile viitoare de radon în zonele locuite şi astfel, reducându-se şi riscul adiţional de a contracta cancer la plămâni.

13.6. PCB (bifenili policloruraţi)

Termenul de PCB (bifenili policloruraţi ) se referă la o clasă de substanţe


chimice sintetice, care sunt, în mare parte, inerte din punct de vedere chimic. Ele au fost utilizate ca aditivi în uleiul din echipamentele electrice, din

maşinile hidraulice şi alte cazuri în care este necesară stabilitatea chimică pentru o bună funcţionare. PCB-urile sunt folosite ca dielectrici în echipamente şi instalaţii electrice, în sisteme de transfer termic şi în diverşi solvenţi pentru curăţire sau tuş. Alte utilizări ale PCB-urilor sunt în adezivi, în materiale plastice şi în plastifianţi pentru vopsele.

Deşi din punct de vedere comercial stabilitatea chimică a PCB-ului a fost un beneficiu, tot această stabilitate se face vinovată de crearea unei probleme de mediu, deoarece PCB-urile sunt printre substanţele poluante cele mai larg răspândite în mediu, regăsindu-se în toate mediile (în aerul atmosferic, în aerul din incinte, în apa de suprafaţă şi subterană, în sol şi în hrană).

Nu numai faptul că PCB-urile sunt adesea persistente, ci şi faptul că în anumite combinaţii PCB-urile devin toxice, fac din aceste substanţe un pericol iminent. Expunerea la concentraţii scăzute de PCB-uri este bănuită ca fiind cauza unor probleme acute şi cronice de sănătate. Protejarea sănătăţii umane şi a mediului ambiant impune distrugerea PCB-urilor.

PCB-urile sunt insolubile în apă, dar se dizolvă repede în grăsimi, în hidrocarburi şi alţi compuşi organici.

PCB-urile sunt bioacumulabile, ele depozitându-se în ţesuturile adipoase, iar acest tip de expunere este considerat a fi responsabil de numeroase boli.

Expunerea la niveluri ridicate de PCB-uri este asociată cu iritaţii ale pielii, mâncărimi şi arsuri, iritări ale ochilor, schimbări ale pigmentării pielii şi unghiilor, disfuncţii hepatice şi ale sistemului imunitar, iritaţii ale căilor respiratorii, dureri de cap, ameţeli, depresii, pierderi de memorie, nervozitate, oboseală şi impotenţă.

Efectele cronice ale PCB-urilor cauzate de expuneri pe perioade mai îndelungate la doze mici, constau în boli ale ficatului, ale sistemului reproducător, dar cel mai important efect este cel cancerigen.

11 44 .. PP OO LL UU AA RR EE AA AA EE RR UU LL UU II LL AA

NN II VV EE LL UU LL SS OO LL UU LL UU II

Poluarea aerului la nivelul solului afectează dominant viaţa locuitorilor din

aşezările urbane şi rurale, precum şi culturile agricole, pădurile, animalele, construcţiile.

Principalii poluanţi la nivelul solului sunt particulele de diferite dimensiuni şi diverse compoziţii chimice (smogul, ozonul, ploaia acidă etc.).

14.1. Smogul

Cel mai bun exemplu de poluare a aerului îl constituie “smog-ul” (amestec de ceaţă şi fum), care apare în multe oraşe din întreaga lume. Reactanţii care produc cel mai întâlnit tip de smog sunt, în special, emisiile de la automobile, iar în zonele rurale o serie de ingrediente, care pot fi furnizate de emisiile din păduri. Într-adevăr, funcţionarea motoarelor vehiculelor produce o mai mare poluare a aerului decât orice altă activitate umană singulară. Cea mai evidentă manifestare a smogului o constituie pâcla, de culoare galben-maro-gri, care se datorează prezenţei în aer a unor mici picături de apă, ce conţin produse ale reacţiilor chimice dintre substanţele poluante din aer. Această pâclă, familiară celor din zonele urbane, se extinde în prezent periodic şi în zone curate, cum ar fi rezervaţii naturale, zone de agrement, păduri, câmpii. Acest smog are de multe ori un miros neplăcut, datorită componenţilor gazoşi. Produsele intermediare şi finale ale reacţiilor care au loc în smog pot afecta sănătatea oamenilor şi pot provoca degradări plantelor, animalelor şi anumitor materiale.

Este o caracteristică istorică generală ca, atunci când o ţară nedezvoltată începe dezvoltarea industrială, calitatea aerului să se înrăutăţească semnificativ. Situaţia continuă să se deterioreze până când un grad semnificativ de afluenţă este atins, punct în care controlul emisiilor este îmbunătăţit, iar aerul începe să se purifice.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale atmosferei Pământului este aceea că ea constituie un mediu oxidant, un fenomen datorat marii concentraţii de oxigen diatomic, O2, pe care aceasta o conţine. Aproape toate gazele care sunt eliberate în aer, fie că sunt substanţe “naturale” sau “poluanţi” sunt complet oxidate în aer, iar produsele finale sunt depozitate, în consecinţă, pe suprafaţa Pământului. Reacţiile de oxidare sunt vitale pentru purificarea aerului.

Multe regiuni urbane din lume suferă de pe urma poluării aerului, proces în decursul căruia sunt produse cantităţi relativ mari de ozon la nivelul solului, O3, un constituent indezirabil al aerului, care este prezent în concentraţii semnificative la altitudini mici, ca rezultat al reacţiilor poluanţilor, induse de lumina solară. Acest


fenomen este denumit smog fotochimic şi este uneori caracterizat ca fiind un “strat de ozon într-un loc nepotrivit”, pentru a contrasta cu ozonul stratosferic, benefic pentru viaţa pe Pământ. Însuşi cuvântul “smog” este o combinaţie a cuvintelor “smoke” – fum şi “fog” – ceaţă. Procesul de formare a smogului cuprinde în realitate sute de reacţii chimice diferite, incluzând o multitudine de produse chimice ce apar simultan, zonele urbane fiind “reactoare chimice gigant”.

Principalii reactanţi într-un proces de formare a smogului fotochimic sunt oxidul de azot, NO şi hidrocarburile nearse, care sunt emise în aer ca poluanţi, de la motoarele cu ardere internă şi de la alte surse. Concentraţiile acestor produse chimice sunt cu câteva ordine de mărime mai mari decât cele ce se găsesc în aerul curat. Recent, s-a constatat că hidrocarburile gazoase sunt de asemenea prezente în aerul urban, ca rezultat al scăpărilor de gaz metan de la vane, ventile sau arderi incomplete în CTE şi locuinţe, al evaporării solvenţilor, combustibililor lichizi şi a altor componente organice. Substanţele care conţin hidrocarburi şi derivaţii lor, ce se vaporizează uşor, se numesc componente organice volatile sau COV.

Un alt ingredient vital în procesul de formare a smogului fotochimic, îl constituie lumina solară, care serveşte la creşterea concentraţiei de radicali liberi ce participă la procesul chimic de formare a smogului.

Produşii finali ai smogului sunt ozonul, acidul azotic şi componentele organice parţial oxidate (sau în general nitrifiate),

COV + NO• + O2 + lumina solară ---> amestec de O3, HNO3, componente organice

Substanţele care sunt iniţial emise în aer, cum ar fi radicalul •NO , hidrocarburile şi alte COV-uri, sunt denumite poluanţi primari, iar cele în care ele sunt transformate, cum ar fi O3 şi HNO3 sunt denumite poluanţi secundari.

Un exemplu, [1], al emisiilor de poluanţi primari, dioxid de sulf, oxizi de azot şi COV-uri, proveniţi din diferite surse, este prezentat în figura 14.1.

Cele mai reactive COV-uri în aerul urban, sunt hidrocarburile cu dublă legătură, C=C, deoarece ele pot primi radicali liberi. Sunt prezente şi alte hidrocarburi care pot reacţiona, dar viteza de reacţie este mică; reacţia lor poate deveni importantă în ultimele stadii ale etapelor de producere a smogului fotochimic. Oxizii de azot gazoşi sunt produşi de fiecare dată când este ars un combustibil în aer cu flacără puternică.

La temperaturi înalte, o parte din azotul şi oxigenul din aer se combină pentru

a forma radicalul de oxid de azot, •NO :

• →+ NO 2ON flacara

22 (14. 1)

Cu cât temperatura flăcării este mai mare, cu atât este produs mai mult •NO . Deoarece această reacţie este endotermă, echilibrul ei este foarte mic la temperaturi normale, dar creşte rapid odată cu creşterea temperaturii. Este de aşteptat ca aceste

concentraţii relativ mari de •NO , ce sunt produse în condiţii de ardere, să revină la

Poluarea aerului la nivelul solului 227

azotul şi oxigenul molecular, odată ce gazele evacuate se răcesc.

Fig. 14.1. Emisii combinate de poluanţi atmosferici

Energia de activare pentru reacţia inversă este destul de mare şi astfel, procesul nu poate să se producă frecvent, decât la temperaturi înalte. Concentraţia relativ mare de oxid de azot produs în timpul arderii este menţinută în gazele reci evacuate, iar echilibrul nu poate fi restabilit rapid.

Două mecanisme distincte sunt implicate în iniţierea reacţiei dintre azotul şi

oxigenul molecular pentru producerea de oxid de azot; într-unul, oxigenul atomic atacă moleculele intacte de N2, în timp ce în celălalt, atacul este realizat de radicalii

liberi cum ar fi •CH , derivaţi din descompunerea combustibilului. Se produce, de asemenea, o cantitate suplimentară de oxid de azot, prin oxidarea atomilor de azot conţinuţi în combustibil. Oxidul de azot, NO, şi NO2 din aer se numesc, în comun, oxizi de azot, NOx. Culoarea galbenă din atmosfera unui oraş este datorată dioxidului de azot prezent, deoarece acest gaz absoarbe o parte din lumina vizibilă din apropierea limitei violete, şi, prin urmare, lumina solară, transmisă prin smog, apare galbenă. Nivelurile mici de NOx din aerul curat rezultă din acţiunea reacţiilor de mai sus în apropierea fulgerelor şi din degajarea de NOx şi amoniac, NH3 , din surse biologice.

Ca un oraş să devină subiect pentru smogul fotochimic, trebuie îndeplinite

câteva condiţii. În primul rând, trebuie să fie degajate cantităţi suficiente de •NO ,

hidrocarburi şi COV-uri, în aer. În al doilea rând, trebuie să fie căldură şi lumina

solară să fie abundentă, pentru ca reacţiile decisive, o parte dintre ele fotochimice,


să se desfăşoare rapid. În sfârşit, pentru ca reactanţii să nu fie diluaţi, trebuie să existe o mişcare relativ mică a maselor de aer.

Multe ţări şi Organizaţia Mondială a Sănătăţii (OMS) au stabilit limitele maxime admise pentru concentraţiile de ozon în aer la aproximativ 100 ppb (părţi pe miliard) sau mai puţin, raportate, în medie, la o perioadă de o oră; de exemplu, standardul în Canada este de 82 ppb, iar cel stabilit de OMS este de 75÷100 ppb.

Din cauza transportului de lungă distanţă a poluanţilor primari şi secundari, unele localităţi rurale şi chiar mici oraşe, care se întind în drumul maselor de aer poluat, cunosc o creştere mai mare a nivelului de ozon decât marile zone urbane apropiate, deoarece în marile oraşe o parte din ozonul transportat din altă parte este eliminat prin reacţia cu oxidul de azot, eşapat de maşini

223 ONO ONO +→+••

(14. 2)

unde •NO este radicalul liber de oxid de azot, iar •

2NO este radicalul liber de dioxid de azot.

Un nivel ridicat de ozon afectează materialele: întăreşte cauciucul, reduce durata de viaţă a unor produse de larg consum, cum ar fi anvelopele de automobile şi îngălbeneşte culoarea unor materiale, precum ar fi cele textile.

Producerea fotochimică a ozonului apare în timpul sezoanelor uscate din zonele rurale tropicale, unde este larg răspândită arderea biomasei pentru curăţarea pădurilor şi a desişurilor. Cu toate că mare parte din carbon este transformat imediat în CO2, sunt degajate cantităţi de metan şi de alte hidrocarburi, precum şi NOx.

Ozonul este produs când aceste hidrocarburi reacţionează cu oxizii de azot, sub influenţa luminii solare.

14.2. Reducerea ozonului şi a smogului

Pentru a îmbunătăţi calitatea aerului din zonele urbane şi a diminua smogul fotochimic, cantitatea de reactanţi emişi în aer, în principal NOx şi hidrocarburi, conţinând legături C=C, plus alte COV-uri, trebuie redusă. Din motive economice şi tehnice, cea mai comună strategie a fost aceea de a reduce nivelul emisiilor de hidrocarburi.

Din cauza numărului mare de reacţii care apar în aerul poluat, dependenţa funcţională a producerii smogului de concentraţia reactanţilor este complicată şi, consecinţă netă în realizarea de scăderi moderate ale poluanţilor primari, este dificil de dedus, fără modelare şi simulare numerică pe calculator. Un studiu din 1997, modelat şi simulat, indică faptul că micşorarea cantităţii de NOx ar fi mult mai eficientă decât micşorarea cantităţii de COV, în reducerea ozonului. Un exemplu, [2], al rezultatelor studiilor modelate pe calculator este prezentat în figura 14.2. Se evidenţiază relaţia dintre concentraţia de NOx şi cea de COV, relaţie ce produce trei


valori diferite pentru concentraţia de ozon. Punctul “A” reprezintă un set specific de condiţii, în care producerea de ozon este limitată prin NOx.

De exemplu, reducerea concentraţiei de COV de la 1.2 ppm (părţi pe milion) la 0.8 ppm nu are practic, nici un efect asupra concentraţiei de ozon, [3],care rămâne la 0.160 ppm, deoarece în această zonă, curba este aproape liniară şi merge paralel cu axa orizontală. O reducere a nivelului de NOx în punctul A, de la 0.03 ppm la ceva mai puţin de jumătate din această valoare, trecând la curba imediat inferioară, reduce nivelul de ozon la jumătate, de la 0.160 ppm la 0.080 ppm.

Fig. 14.2. Relaţia dintre concentraţiile de NOx şi COV din aer

Unele zone urbane încorporează sau sunt mărginite de zone foarte împădurite, ale căror copaci emit cantităţi de hidrocarburi reactive, favorizând smogul şi producţia de ozon, chiar atunci când concentraţia de hidrocarburi antropogenice, rezultate din activitatea umană, este mică. Foioasele şi arbuştii degajă în general izopren, în timp ce coniferele degajă pinen, hidrocarburi ce conţin legături covalente duble C=C. În atmosfera urbană, concentraţia acestor componenţi este, în mod normal, mult mai mică decât cea a hidrocarburilor antropogenice, până când contribuţia acestora din urmă devine notabilă. În zonele afectate de prezenţa vegetaţiei, doar reducerea emisiei de oxizi de azot va reduce substanţial producerea smogului fotochimic.

O parte din smog îşi are originea în butan, un component secundar al gazului lichefiat, care este folosit de mulţi locuitori pentru gătit şi pentru încălzirea locuinţelor.

Cu toate că hidrocarburile cu legătură dublă C=C sunt cele mai reactive în procesele de producere a smogului fotochimic şi alţi componenţi joacă un rol important. Din acest motiv, controlul emisiilor de COV-uri este necesar în zonele


cu probleme serioase în privinţa smogului fotochimic. Benzinele, care sunt un amestec complex de hidrocarburi, sunt acum concepute astfel încât să fie redusă evaporarea lor, deoarece vaporii de benzină contribuie semnificativ la creşterea concentraţiei de hidrocarburi din atmosferă. Noile reglementări limitează folosirea de produşi pe bază de hidrocarburi, cum ar fi fluidele pentru aprinderea grătarelor, substanţele aerosol folosite în locuinţe sub formă de spray-uri, vopselele bazate pe ulei, care au în componenţă o hidrocarbură pe post de solvent.

Crearea oxidului de azot, într-un sistem de combustie, poate fi redusă prin coborârea temperaturii flăcării.

Un control al emisiilor de NOx de la autoturismele şi camioanele, funcţionând cu benzină, a fost realizat prin utilizarea convertoarelor catalitice, plasate chiar înainte de ţeava de eşapament. Convertoarele cu două căi controlau numai gazele cu conţinut de carbon, inclusiv monoxidul de carbon, CO, prin completarea arderii până la dioxid de carbon. Prin utilizarea unei suprafeţe impregnată cu catalizator de rodiu (Rh), convertoarele moderne, cu trei căi, transformă mai întâi oxizii de azot în azot elementar şi oxigen, utilizând hidrocarburile nearse, CO2 şi H2 ca agenţi reducători.

Convertoarele catalitice utilizate de vehiculele cu motoare Diesel sunt mult mai puţin eficiente decât cele de la motoarele cu benzină; acestea îndepărtează numai circa o jumătate din emisiile de hidrocarburi gazoase, faţă de 95 % în cazul emisiilor de la motoarele cu benzină. Această diferenţă se datorează catalizatorului mai puţin activ, ce poate fi utilizat la motoarele Diesel, datorită conţinutului mai mare de sulf al combustibilului; catalizatoarele mai active ar oxida dioxidul de sulf gazos în particule de sulfat, care ar acoperi suprafaţa catalizatorului şi l-ar face ineficient. Mai mult, catalizatoarele de la motoarele Diesel nu pot îndepărta NOx, deoarece există întotdeauna un exces de oxigen în gazele evacuate şi de aceea, condiţiile chimice cerute pentru reducerea emisiilor, nu pot fi obţinute. Chiar şi hidrocarburile nu pot fi oxidate când catalizatorul devine destul de cald; dioxidul de sulf este puternic absorbit, mai bine decât oxigenul, la temperaturi coborâte.

Pentru a reduce producerea de NOx, o serie de centrale termoelectrice utilizează arzătoare speciale, proiectate să coboare temperatura flăcării. Formarea oxidului de azot poate fi, de asemenea, mult redusă printr-o ardere în mai multe faze. În prima fază, cea de înaltă temperatură, nu se permite prezenţa unui exces de oxigen, aceasta limitând posibilitatea de reacţie cu N2; în a doua fază, se furnizează oxigen adiţional, pentru a completa arderea (dar în condiţii de temperaturi joase), astfel încât, se produc mici cantităţi de NO. Alte centrale au fost echipate cu versiuni de mare capacitate a convertoarelor catalitice, pentru a schimba NOx în N2, înainte de evacuarea gazelor de coş în aer.

Reducerea NOx în N2, în aceste procese de reducere catalitică selectivă este realizată în proporţie de 80÷95 %, prin adăugarea de amoniac, NH3, în curentul de gaze reci, astfel încât, această componentă puternic redusă de azot, să se combine

cu componenta parţial oxidată de radical liber •NO , pentru a produce N2, în


prezenţa oxigenului:

OH 6N 4 ONO 4NH 4 2223 +→++•

(14. 3)

Totuşi, este necesar un control atent pentru a regla cantitatea de amoniac adăugată, pentru a preveni oxidarea acestuia în NOx sau pierderea acestuia în atmosferă. Aceeaşi reacţie are loc fără catalizatoare scumpe, cu o eficienţă de reducere mult mai redusă (30÷80 %) şi cu emisii mai mari de amoniac, utilizând gazele nerăcite la circa 900 °C, comparativ cu procesele catalitice care au loc la 250 °C÷500 °C, în funcţie de catalizator.

14.3. Ploaia acidă

Una dintre problemele de mediu cele mai serioase, cu care se confruntă astăzi multe regiuni ale lumii, este ploaia acidă. Acest termen generic acoperă o varietate de fenomene, incluzând smogul acid, toate corespunzând precipitării atmosferice a substanţelor acide. Ploaia acidă are o varietate de consecinţe ecologice distrugătoare, iar prezenţa particulelor acide în aer are efecte directe asupra sănătăţii populaţiei.

Fenomenul ploii acide a fost descoperit, [4], de Angus Smith în Marea Britanie, la mijlocul anilor 1800, dar a fost dat uitării până prin anii 1950. Acesta se referă la precipitaţiile care sunt, în mod semnificativ, mult mai acide decât ploile “naturale” (nepoluate), ele însele uşor acide, datorită prezenţei în acestea a dioxidului de carbon atmosferic, ce formează acidul carbonic:

)( COH )( OH )( CO 3222 llg →←+ (14. 4)

unde g indică faza gazoasă, iar l faza lichidă (apoasă). În general, bioxidul de carbon este puţin solubil în apă; la presiunea

atmosferică şi 0 ºC, un litru de apă dizolvă 1.7 litri de CO2 , iar la 15 ºC dizolvă un litru de CO2. La presiune, solubilitatea creşte. Dizolvarea are loc fără respectarea legii lui Henry, valabilă numai pentru gaze greu solubile. Bioxidul de carbon, ca de altfel şi NH3, SO2, HCl sunt gaze solubile, care nu formează soluţii fizice, ci combinaţii chimice cu apa. Acidul carbonic nu poate fi izolat din această soluţie. La încălzire sau concentrare, soluţia degajă CO2, iar expusă la aer elimină tot bioxidul de carbon dizolvat. Datorită stabilităţii reduse a ionului de carbonat

−23CO , acidul carbonic trece, la pH>7, în ionul −

3HCO , iar la pH<7 în CO2 şi H2O.

Acidul carbonic, H2CO3, ionizează parţial eliberând ionul de hidrogen, -H

şi ionul de bicarbonat, −

3HCO , cu o reducere corespunzătoare a pH-ului sistemului:


−++→← 332 HCOH )( COH l

(14.5)

Datorită acestei surse de aciditate, pH-ul unei ploi “naturale” nepoluate este de circa 5.6. Numai ploaia care are un caracter mult mai acid decât aceasta, cu un pH mai mic decât 5, este considerată a fi cu adevărat ploaie “acidă”, nivelul de aciditate al ploii în aerul curat fiind puţin mai mare decât cel datorat numai dioxidului de carbon. Acizii puternici, cum ar fi HCl, eliberaţi de erupţia vulcanilor, pot produce ploi acide “naturale” temporare.

Se numeşte pH, sau exponent al ionilor de hidroniu, logaritmul cu semn schimbat al concentraţiei ionilor de hidroniu dintr-o soluţie, +−=

HlogcpH .

Punctul neutru, în soluţii apoase, este la pH=7. O soluţie cu pH<7 este acidă, iar o soluţie cu pH>7 este bazică. Când pH-ul unei soluţii scade cu o unitate,

concentraţia ionilor +OH3 din acea soluţie creşte cu factorul 10. Scara pH este utilizată mai ales pentru soluţii slab acide sau slab bazice (pH între 3÷10)

Cei doi acizi predominanţi din ploaia acidă sunt acidul sulfuric, H2SO4 şi acidul azotic, HNO3 . În general, ploaia acidă este precipitată mult mai departe decât sursa de poluanţi primari, respectiv dioxid de sulf, SO2 sau oxizii de azot, NOx. Acizii iau naştere în timpul transportului masei de aer care conţine poluanţii primari. De aceea, ploaia acidă este o problemă de poluare care nu respectă graniţa unei ţări, fiind transfrontalieră, datorită drumului lung pe care poluanţii atmosferici sunt deseori transportaţi.

14.4. Sursele de poluare cu bioxid de sulf şi reducerea

acestuia

La scară mondială, majoritatea cantităţii de SO2 este produsă de vulcani şi prin oxidarea gazelor de sulf, rezultate din descompunerea plantelor.

Arderea sulfului în oxigen sau aer produce bioxid de sulf, printr-o reacţie puternic exotermă. SO2 este un gaz incolor, cu miros înecăcios, de pucioasă arsă, uşor lichefiabil prin comprimare. Concentraţia de fond a gazului în aer curat este destul de mică (aprox. 1 ppb), deoarece bioxidul de sulf “natural” este emis în principal sus, în atmosferă, sau departe de centrele populate. Totuşi, o cantitate de bioxid de sulf este emisă pe loc, în aerul de la nivelul solului, în special deasupra maselor de pământ din emisfera nordică. Principala sursă antropogenetică de SO2 este arderea cărbunelui, un solid care, în funcţie de zona geografică de unde este extras, conţine între 1 % şi 9 % sulf. În multe ţări, utilizarea preponderentă a cărbunelui are ca scop producerea energiei electrice şi termice. De obicei, jumătate sau mai mult de jumătate din sulf, este prins ca “incluziuni” în conţinutul mineral al cărbunelui; dacă se pulverizează cărbunele înainte de ardere, acest tip de sulf poate fi îndepărtat mecanic. Restul de sulf, care de obicei ajunge până la


aproximativ 1±0.5 % din masa cărbunelui, este legat în structura complexă de carbon a solidului şi nu poate fi eliminat, fără o prelucrare costisitoare.

Sulful se găseşte până la câteva procente în ţiţei, însă este redus la nivelul a doar câtorva sute de ppm în produse, precum benzina. Bioxidul de sulf este emis în aer direct ca bioxid de sulf, SO2, sau indirect ca hidrogen sulfurat, H2S, de către industria petrolieră, atunci când se rafinează petrolul şi se curăţă gazele naturale înainte de livrare. Într-adevăr, componenta predominantă a sondelor de gaze naturale este uneori mai degrabă H2S, decât CH4. Hidrogenul sulfurat este un gaz toxic, cu miros neplăcut de ouă clocite, perceptibil chiar în concentraţii foarte mici.

Cantităţile substanţiale de hidrogen sulfurat, obţinute prin eliminarea acestuia din petrol şi gaze naturale, sunt adeseori transformate în sulf elementar solid, o substanţă nevătămătoare pentru mediu, prin utilizarea procesului în faza gazoasă, numit reacţia Claus:

OH 2S 3 SO S2H 222 +→+ (14.6)

Procedeul Claus constă în arderea incompletă cu aer a hidrogenului sulfurat, peste un catalizator de oxid de aluminiu şi oxid de fier (bauxită naturală). Căldura de reacţie este suficientă pentru a menţine temperatura de reacţie de cca. 500 ºC.

O treime din cantitatea molară de hidrogen sulfurat, extras din combustibilul fosil, este mai întâi arsă, pentru a obţine bioxid de sulf, spre a oferi cel de al doilea reactiv al acestui proces. Este foarte important să se îndepărteze hidrogenul sulfurat din gaze, înainte de a se dispersa în aer, deoarece acesta este o substanţă foarte otrăvitoare, cu mult mai mult decât bioxidul de sulf. Hidrogenul sulfurat este un factor poluant obişnuit şi în emisiile fabricilor de celuloză şi hârtie.

Câteva alte gaze mirositoare, conţinând sulf într-o stare redusă, sunt emise ca poluanţi ai aerului în procesele petrochimice; acestea includ CH3SH, (CH3)2S şi CH3SSCH3. Expresia „sulf total redus” este utilizată pentru a desemna concentraţia totală de sulf din hidrogenul sulfurat, H2S, precum şi din aceste trei componente.

Sursele punctuale mari, amplasamente individuale care emit cantităţi mari dintr-un poluant de SO2, sunt asociate şi cu industria metalurgică neferoasă, care transformă minereurile neferoase în metale libere. Multe metale valoroase şi folositoare, precum cuprul şi nichelul, se găsesc în natură ca minereuri sulfură. În prima etapă a transformării lor în metale libere ele sunt de obicei “calcinate” în aer, pentru a îndepărta sulful, care se transformă în SO2 şi este adeseori eliberat în aer. De exemplu, sulfura de nichel, NiS, cunoscută sub denumirea de milerită, oxidează în aer, rezultând oxidul de nichel, NiO şi dioxidul de sulf, SO2 :

)( SO 2)( NiO 2 )( O3 )( NiS 2 22 gsgs +→+ (14.7)

unde s semnifică starea solidă, iar g starea gazoasă. Minereurile, precum sulfura cuproasă, Cu2S, cunoscută sub denumirea

calcosină, poate fi topită printr-un proces care utilizează oxigenul pur introdus forţat în zona de topire, iar bioxidul de sulf foarte concentrat, obţinut din reacţie,


poate fi extras uşor, lichefiat şi vândut ca produs secundar. Concentraţia de SO2 din gazele de ardere de la procesele clasice de calcinare (precum cel utilizat pentru nichel) este mare şi, în consecinţă, este posibil să se treacă gazul peste un catalizator de oxidare, care transformă o mare parte din SO2 în trioxid de sulf, SO3, la care se poate adăuga apa pentru a produce acid sulfuric, H2SO4, cu concentraţie comercială,

)( SOH)( OH )( SO

)( SO 2 )( O )( SO 2

4223

222

llg

ggg

→+

→+

(14.8)

cu l indicând faza lichidă. Cea de a doua reacţie, care implică doar reactivii iniţiali şi produsul final, se

realizează de fapt în două faze (care nu sunt prezentate), pentru ca nici una dintre substanţe să nu scape în mediul înconjurător; mai întâi trioxidul se combină cu acidul sulfuric, iar apoi se adaugă apă în soluţia rezultată.

Atunci când bioxidul de sulf emis este diluat, ca în cazul emisiilor de la o centrală termoelectrică, nu este posibilă extragerea sa prin oxidare. În locul acestei metode, gazul SO2 este îndepărtat printr-o reacţie acid–bază dintre dioxidul de sulf şi carbonatul de calciu (calcar) sau oxidul de calciu (var), sub formă de solid umed şi mărunţit (pulbere). Gazele emise sunt, fie trecute printr-o pastă (suspensie) a solidului umed, fie sunt bombardate cu jeturi de pastă în suspensie. În unele aplicaţii se utilizează granule fine de oxid de calciu, pentru a capta bioxidul de sulf din gazele de emisie. Se poate elimina astfel până la 90 % din gaz prin aceste procese de epurare a gazelor, cunoscute sub denumirea de desulfurarea gazelor

de ardere. Produsul este o pastă/suspensie de sulfit şi sulfat de calciu sau un solid uscat, dacă se foloseşte oxid de calciu, care se îngroapă de obicei într-o zonă de depozitare a deşeurilor. În cazul anumitor sisteme de desulfurare, produsul este complet oxidat prin reacţie cu aerul, iar sulfatul de calciu rezultat este uscat şi vândut ca gips. Reacţia dintre carbonatul de calciu, CaCO3, şi dioxidul de sulf, SO2, produce iniţial sulfit de calciu, CaSO3, care este apoi oxidat, rezultând sulfatul de calciu, CaSO4:

423

2323

CaSO 2O CaSO 2

CO CaSO SO CaCO 2

→+

+→+

(14.9)

În alte sisteme de desulfurare, bioxidul de sulf este capturat, utilizând paste/suspensii de sulfit de sodiu sau de oxid de magneziu, iar compuşii originali, precum şi gazul de O2 concentrat, sunt ulterior regeneraţi, prin descompunerea termică a produsului.

Recent, au fost elaborate tehnologiile pentru cărbune curat, prin intermediul cărora cărbunele poate fi folosit „în mod mai curat” şi cu mai multă eficienţă energetică decât în trecut. În cadrul diverselor tehnologii, curăţarea se poate face în faza de pre-ardere, în timpul arderii sau prin conversia cărbunelui în


alt combustibil. La curăţarea din pre-ardere, sulful din conţinutul mineral al cărbunelui, de

obicei sulf piritic, FeS2, este eliminat, pentru a nu produce bioxid de sulf. Cărbunele este măcinat până la dimensiuni foarte mici ale particulelor, care permit separarea mineralului din cărbune. Fiind de densităţi diferite, tipurile de particule pot fi separate prin amestecarea solidului pulverizat într-un lichid de densitate intermediară, care permite fracţiunii de combustibil să se ridice la suprafaţă, unde poate fi separat. Se pot folosi şi metode biologice sau chimice, ca alternativă la această curăţare fizică. Astfel, se poate utiliza un microorganism, pentru a oxida pirita insolubilă Fe2+ din cărbunele pulverizat, până ajunge în forma solubilă Fe3+. În mod alternativ, se pot utiliza bacterii de cultură, pentru a “mânca” sulful organic din cărbune. Din punct de vedere chimic, sulful poate fi dezalcalinizat cu o soluţie caustică fierbinte de sodiu sau potasiu.

La curăţarea în timpul arderii, condiţiile de ardere pot fi modificate, pentru a reduce formarea poluanţilor sau se pot injecta în combustibil substanţe care absorb poluantul pentru al capta, pe măsură ce se formează. La arderea în strat

fluidizat, sunt amestecate cărbunele pulverizat şi calcarul, iar apoi sunt trecute în suspensie (“fluidizate”), prin jeturi de aer comprimat din focar. În practică, toată cantitatea de bioxid de sulf este astfel capturată. Această procedură permite temperaturi de ardere mult reduse, de aceea, conduce şi la scăderea considerabilă a oxizilor de azot formaţi şi emişi.

Unele dintre tehnicile avansate folosite la curăţarea post-ardere, precum utilizarea oxidului de calciu granulat sau a soluţiilor de sulfit de sodiu, au fost descrise mai sus. A fost recent dezvoltat procedeul DeSONOx, prin care gazele de ardere răcite sunt amestecate cu gaz de amoniac, pentru a îndepărta oxidul de azot, prin reducerea catalitică a acestuia până la azot molecular.

Gazul rezultat este reîncălzit, iar bioxidul de sulf este oxidat catalitic spre trioxid de sulf, care este apoi hidratat cu apă, dând acid sulfuric; acesta este condensat şi apoi îndepărtat.

La conversia cărbunelui, combustibilul este mai întâi gazeificat, prin reacţie cu aburul, amestecul de gaz este curăţat de poluanţi, iar gazul curăţat este apoi ars într-un ciclu mixt abur-gaze. În mod alternativ, cărbunele gazeificat poate fi convertit în combustibili lichizi, adecvaţi utilizării la vehicule.

Emisiile de bioxid de sulf de la centralele electrice mai pot fi reduse şi prin înlocuirea cărbunelui cu păcură, gaze naturale sau cărbune cu conţinut mic de sulf, însă aceşti combustibili, de obicei, costă mai scump decât cărbunele cu conţinut mare de sulf.

Emisia directa a dioxidului de sulf în atmosferă poate distruge viaţa plantelor din zona înconjurătoare, dacă nu se utilizează coşuri de fum foarte înalte. Cele mai înalte coşuri de fum au înălţimea de peste 400 de metri (centrala Sudbury- Ontario, SUA). Totuşi, utilizarea coşurilor înalte nu face decât să rezolve simplist problema, cu preţul transferării problemei „încotro bate vântul”. De exemplu, emisiile


produse în regiunile mediane ale Americii de Nord pot fi detectate în Groenlanda. Prin reglementările naţionale, europene şi mondiale, a scăzut substanţial

cantitatea de bioxid de sulf emisă în aer. Există o limită a cantităţii de SO2 pentru fiecare centrală care emite acest gaz, stabilită pe baza puterii produse şi, de asemenea, o limită la emisiile globale naţionale. În majoritatea statelor sunt elaborate programe de reducere a emisiilor de SO2 de la centralele termoelectrice, nivelurile şi valorile limită diferind de la ţară la ţară.

14.5. Efectele ploii acide şi ale smogului fotochimic

Deoarece oxidul de azot nu este în mod special solubil în apă, iar acidul sulfuric produs de bioxidul de sulf la dizolvarea în apă este slab, nici chiar poluanţii primari, NO şi SO2, nu acidifică în mod deosebit apa de ploaie. Totuşi, o parte din masa acestor poluanţi primari se transformă după o perioadă în poluanţi secundari, acid sulfuric, H2SO4 şi acid azotic, HNO3, ambii foarte solubili în apă şi acizi puternici. Toată aciditatea din ploaia acidă se datorează prezenţei acestor doi acizi, [7]. În zonele unde sunt multe centrale termoelectrice, care utilizează combustibil cu conţinut de sulf (păcură sau cărbune), predomină acidul sulfuric, iar în zonele vulcanice, predomină acidul azotic.

În general, în Europa si America, ploaia a devenit mai acidă pe măsura trecerii anilor, [5,6]. Cea mai mică valoare de pH înregistrată, de 2.4, s-a produs cu ocazia unei ploi din luna aprilie 1974 din Scoţia.

În mod curent, pH-ul mediu al apei de ploaie se încadrează între 3.9÷4.5. Aceste valori nu sunt atât de acide încât să producă efecte pronunţate, precum senzaţia de ardere, atunci când ploaia intră în contact cu pielea omului, însă, aciditatea are serioase efecte asupra mediului.

Pe lângă aducerea acizilor la nivelul solului în timpul precipitaţiilor, o cantitate comparabilă din oxizii de sulf şi azot este depusă pe suprafaţa pământului prin intermediul depunerii uscate, atunci când aerul care îi conţine trece pe deasupra solului şi le depune ca poluanţi. Niciodată grosul cantităţii originale de SO2 nu oxidează în aer, ci mai degrabă este îndepărtat din aer prin depunere uscată, înainte de a se putea produce reacţia, iar oxidarea şi transformarea în acid sulfuric se produc după depunere. Procesul de depunere umedă înseamnă transferul de poluanţi din aer pe suprafaţa pământului prin ploaie, zăpadă, sau ceaţă adică, prin soluţii apoase.

Măsura în care precipitaţiile acide afectează viaţa biologică, într-o anumită zonă, depinde foarte mult de compoziţia solului şi de cea a rocii de bază din zona respectivă. Zonele puternic afectate sunt acelea care au roca de bază de granit sau de cuarţ, deoarece solul de acolo are o capacitate mică de neutralizare a acidului. Dacă roca de bază este calcar sau cretă, acidul poate fi neutralizat în mod eficient (“tamponat”); aceste roci sunt compuse din carbonat de calciu sau calcită, CaCO3, care acţionează ca o bază şi reacţionează cu acidul, conform reacţiilor:


)( OH )( CO )( COH )( H )( HCO

)( HCO )( Ca )( H )( CaCO

22323

32

3

lglll

llls

+→→+

+→+

+−

−++

(14.10)

unde ionul de hidrogen, )( H l+ şi ionul de bicarbonat, )( HCO3 l

− , sunt în fază

lichidă, ca şi acidul carbonic, )( COH 32 l . Reacţiile de mai sus se produc aproape complet, datorită excesului de H+.

Astfel, roca se dizolvă, producând bioxid de carbon şi ionul de calciu, spre a înlocui ionul de hidrogen. Aceleaşi reacţii poartă răspunderea pentru deteriorarea statuilor de calcar şi marmură, pierzându-se detaliile fine ale acestora.

Deşi nivelul emisiilor de bioxid de sulf a scăzut semnificativ în ultimele decenii, atât în Europa cât şi în America de Nord, în pH-ul precipitaţiilor nu a existat o schimbare corespunzătoare, în aceeaşi măsură. De exemplu, pH-ul mediu al ploii în Europa este încă între 4.0 şi 4.5. Această lipsă a reducerii în aciditate este atribuită unei reduceri, în aceeaşi perioadă, a emisiilor de cenuşă zburătoare de la coşurile de fum şi de alte particule solide, toate fiind alcaline, care neutralizau în atmosferă o parte din bioxidul de sulf şi din acidul sulfuric, în acelaşi mod precum carbonatul de calciu în sol. În plus, nici în America de Nord nici în Europa emisiile totale de oxid de azot, din care o mare parte se transformă în acid azotic, nu au scăzut în mod semnificativ în ultimele câteva decenii. De exemplu, în Europa, declinul emisiilor industriale a fost compensat de emisiile sporite de la vehicule.

Din cauza apei de ploaie acide care cade şi se scurge în ele, foarte multe lacuri s-au acidificat puternic şi, în special, cele care se află direct în calea aerului poluat, iar solul de acolo conţine puţin calcar. În câteva cazuri s-au făcut încercări de a le neutraliza aciditatea, adăugându-le calcar sau hidroxid de calciu, dar acest proces trebuie repetat la fiecare câţiva ani, pentru a susţine un nivel acceptabil al pH-ului. Recent, s-a constatat că se poate controla aciditatea şi prin adăugarea de fosfat în lacuri, deoarece stimulează creşterea plantelor în timpul procesului prin care ionul de nitrat se transformă în azot, redus odată cu consumarea ionilor de hidrogen.

Acidificarea reduce capacitatea de creştere a anumitor plante, inclusiv cele din sistemele cu apă proaspătă. Datorită scăderii acestei productivităţi din lacurile şi râurile care se varsă în ele, a scăzut cantitatea de carbon organic dizolvat (COD) din apa de la suprafaţă. Carbonul organic dizolvat include molecule care absorb razele ultraviolete (UV) din lumina soarelui, astfel că, o scădere a nivelelor de COD a permis o mai mare pătrundere a luminii UV în straturile mai adânci ale lacului. În plus, încălzirea globală a dus la secarea anumitor râuri care alimentau lacurile cu carbon organic dizolvat. Mai mult, deteriorarea ozonului stratosferic a permis ca pe suprafaţa pământului să ajungă mai multe UV, inclusiv în lacuri. Astfel, lacurile cu apă proaspătă au suferit un “triplu atac”, cauzat de problemele globale de mediu.

Aciditatea din precipitaţii duce la deteriorarea solului. Atunci când are loc


scăderea pH-ului solului, din acesta sunt îndepărtate substanţele nutritive ale plantelor, precum cationii de potasiu, calciu şi magneziu.

Lacurile acidificate prezintă, de obicei, concentraţii mari de aluminiu dizolvat, Al3+, care este îndepărtat din roci de către ionii de hidrogen (H+). În condiţii de pH neutru, aluminiul este imobilizat în rocă, fiind insolubil. Apele naturale curgătoare au valori ale pH-ului de 7 sau 8 în loc de 5.3, cât are ploaia.

La ora actuală se estimează că, atât aciditatea, cât şi concentraţiile mari de aluminiu, sunt responsabile pentru reducerile devastatoare din populaţiile piscicole, care au fost observate în multe sisteme de apă acidificată. Diversele tipuri de peşte şi plante acvatice au toleranţe variate pentru aluminiu şi acid, astfel încât, compoziţia biologică a unui lac, variază pe măsură ce devine tot mai acid. În general, reproducerea peştelui a scăzut drastic, chiar şi la nivele mici de aciditate, care pot fi tolerate de peştii adulţi. Peştii foarte tineri, ieşiţi din icre la începutul primăverii, sunt şi ei supuşi şocului apei foarte acide, care se produce atunci când zăpada acidă a iernii se topeşte şi intră în sistemele hidrologice. Puţine specii supravieţuiesc şi se reproduc, atunci când pH-ul scade mult sub 5. Lacurile sănătoase au un pH egal cu 7 sau puţin mai mare. Drept urmare, multe lacuri şi râuri din zonele afectate sunt acum lipsite de populaţia piscicolă valoroasă. Apa din lacurile acidificate este adeseori limpede precum cristalul, din cauza morţii majorităţii florei şi faunei.

În ultimii ani, a devenit clar că poluarea aerului poate avea un efect grav asupra copacilor. Fenomenul declinului forestier a fost mai întâi observat la mari altitudini. Totuşi, este dificil de găsit corelaţia cauză – efect. După cum s-a arătat mai sus, acidificarea solului poate îndepărta substanţele nutritive din acesta şi, la fel ca în lacuri, poate solubiliza aluminiul. Acest element poate interfera cu sustragerea substanţelor nutritive de către copaci şi alte plante. Aparent, atât aciditatea ploii care cade pe pădurile afectate, cât şi ozonul troposferic şi alţi oxidanţi din aerul la care sunt expuşi, creează tensiuni substanţiale pentru copaci. Singure, aceste tensiuni nu îi vor distruge, însă atunci când li se adaugă seceta, valorile extreme ale temperaturii, bolile sau atacul insectelor, copacii devin mult mai vulnerabili.

Pădurile de la mare altitudine sunt cel mai mult afectate de precipitaţiile acide, posibil din cauză că sunt expuse bazei norilor de joasă înălţime, acolo unde se concentrează cel mai mult aciditatea. Ceaţa şi pâcla sunt şi mai acide decât precipitaţiile, deoarece există mult mai puţină apă totală pentru a dilua acidul. De exemplu, exemplarele de mesteacăn alb sunt supuse la moarte lentă în regiunile unde se produce frecvent ceaţa acidă. Foioasele afectate de ploaia acidă mor lent de la vârf în jos.

Ozonul de la nivelul solului afectează anumite culturi agricole. După cum se pare, ozonul reacţionează cu gazul de etilenă emis de plante, producând radicali liberi, care apoi deteriorează ţesuturile plantelor. Viteza de fotosinteză este frânată, şi astfel se reduce cantitatea totală de material vegetal prin acţiunea ozonului. La


fel ca la copaci, poluarea aerului acţionează ca un factor de stres şi pentru plante. Deteriorarea culturilor produce pagube anuale de miliarde de dolari.

Există unele dovezi că aciditatea poluării este principalul agent activ care provoacă disfuncţia plămânilor, inclusiv respiraţia astmatică şi bronşita la copii. Persoanele astmatice par a fi afectate nefavorabil de aerosolii acizi de sulfat, chiar la concentraţii foarte mici.

Smogul fotochimic, care provine din oxizii de azot, este acum mai important decât smogul pe bază de sulf din multe oraşe, în special în cele cu populaţie foarte mare şi cu trafic dens. Smogurile fotochimice sunt oxidante.

Ozonul însuşi este un poluant atmosferic dăunător. Spre deosebire de substanţele chimice pe bază de sulf, efectul său asupra persoanelor robuste şi sănătoase este la fel de grav, ca şi asupra acelora cu probleme respiratorii existente.

Ozonul produce o iritaţie trecătoare a sistemului respirator, dând naştere la tuse, iritarea nasului şi a gâtului, scurtarea respiraţiei şi dureri de piept, când se respiră profund. Astfel, chiar persoanele tinere şi sănătoase suferă adesea de astfel de simptome, atunci când fac mişcare în aer liber, precum mersul pe bicicletă sau jogging în timpul perioadelor de smog.

Încă nu este clar ce disfuncţie pe termen lung a plămânilor rezultă, dacă rezultă, din expunerea la ozon şi acesta este un subiect controversat între savanţi. Un efect estimat este rezistenţa scăzută la boală, pentru că se distruge ţesutul pulmonar. Se estimează că expunerea îndelungată la nivele înalte de ozon duce la îmbătrânirea prematură a ţesuturilor plămânilor.

La nivel molecular, ozonul atacă rapid substanţele conţinând compuşi cu legături C=C, aşa cum apar în ţesuturile plămânului. După cum se va arăta, particulele fine produse prin procesul de smog fotochimic pot avea un efect vătămător asupra sănătăţii oamenilor.

Organizaţia Mondială a Sănătăţii (OMS), ca şi majoritatea ţărilor au legiferat standarde care reglementează concentraţiile atmosferice maxime de bioxid de sulf, bioxid de azot si monoxid de carbon, precum şi de ozon, iar în unele cazuri şi sulful total redus, deoarece toate aceste gaze au efecte asupra sănătăţii, când sunt în concentraţii suficient de mari. Aceste valori sunt prezentate în tabelul 14.1.

Tabel 14.1

Standardul OMS de calitate a aerului pentru poluanţii gazoşi

Poluantul Standard OMS Perioada de timp

SO2 350 µg/m3 1 oră NO2 150 µg/m3 24 ore CO 30 mg/m3 1 oră

10 mg/m3 8 ore O3 150-200 µg/m3 1 oră

100-120 µg/m3 8 ore


Poluarea produsă de SO2 şi de sulfaţi poate cauza o scădere a rezistenţei faţă de cancerul de colon şi cel de sân.

Mecanismul sugerat al acestei acţiuni este o reducere a cantităţii de raze ultraviolete de tip B (UV-B) disponibile, necesare pentru a forma vitamina D, care este un agent protector pentru ambele tipuri de cancer.

Astfel, o cantitate prea mică de UV-B poate avea efecte dăunătoare asupra sănătăţii, tot aşa cum are şi una prea mare.

De menţionat că bioxidul de sulf absoarbe radiaţiile UV-B, iar particulele de sulfat le dispersează, aşa încât, concentraţiile mari în aer ale oricăreia dintre aceste substanţe vor reduce cantitatea de UV-B ce ajunge la nivelul solului.

În cele din urmă, observăm că există câteva efecte pozitive ale poluării aerului asupra sănătăţii oamenilor.

De exemplu, rata cancerului de piele din zonele poluate intens cu ozon este probabil redusă, deoarece ozonul are capacitatea de a filtra UV-B din lumina solară.

11 55 .. EE FF EE CC TT UU LL DD EE SS EE RR ĂĂ ŞŞ II ÎÎ NN CC ĂĂ LL ZZ II RR EE AA GG LL OO BB AA LL ĂĂ

15.1. Aspecte generale Până acum, toată lumea a auzit predicţiile conform cărora “efectul de seră” va

afecta climatul lumii în secolul 21 şi în viitor. Termenul de “efect de seră”, în utilizarea sa obişnuită, se referă la faptul că media temperaturilor globale ale aerului va creşte cu mai multe grade, ca urmare a prezenţei în atmosferă a dioxidului de carbon şi a celorlalte gaze “cu efect de seră”.

Un “furnizor” important al dioxidului de carbon emis în atmosferă este centrala termoelectrică funcţionând cu combustibil fosil.

Mulţi oameni de ştiinţă consideră că procesul de încălzire globală se manifestă deja de ceva timp, dar a fost scăpat de sub control, şi că, în mare parte, acest proces este motivul creşterii temperaturii cu două treimi de grad Celsius, creştere înregistrată începând din 1860. Creşterii medii globale a temperaturii i se pot asocia, atât efecte pozitive, cât şi negative. Într-adevăr, fenomenul încălzirii globale rapide este considerat a fi cea mai importantă problemă de mediu cu care se confruntă omenirea în prezent.

Spre deosebire de fenomenul distrugerii ozonului din stratosferă (care s-a manifestat în mod spectaculos prin apariţia găurii în stratul de ozon), fenomenul încălzirii globale, datorat efectului de seră, nu s-a manifestat încă într-un mod prin care să convingă pe toată lumea de existenţa sa. În prezent, nimeni nu este sigur de extinderea sau de creşterea temperaturii în viitor. Dacă actualele modele atmosferice sunt corecte, oricum, o încălzire atmosferică globală semnificativă se va manifesta în următoarele decade. În orice caz, este important ca oamenii să înţeleagă care sunt factorii care conduc la această creştere globală a temperaturii, astfel încât să se poată lua în prezent măsuri care să împiedice catastrofe potenţiale cauzate de modificări rapide în viitor.

În acest capitol este explicat mecanismul prin care poate să apară fenomenul de încălzire globală şi se analizează natura şi sursele substanţelor chimice care sunt răspunzătoare de producerea acestui efect.

15.2. Mecanismul efectului de seră

15.2.1. Echilibrul energetic al Pământului

Suprafaţa Pământului şi atmosfera sunt încălzite prin energia primită de la Soare. Randamentul solar maxim (reprezentat prin curba întreruptă din figura

15.1), [1], se află în domeniul luminii vizibile, cu lungimi de undă cuprinse între 0.40 µm şi 0.75µm (adică 400÷750 nm).


Lumina vizibilă este prezentă între limitele domeniului violet (400 nm) şi ale domeniului roşu (750 nm ). Dincolo de “limita roşie”, care reprezintă lungimea de undă maximă pentru lumina vizibilă, noi primim lumina de la Soare în domeniu infraroşu (IR), în regiunea de 0.8÷3 µm.

Din cantitatea de energie primită de la Soare, deasupra atmosferei Pământului, doar puţin peste jumătate este în domeniul infraroşu, restul fiind în cea mai mare parte lumină vizibilă. O mare parte din lumina ultravioletă (cu lungimi de undă mai mici de 0.4 µm) primită de la Soare este filtrată în stratosferă şi încălzeşte aerul de acolo, mai mult decât pe cel de la suprafaţa Pământului.

Din cantitatea totală de lumină, acoperind toate lungimile de undă cu influenţă asupra Pământului, aproximativ 50 % ajunge la suprafaţa acestuia şi este absorbită de el. Un procent de 20 % din lumină este absorbită de gaze, respectiv ultravioletele (UV) de către ozonul stratosferic şi oxigenul diatomic, iar IR de către dioxidul de carbon şi apa sub formă de picături de apă în aer. Restul, de 30 %, este reflectat înapoi de nori, gheaţă, zăpadă, nisip şi alte corpuri reflectorizante, fără a fi absorbite.

Fig. 15.1. Distribuţia lungimilor de undă (la diverse scale) pentru lumina emisă de Soare (curba întreruptă) şi de suprafaţa terestră şi troposferă (curba solidă)

Creşterea temperaturii aerului înregistrată în ultimul secol (vezi figura 15.2), [2], se poate datora unei uşoare creşteri (aproximativ 0.24 %) a ratei emisiei de energie de la soare, mai ales în regiunea ultravioletă, care ar fi putut produce modificări ale straturilor de ozon din stratosferă.

Încălzirea datorată creşterii radiaţiei solare, care ar putea însuma până la o treime din creşterea temperaturii aerului, înregistrată din 1970 (ale cărei detalii sunt ilustrate în figura 15.3), [3], şi ar trebui să continue şi în următorii 50 de ani, conform extrapolării tendinţelor actuale. Sunt redate modificările temperaturii globale medii din 1950÷2000, relativ la temperatura medie de 14 ºC.

Ca oricare alt corp cald, Pământul emite energie. Într-adevăr, în regim staţionar, în condiţiile în care temperatura ar fi constantă, cantitatea de energie pe

Efectul de seră şi încălzirea globală 243

care planeta o absoarbe trebuie să fie egală cu cantitatea de energie pe care aceasta o emite.

Energia emisă (vezi porţiunea continuă a curbei din figura 15.1) nu este nici lumină ultravioletă, nici vizibilă, ci este radiaţie termică, având lungimile de undă cuprinse în intervalul de la 4 µm la 50 µm. Aceasta se numeşte zona termică infraroşie, deoarece energia este o formă de căldură şi reprezintă acelaşi tip de energie termică pe care ar radia-o un vas din fier încălzit.

Fig. 15.2. Temperatura globală medie, relativ la anii 1880-2000 începând din 1860

Fig. 15.3. Modificările temperaturii globale medii relativ la 14 ºC

Unele gaze din aer pot absorbi temporar lumina termică infraroşie, având anumite lungimi de undă şi, în acest mod, nu toate radiaţiile infraroşii emise de suprafaţa Pământului şi de atmosferă sunt trimise direct în spaţiu. La scurt timp după absorbţia de către moleculele din aer, cum ar fi moleculele de dioxid de carbon, această lumină infraroşie este remisă spre alte direcţii, absolut la întâmplare.

Din acest motiv, o parte a radiaţiei termice infraroşii este redirecţionată


înapoi spre suprafaţa Pământului, este reabsorbită şi, în consecinţă, ea încălzeşte în continuare, atât suprafaţa Pământului, cât şi aerul.

Acest fenomen al redirecţionării radiaţiei termice infraroşii către Pământ, aşa cum este ilustrat în figura 15.4, poartă denumirea de efect de seră şi reprezintă cauza existenţei unei temperaturi medii a suprafeţei Pământului de aproximativ +15ºC în loc de – 15 ºC, care ar fi fost temperatura dacă în atmosferă nu ar fi existat gaze care să absoarbă radiaţiile infraroşii.

Fig. 15.4. Schema de producere a efectului de seră în troposferă

Chiar faptul că planeta noastră nu este acoperită în întregime de un strat gros de gheaţă se datorează rezultatului natural al efectului de seră. Suprafaţa Pământului este încălzită, atât prin intermediul acestui mecanism, cât şi prin energia solară pe care o primeşte în mod direct.

Fenomenul care îngrijorează este creşterea concentraţiei de gaze în volumul de aer, care absorb lumina termică infraroşie şi care va avea ca rezultat redirecţionarea unei cantităţi mai mari de energie termică infraroşie. Datorită acestui fapt, temperatura medie la suprafaţa Pământului va fi de peste 15 ºC. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de sporire a efectului de seră, ceea ce face distincţia între efectele pe care acest fenomen le produce, în comparaţie cu efectele naturale care se desfăşoară de milenii.

Principalii constituenţi ai atmosferei azot, oxigen şi argon sunt incapabili de a absorbi lumina infraroşie. Gazele atmosferice care au produs în trecut cea mai mare parte a încălzirii de seră sunt apa (care este răspunzătoare de aproape două treimi din efect) şi dioxidul de carbon (care este răspunzător de un sfert).

Într-adevăr, absenţa apei din aerul uscat al zonelor deşertice a condus la scăderea temperaturilor în timpul nopţii, cu toate că în timpul zilei temperaturile


sunt chiar ridicate, datorită absorbţiei directe a energiei solare. Un fenomen mai familiar pentru oamenii care trăiesc în climatul temperat este aerul foarte rece din timpul iernii, în zilele şi nopţile senine.

15.2.2. Absorbţia energiei de către gazele cu efect de seră

Lumina este absorbită aproape integral atunci când frecvenţa sa se suprapune aproape în totalitate peste frecvenţa unei mişcări interne dintr-o moleculă pe care o întâlneşte. Pentru frecvenţele din domeniul infraroşu, mişcările relevante sunt vibraţiile atomilor moleculelor, unii faţă de alţii.

Pentru a absorbi în infraroşu nu este necesar ca molecula să posede, în ansamblul ei, un moment electric permanent, dar legăturile dintre atomi trebuie să fie polare, adică să posede momente electrice de legătură. Se produce o tranziţie de vibraţie numai atunci când, prin aceasta, are loc şi o variaţie a momentului electric de legătură, căci numai un dipol electric oscilant poate intra în interacţiune cu câmpul radiaţiei electromagnetice, absorbind energie.

Pe baza anumitor considerente mecanice se prevede că o moleculă, compusă din n atomi, poate efectua 3n-6 vibraţii (sau 3n-5, adică o frecvenţă în plus, dacă molecula este liniară). Fiecare dintre aceste vibraţii are o frecvenţă proprie şi deci poate fi excitată de radiaţii infraroşii de o frecvenţă determinată.

Sunt posibile două feluri de vibraţii, unele numite vibraţii de întindere (sau de valenţă) care produc o lungire sau scurtare a distanţei dintre atomi şi vibraţii de

deformaţie, care modifică unghiurile de valenţă. Cea mai simplă mişcare de vibraţie dintr-o moleculă este mişcarea oscilatorie

de întindere a doi atomi legaţi, X şi Y, unul faţă de altul. În această mişcare, numită tensiune spaţială, distanţa de la X la Y creşte dincolo de valoarea sa medie R, apoi revine la R, se contractă spre o valoare mai mică şi în final revine la R, aşa cum este ilustrat în figura 15.5.a). De menţionat că, la o moleculă liniară compusă din trei atomi precum CO2, vibraţia de întindere poate fi simetrică, când cei doi atomi externi vibrează simetric faţă de atomul central, sau antisimetrică, când cei doi atomi externi vibrează în opoziţie faţă de atomul central.

O asemenea mişcare oscilatorie apare în toate tipurile de legături ale moleculelor, indiferent de condiţiile impuse de temperaturi, chiar şi la zero absolut.

Fig. 15.5. Tipurile de oscilaţii moleculare


În fiecare secundă se manifestă un număr foarte mare (aproape 10¹³) de asemenea cicluri vibraţionale.

Frecvenţa exactă a acestei mişcări oscilatorii depinde în primul rând de tipul de legătură, adică simplă, dublă sau triplă, precum şi de identitatea celor doi atomi implicaţi în proces.

Pentru multe tipuri de legături, de exemplu pentru legătura C-H din metan şi legătura O-H din apă, frecvenţa vibraţiei nu se află în zona termică infraroşie.

Frecvenţa vibraţiei la legătura carbon-fluor (C-F) corespunde totuşi unei lungimi de undă care se încadrează în intervalul termic infraroşu, între 4 µm şi 50µm şi de aceea, orice moleculă din atmosferă care are legături C-F, va absorbi lumina termică IR care sporeşte efectul de seră.

Cel de al doilea tip important de vibraţii, de deformaţie, este o oscilaţie în distanţa dintre cei doi atomi X şi Y legaţi de un atom comun Y, dar nelegaţi între ei. O asemenea mişcare alterează unghiul format de legătura XYZ, de la valoarea sa medie ø şi poartă denumirea de curba de vibraţie. Toate moleculele care sunt formate din trei sau mai mulţi atomi au curbă de vibraţie.

Ciclul oscilatoriu al unei creşteri a legăturii unghiulare, urmat de o descreştere şi apoi de o altă creştere, şi aşa mai departe, este ilustrat în figura

15.5.b). Frecvenţele multor tipuri de curbe de vibraţie se manifestă în interiorul zonei termice infraroşii.

Dacă lumina infraroşie ar fi absorbită de o moleculă în timpul unei vibraţii, ar trebui să existe o diferenţă de poziţie într-o moleculă, între centrul ei, încărcat pozitiv, nucleu şi centrul încărcat cu sarcina negativă a norului electronic, la un moment dat, în timpul mişcării. Mai compact stabilită, pentru a absorbi lumina IR, molecula trebuie să aibă un moment de dipol în timpul unora dintre etapele vibraţiei. Din punct de vedere tehnic trebuie să se manifeste o schimbare în magnitudinea momentului de dipol din timpul vibraţiei.

Aceste centre de încărcare coincid în atomii liberi şi, prin definiţie, în moleculele diatomice homonucleare, cum ar fi oxigenul şi azotul diatomic, astfel că moleculele au momentele de dipol egale cu zero în orice moment, în timpul vibraţiei. Oricum, argonul gazos, Ar, nitrogenul diatomic gazos, N2 şi oxigenul diatomic, O2, nu absorb lumina infraroşie.

Pentru dioxidul de carbon, CO2, în timpul mişcării vibratorii, când distanţa dintre legătura C-O se micşorează şi se măreşte într-un ritm sincronizat, nu există nici o diferenţă de poziţie, în nici un moment de timp, între polii încărcaţi pozitiv şi cei încărcaţi negativ, din moment ce ambii poli sunt situaţi cu precizie în nucleul central. În acelaşi timp, în timpul acestei vibraţii, numită tensiune simetrică,

O C Ors

== , molecula nu poate absorbi lumina IR.

În timpul vibraţiei cu tensiune antisimetrică, O C Orr

== la dioxidul de carbon, contracţia unei legături C-O se manifestă atunci când cealaltă legătură se destinde, sau invers, astfel încât, în timpul mişcării, polii încărcaţi pozitiv sau negativ nu coincid în mod obligatoriu. Totodată, lumina infraroşie la această


frecvenţă de vibraţie poate fi absorbită din moment ce, la un anumit moment în timpul vibraţiei, molecula are totuşi un moment de dipol.

În mod similar, vibraţia la o moleculă de dioxid de carbon, la care cei trei atomi sunt despărţiţi printr-o geometrie coliniară, este o vibraţie care poate absorbi lumina IR la acea frecvenţă, din moment ce polii încărcaţi pozitiv şi negativ nu coincid, atunci când molecula este neliniară.

15.3. Principalele gaze cu efect de seră

15.3.1. Dioxidul de carbon: emisie şi tendinţe

Absorbţia luminii de către o moleculă se produce mult mai eficient atunci când frecvenţele luminii şi ale uneia dintre vibraţiile ei caracteristice se suprapun exact. Oricum, lumina care are o frecvenţă mai mare sau mai mică, în comparaţie cu cea a unei vibraţii, este absorbită într-o oarecare măsură de un grup de molecule.

Această abilitate a moleculelor de a absorbi lumina infraroşie, pentru un mic interval al frecvenţelor, mai mult decât pentru o singură frecvenţă, apare deoarece nu numai energia asociată unei vibraţii se schimbă, atunci când este absorbit un foton, ci apare, de asemenea, şi o schimbare în energia care se manifestă în timpul rotaţiei moleculei în jurul propriei axe. Această energie de rotaţie a unei molecule poate creşte sau descreşte uşor, atunci când lumina infraroşie este absorbită pentru a-şi mări energia de vibraţie.

De aceea, absorbţia fotonilor se manifestă la frecvenţe puţin mai mari sau mai mici, în comparaţie cu frecvenţa corespunzătoare unei vibraţii. În general, tendinţa de absorbţie a gazului se micşorează pe măsură ce frecvenţa luminii se îndepărtează din ce în ce mai mult, în orice direcţie, de frecvenţa de vibraţie.

Spectrul de absorbţie pentru dioxidul de carbon, pe o porţiune în domeniul infraroşu, este ilustrat în figura 15.6, [4].

Fig. 15.6. Spectrul de absorbţie infraroşie a dioxidului de carbon


Pentru dioxidul de carbon, absorbţia maximă de lumină în domeniul termic infraroşu se manifestă la o lungime de undă de 15.0 µm, care corespunde unei frecvenţe de 13102 ⋅ cicluri pe secundă (Hertz). Fenomenul de absorbţie se manifestă la această frecvenţă, deoarece se suprapune cu una dintre frecvenţele de vibraţie dintr-o moleculă de dioxid de carbon, în special pentru tensiunea unghiulară de vibraţie O = C = O.

Dioxidul de carbon absoarbe puternic lumina infraroşie cu o lungime de undă de 4.26 µm, care corespunde unei frecvenţe de 13107 ⋅ cicluri pe secundă, pentru tensiunea de vibraţie antisimetrică O = C = O.

În figura 15.7, [5], se prezintă intensitatea radiaţiei termice, IR, măsurată experimental (curba continuă), ce părăseşte suprafaţa terestră, deasupra deşertului Sahara, în comparaţie cu intensitatea teoretică ce ar trebui să existe, dacă nu s-ar manifesta absorbţia gazelor cu efect de seră (curba întreruptă). Sunt indicate regiunile cu cele mai mari lungimi de undă în urma absorbţiei acestor gaze.

Moleculele de dioxid de carbon prezente în aer absorb aproximativ jumătate din lumina termică infraroşie, care are lungimi de undă cuprinse între 14÷16 µm, împreună cu o zonă cuprinsă între 12÷14 µm şi 16÷18 µm, care provine din variaţii ale energiei absorbite prin mişcare rotaţională, atunci când se modifică energia de vibraţie.

Fig. 15.7. Intensitatea luminii termice IR

Din acest motiv, curba solidă din figura 15.7, care reprezintă cantitatea de lumină infraroşie ce este emisă din atmosferă, coboară atât de abrupt în jurul valorii de 15 µm. Porţiunea verticală de separaţie dintre curba trasată continuu şi cea


trasată discontinuu este proporţională cu cantitatea de lumină infraroşie, la o lungime de undă dată, care este mai mult absorbită decât emisă.

Mărirea în continuare a concentraţiei de dioxid de carbon din atmosferă va împiedica o mare parte din lumina infraroşie să scape, în special în zonele de vârf şi din acest motiv, aerul se va încălzi.

Deşi dioxidul de carbon absoarbe şi el lumina infraroşie la 4.3 µm, datorită tensiunii de vibraţie antisimetrică, energia emisă de Pământ la această lungime de undă este mică, după cum se observă şi din figura 15.1 şi, din acest motiv, această absorbţie potenţială nu este foarte importantă.

Măsurătorile aerului din mostrele de gheaţă din Antarctica sau Groenlanda, [6], indică faptul că, concentraţia atmosferică a dioxidului de carbon în perioadele preindustriale, înainte de 1750, era de aproximativ 280 ppm, dar a crescut cu aproape 30 %, la 365 ppm, în 1998. În prezent, creşte cu o rată medie anuală de circa 0.4 % sau 1.5 ppm, aproape dublu faţă de anii 1960, deşi se înregistrează fluctuaţii considerabile de la un an la altul, de până la ± 1 ppm.

Dioxidul de carbon nu este propriu-zis toxic, dar el este nociv în concentraţii mai mari în aerul inspirat, deoarece împiedică eliminarea normală a dioxidului de carbon din sânge. Între dioxidul de carbon dizolvat în sânge şi aerul din plămâni se stabileşte, prin pereţii permeabili ai capilarelor din plămâni, un echilibru, cu atât mai deplasat în favoarea desorbţiei dioxidului de carbon dizolvat, cu cât este mai mică presiunea de CO2 din aerul din plămâni. Simptomele alarmante (acceleraţia respiraţiei, dureri de cap, pierderea cunoştinţei) apar la concentraţii de 3÷4 % vol. CO2 în aer; moartea se produce repede la o concentraţie de 10 % volume. La această concentraţie se stinge şi lumânarea.

Creşterea concentraţiei anuale a dioxidului de carbon atmosferic din ultimii ani este ilustrată în figura 15.8, [6]. Graficul inserat ilustrează oscilaţiile tipice de-a lungul anilor. Curba lentă are o alură pătratică pentru datele din 1959÷2000.

Modificările anuale ale concentraţiei medii anuale sunt ilustrate în figura

15.9, [7]. Creşterea anuală a concentraţiei de dioxid de carbon din atmosferă este bazată pe media a 4 ani. Dreapta este reprezentarea liniară a datelor obţinute în perioada 1961÷1989, [8, 9].

Din moment ce aceste creşteri s-au manifestat într-o manieră liniară din 1960 până în 1980, înseamnă că concentraţia dioxidului de carbon a crescut cu pătratul timpului în aceasta perioadă. Curba continuă din figura 15.8 indică cea mai bună creştere pătratică, adaptată datelor perioadei respective. Declinul în rata creşterii din anii 1990, ilustrat în figura 15.9, va fi analizat mai târziu.

Fluctuaţiile sezoniere ale concentraţiei de dioxid de carbon, ilustrate în figura

15.8, se datorează exploziei în creşterea vegetaţiei primăvara şi vara, ceea ce îndepărtează dioxidul de carbon din aer, precum şi stagnarea creşterii vegetaţiei în timpul toamnei şi al iernii, fenomen care duce la creşterea acestei concentraţii.

Plantele verzi absorb dioxid de carbon din atmosferă şi elimină oxigen, în raport de 1 mol : 1 mol.


Fig. 15.8. Tendinţele concentraţiei atmosferice anuale a dioxidului de carbon

Fig. 15.9. Creşterea anuală a concentraţiei de dioxid de carbon din atmosferă


În mod particular, cantităţi foarte mari de dioxid de carbon sunt luate din aer în fiecare primăvară şi vară, datorită procesului de fotosinteză al plantelor, sub acţiunea luminii solare:

tpolimeriza OCH O OH CO 22afotosintez

22 + →+

(15. 1)

De fapt, produsul de reacţie nu este OCH2 (formaldehidă). Produsul principal care se formează în asimilarea dioxidului de carbon este amidonul, un compus macromolecular, înrudit cu glucoza, 6126 OHC , respectiv celuloza.

Termenul utilizat pentru produsul “CH2O polimerizat”, în ecuaţia anterioară, este un cuvânt care denumeşte fibrele de plante, în special celuloza, ce conferă lemnului masă şi volum. Dioxidul de carbon “capturat” de procesul de fotosinteză nu mai poate funcţiona ca un gaz care are efect de seră sau ca oricare alt gaz, în timp ce este eliberat sub această formă de polimer. Carbonul care este prins în acest mod se numeşte carbon fixat. Oricum, deprecierea acestui material vegetal, chiar reversul acestei reacţii, care se manifestă mai ales toamna şi iarna, înlocuieşte dioxidul de carbon care s-a retras.

Observaţia care se impune este că fluctuaţiile globale ale dioxidului de carbon sunt în funcţie de anotimpurile din emisfera nordică, deoarece masa de uscat din această emisferă este mult mai mare şi, implicit, există şi mai multă vegetaţie, în comparaţie cu emisfera sudică.

O mare parte a creşterii considerabile în contribuţia antropogenică a concentraţiei de dioxid de carbon din aer, se datorează arderii combustibililor fosili, mai ales cărbune, petrol şi gaze naturale, care s-au format cu milioane de ani în urmă, când materia vegetală şi animală era acoperită de depozite geologice, înainte să fie distrusă prin oxidarea aerului.

Ca medie, fiecare locuitor al unei zone industriale este răspunzător de degajarea a 5 tone metrice, respectiv 1000 kg de dioxid de carbon, provenit din combustibili, în fiecare an. Există o variaţie considerabilă în degajările de combustibil pe cap de locuitor, în funcţie de gradul de industrializare a ţării respective.

O parte din această producţie pe cap de locuitor este directă, de exemplu cea eliberată prin intermediul gazelor de eşapament de la automobile sau cea care încălzeşte casele prin arderea combustibilului fosil. Restul este indirect şi apare atunci când energia este utilizată pentru a produce şi a transporta bunuri, căldura utilizată la încălzirea fabricilor, claselor şi a birourilor, pentru a produce şi a rafina petrolul, de fapt, pentru a realiza la modul virtual orice scop economic dintr-o societate industrială.

Emiterea dioxidului de carbon pe cap de locuitor, în intervalul de timp de un an, în ţările în curs de dezvoltare, este mai redusă cu 10 % faţă de ţările industrializate, dar este în creştere.

O cantitate semnificativă de dioxid de carbon este degajată în atmosferă când


pădurile sunt curăţate şi lemnul se arde, în scopul obţinerii unor terenuri mai întinse pentru utilizarea în agricultură. Considerabile sunt defrişările masive care s-au făcut la colonizarea Statelor Unite şi a sudului Canadei, dar s-au deplasat acum destul de mult spre tropice.

În prezent, cea mai semnificativă defrişare apare în Brazilia şi implică pădurile tropicale. Totuşi, rata anuală procentuală a defrişărilor este mai mare în Asia de Sud (1.6 %) şi în America Centrală (1.5%), decât în America de Sud (0.6 %). În total, defrişările însumează aproximativ un sfert din emisia antropogenică anuală a dioxidului de carbon, celelalte trei sferturi avându-şi originea în arderea combustibililor fosili. Cantitatea totală de dioxid de carbon din pădurile emisferei nordice (incluzând şi solurile) creşte continuu.

Creşterea emisiilor totale anuale în timp, în sensul masei de carbon, pentru dioxidul de carbon, provenit din arderea combustibililor fosili şi din producţia de ciment, este ilustrată în figura 15.10, [6, 10]. Emisiile anuale de dioxid de carbon din surse antropogenice sunt exprimate ca masă de carbon şi provin de la arderea combustibililor fosili şi producerea de ciment. Pe grafic sunt redate mediile obţinute în perioade de 5 ani.

Fig. 15.10. Emisiile anuale de dioxid de carbon din surse antropogenice

Emisiile au crescut aproape liniar în timp, din 1885 până la sfârşitul celui de-al doilea război mondial, deşi cu anumite perioade de declin, datorate probabil marii crize din 1929 şi a războaielor mondiale. Din 1940, rata emisiei de dioxid de


carbon a crescut mult mai rapid în timp (vezi figura 15.10 pentru detalii). După 1940, panta dreptei este de cinci ori mai mare decât cea din perioada precedentă. Modelul creşterii ratei de emisie indică un declin temporar în anii ’80 şi, din nou, în anii ’90, ultima datorându-se declinului rapid al economiilor din fostul bloc sovietic, [11].

Durata de viaţă a unei molecule de dioxid de carbon emisă în atmosferă este o entitate complicată, din moment ce în contrast cu cele mai multe gaze nu este descompusă chimic sau fotochimic. Ca medie, în interval de câţiva ani de la emisia sa în atmosferă, o moleculă de dioxid de carbon este puţin probabil că se va dizolva la suprafaţa mării sau va fi absorbită de o plantă în creştere.

Oricum, multe asemenea molecule de dioxid de carbon sunt reeliberate în aer câţiva ani mai târziu; în medie, această dispunere este numai un mediu temporar pentru gaz. Singurul mediu permanent este depunerea sa în apele adânci ale oceanului şi/sau precipitaţii, sub formă de carbonat de calciu.

Apele de la suprafaţa mării, de până la câteva sute de metri adâncime, se amestecă uşor cu apele adânci, astfel că dioxidul de carbon proaspăt dizolvat în apa de suprafaţă are nevoie de sute de ani pentru a penetra adâncimile oceanului. În acelaşi timp, deşi în final apele oceanului vor dizolva o mare parte a dioxidului de carbon din aer, perioada de timp asociată cu acest mediu permanent este foarte îndelungată.

Deoarece procesele în care este implicată interschimbarea dioxidului de carbon între aer, biomasă şi apele mai puţin adânci ale oceanului, cât şi între apele de suprafaţă şi de adâncime, sunt mai complicate, nu se poate vorbi despre o perioadă medie semnificativă de stabilire în aer a gazului singur.

Mai bine ne referim la noile emisii de carbon din combustibili fosili, care sunt alocate cu rapiditate în aer, în apele de suprafaţă ale oceanelor şi biomasă, deoarece interschimbarea dintre aceste trei compartimente se manifestă în mod continuu.

După o perioadă de multe decade şi chiar secole, aproape în totalitate acest nou dioxid de carbon va ajunge sub formă de depozite pe fundul oceanelor. Ca efect, atmosfera se dispensează de aproape jumătate din noile cantităţi de dioxid de carbon, în timp de o decadă sau două, dar necesită un timp mult mai îndelungat pentru a se dispensa de restul de dioxid de carbon.

Se vorbeşte în mod frecvent de faptul că sunt necesari de la 50 la 200 de ani pentru ca nivelul dioxidului de carbon să se adapteze complet la o nouă concentraţie de echilibru, dacă sursa de emisie a sa se măreşte. În concluzie, durata de viaţă eficientă pentru dioxidul de carbon adiţional din atmosferă este considerată a fi lungă, de ordinul a mai multor decade, mai mult decât cei câţiva ani necesari dizolvării sale iniţiale în mediul acvatic sau absorbţiei sale de către biomasă.

Dintre emisiile antropogenice adiţionale de dioxid de carbon din ultimele decade, numai jumătate au fost îndepărtate şi astfel, pe termen scurt şi mediu, gazul CO2 continuă să se acumuleze în atmosferă. Cercetătorii au descoperit că 56 %


dintre emisiile recente, din ultimele decade, se găsesc încă în aer. Pe termen scurt, capacitatea straturilor de suprafaţă a oceanelor de a absorbi dioxidul de carbon poate scădea, dacă apa se încălzeşte semnificativ, deoarece solubilitatea gazelor în apă scade odată cu creşterea temperaturii. Creşterea temperaturii aerului va duce la o eliberare a dioxidului de carbon din soluri, datorată unei rate crescute a degradării materiei organice.

Alimentările şi degajările anuale ale dioxidului de carbon în şi din atmosferă, la mijlocul anilor ’80, sunt ilustrate în figura 15.11, [12, 13]. De menţionat că fluxul aer-ocean reprezintă totalul tuturor surselor, naturale şi antropice.

Fig. 15.11. Fluxurile anuale de dioxid de carbon provenit din activităţi antropice către şi de la atmosferă, la jumătatea anilor ’80, în gigatone de carbon

Arderea combustibililor fosili şi producerea cimentului degajă circa 5.5 Gt de carbon pe an în aer, dintre care 3.3 Gt sau 60 % nu au găsit mediu de depozitare. Straturile superioare ale oceanelor au absorbit aproximativ 92 Gt, dar au degajat 90Gt, astfel încât absorbţia netă a mediului principal a fost de 2.0 Gt pe an. Numai 1.6 Gt au fost îndepărtate din straturile superioare în cele intermediare şi adânci şi numai 0.2 Gt s-au depus în sedimente pe fundul mărilor şi oceanelor.

Deşi defrişările din zona tropicală au contribuit cu 1.6 Gt de carbon pe an eliberat în aer, aceasta era cu puţin mai mult, în comparaţie cu retragerea a 1.8 Gt de către pădurile zonei temperate.

Analiza alimentărilor şi a degajărilor din anii ’90 au indicat faptul că emisiile antropogenice au crescut (la 6.0 Gt), dar aceasta a avut loc simultan cu o retragere


accelerată de biosferă, aceasta explicând încetinirea temporară a ratei de creştere din atmosferă, ilustrată în figura 15.9.

Există dovezi că încălzirea globală bruscă, cauzată de ciclonul El Nino sau de alţi factori, are ca rezultat o preluare masivă a dioxidului de carbon de către vegetaţie şi sol, doi ani mai târziu. Oricum, la mijlocul anilor ’90, creşterea anuală a dioxidului de carbon din atmosferă a revenit la valoarea medie din anii ’80, fenomen datorat probabil preluării unor cantităţi mai mici de dioxid de carbon de către biosferă, care s-a datorat intervalului cald din jurul anului 1990.

Sporirea ratei de creştere a unor tipuri de copaci, datorită măririi concentraţiei de dioxid de carbon din aer, poartă numele de fertilizarea dioxidului de carbon. Se consideră că ritmul fotosintezei creşte pe măsură ce nivelul de dioxid de carbon şi temperatura aerului cresc şi că formaţiunile conţinând cantităţi mai mari de carbon fixat reprezintă un mediu important pentru gaz.

Într-adevăr, o creştere a biomasei din pădurile temperate nordice este mediul cel mai propice pentru pierderile anuale de dioxid de carbon din atmosferă, pentru care oamenii de ştiinţă s-au aflat în imposibilitatea de a descoperi o cauză.

Această activitate crescută în fotosinteză a fost recent confirmată de datele transmise prin satelit pentru regiunile situate între 45ºN şi 70ºN. Pădurile europene au acumulat aproximativ 100 de milioane de tone de carbon anual, între 1970 şi 1980. Recent, o mare parte a creşterii biomasei din pădurile temperate la latitudini mari s-a descoperit că apare în sol, în special sub formă de turbă. Degajările antropogenice de dioxid de carbon însumează până la 4 % din cantităţile enorme produse de natură şi de aceea, o foarte mică variaţie a ritmului în care carbonul este absorbit de biomasă poate avea un efect semnificativ asupra cantităţii reziduale de dioxid de carbon care se acumulează în atmosferă, [13].

15.3.2. Vaporii de apă

Moleculele de apă, abundente în aer, absorb radiaţia termică infraroşie, IR, datorită legăturii de vibraţie H-O-H , iar vârful din spectrul acestei absorbţii este la 6.3 µm. Oricum, toate cantităţile relativ mici de IR, din regiunea 5.5÷7.5 µm, sunt interceptate de vaporii de apă (vezi figura 15.7). Tensiunea de vibraţie antisimetrică a apei se manifestă la 2.7 µm, în afara regiunii termice IR.

Creşterile energiei de rotaţie a moleculelor de apă, fără nici o modificare a energiei de vibraţie, îndepărtează lumina termică infraroşie cu lungimi de undă de 18 µm şi mai mari. De fapt, apa sub formă de vapori este cel mai important gaz

care are efect de seră din atmosfera terestră, în sensul că produce o încălzire prin

efectul de seră mai mare decât oricare alt gaz, deşi, raportând la o moleculă, apa este un absorbant mai puţin eficient decât dioxidul de carbon.

Presiunea de echilibru a vaporilor din apa lichidă şi, în acelaşi timp, concentraţia maximă a vaporilor de apă din aer cresc exponenţial cu temperatura. Astfel, cantitatea de IR termică redirecţionată de vaporii de apă va spori ca urmare al încălzirii globale induse de celelalte gaze cu efect de seră şi va amplifica


fenomenul de creştere a temperaturii. Deoarece apare ca efect indirect al creşterii nivelului altor gaze şi deoarece este ceva ce nu putem controla, creşterea încălzirii datorită apei este asimilată, de obicei, cu efectele pe care alte gaze le au asupra încălzirii. În acelaşi timp, apa nu este listată explicit printre gazele ale căror creşteri de concentraţie duc la sporirea efectului de seră.

Apa din nori, sub formă de picături lichide, absoarbe, de asemenea, IR termică. Norii reflectă, de asemenea, lumina solară UV şi vizibilă înapoi în spaţiu. Norii aflaţi la joasă altitudine reflectă, de obicei, mai multă lumină decât absorb IR, astfel încât ei răcesc planeta, în timp ce norii aflaţi la altitudini mari au un comportament opus şi exercită asupra Pământului un efect de încălzire. Nu este încă clar dacă stratul adiţional de nori, produs prin creşterea conţinutului de apă din atmosferă, va avea o contribuţie net pozitivă sau net negativă la încălzirea globală. Norii care acoperă regiunile tropicale au un efect net egal cu zero, dar aceia din latitudinile nordice au un efect de răcire clar, din moment ce abilitatea lor de a reflecta lumina solară o depăşeşte pe aceea de a absorbi IR. Astfel, dacă temperatura crescută a aerului produce mai mult acest ultim tip de nori, sporirea fenomenului de încălzire globală va avea ca efect umezirea. Oricum, nimeni nu ştie sigur dacă stratul adiţional de nori din nord se va manifesta la aceleaşi altitudini şi în aceeaşi manieră ca şi cei obişnuiţi. În total, efectul net al norilor asupra încălzirii globale face încă subiectul unor lucruri pentru moment incerte.

Ca rezultat al absorbţiei în principal de către dioxid de carbon şi apă, este esenţială numai lumina infraroşie de la 8 µm la 13 µm, care trece dincolo de atmosferă (vezi figura 15.7). Din moment ce lumina la aceste lungimi de undă trece neîmpiedicată, această porţiune a spectrului se numeşte fereastră.

15.3.3. Alte substanţe care afectează încălzirea globală

Injectarea în atmosferă, chiar şi numai a urme de gaze, care pot absorbi lumina infraroşie IR, va conduce la o încălzire globală suplimentară şi, implicit, la sporirea efectului de seră.

În mod special, sunt periculoase gazele poluante care absorb IR termică în zona de fereastră, din moment ce absorbţia de către apă şi dioxid de carbon în alte regiuni este deja atât de mare, încât rămâne puţină asemenea lumină pentru a fi absorbită de aceste urme de gaze. Luând în consideraţie care dintre posibilii poluanţi pot contribui la încălzirea globală, trebuie reamintit faptul că putem neglija atomii liberi şi moleculele diatomice homonucleare, deoarece ele nu pot absorbi lumina infraroşie, IR. Moleculele diatomice homonucleare, cum ar fi CO şi NO, nu prezintă o importanţă prea mare, din moment ce singura lor vibraţie are o frecvenţă care este în afara intervalului termic IR.

În general, cele mai multe dintre gaze care sunt alcătuite din molecule cu trei sau mai mulţi atomi, trebuie luate în consideraţie din moment ce au multe vibraţii care absorb IR, dintre care una sau mai multe este cuprinsă în domeniul infraroşu. Gazele în urme importante, adică acelea a căror concentraţie este mică în termeni


absoluţi, dar a căror abilitate de a încălzi aerul este substanţială, chiar şi la aceste niveluri, sunt detaliate mai jos, urmând apoi o discuţie asupra mediei lor de viaţă în atmosferă. Natura, abundenţa, ritmul de creştere, durata de viaţă atmosferică şi eficienţa relativă în promovarea încălzirii globale a unora dintre cele mai importante gaze cu efect de seră, sunt prezentate în tabelul 15.1. Timpul de retenţie, ca durată de viaţă, se referă la componenta gazului care nu este absorbită rapid de oceane şi biomasă. În valoarea eficienţei relative a încălzirii pe moleculă pentru metan, pe 100 de ani, sunt incluse şi efectele indirecte.

Tabel 15.1.

Informaţii despre gaze care produc efect de seră

Eficienţa relativă a încălzirii pe moleculă

Gaz Concentraţia actuală [ ppm ]

Ritm de creştere

Timpul de retenţie

Instantaneu Orizont de 100 ani

CO2 365 0.4 % 50÷200 1 1 CH4 1.72 0.5 % 12 21 9 N2O 0.312 0.3 % 120 206 320

CFC-11 0.27 x 10-3 0 % 50 12.400 12.500 Halon-1301

2 x 10-5 7 % 65 16.000 19.000

HCFC-22

11 x 10-5 5 % 12 11.000 3.300

HFC-134a

2 x 10-6 necunoscut 15 9.400 3.000

Pentru stabilirea impactului oricărei substanţe asupra sporirii efectului de seră, este necesar să ştim pe ce durată de timp se aşteaptă ca substanţa respectivă să rămână în atmosferă, deoarece, cu cât perioada de staţionare este mai mare, cu atât efectul total este mai sporit. Orice gaz atmosferic care se află în sau aproape de o stare stabilă, poate fi caracterizat de un timp de staţionare Tavg, ce reprezintă timpul mediu în care una dintre molecule rămâne în aer, înainte să fie îndepărtată de o alta. În funcţie de cantitatea totală de substanţă din atmosferă, C, şi ritmul mediu al alimentărilor şi eliminărilor unei substanţe pe unitatea de timp, R, Tavg este dat de expresia:

RCTavg =

(15. 2)

În locul utilizării cantităţii de gaz, aceasta poate fi înlocuită în formula de mai sus cu concentraţia. Astfel, dacă concentraţia atmosferică a unui anumit gaz este 6.0 ppm, şi dacă ritmul global, determinat prin împărţirea cantităţii anuale cu volumul atmosferei este de 2.0 ppm pe an, atunci timpul mediu de staţionare este

ani 3ppm/an 2ppm 6 = . Timpii de staţionare a gazelor care au efect de seră, precum dioxid de carbon,


oxid de azot şi CFC, sunt de mai multe decade, astfel încât influenţa gazelor emise la momentul actual (acum) în atmosferă se va extinde pe perioade mai mari de timp. În contrast, metanul are o perioadă de staţionare de numai o decadă (vezi tabelul 15.1).

15.3.4. Metanul

După dioxidul de carbon şi apă, metanul este cel mai important gaz cu efect de seră. O moleculă de metan conţine patru legături C- H. Cu toate că tensiunea de vibraţie a legăturii se manifestă bine în afara regiunii IR, legăturile unghiulare de vibraţie absorb la 7.7 µm, lângă limita ferestrei termice IR, şi, în consecinţă, metanul absoarbe IR în această zonă.

Pe moleculă, creşterea cantităţii de metan din aer cauzează o sporire de 21 de ori a efectului de seră, în comparaţie cu adăugarea dioxidului de carbon, deoarece moleculele de metan absorb o fracţiune mai mare din fotonul termic IR care trece prin ele, în comparaţie cu moleculele de dioxid de carbon.

Creşterea masivă a concentraţiei de dioxid de carbon a condus ca, în prezent, metanul să fie mai puţin important pentru încălzirea globală. În prezent, se estimează că metanul a produs aproape o treime din încălzirea globală produsă de dioxidul de carbon.

Aşa cum este ilustrat în figura 15.12, [12, 14], concentraţia atmosferică a metanului s-a dublat, în comparaţie cu valoarea pe care a avut-o în perioada preindustrială, iar aproape toată creşterea sa s-a manifestat în secolul 15. Curba din figura 15.12.a) reprezintă concentraţia anterioară, pe o perioadă de 1000 de ani în urmă, utilizând date colectate din gheaţă în zone diverse, iar curba din figura

15.12.b), reprezintă situaţia din ultimii ani, curbă lentă ca medie, în afara fluctuaţiilor sezoniere indicate de cercuri.

Din punct de vedere istoric, (de exemplu înainte de 1750), concentraţia de metan era aproape constantă, fiind de circa 0.75 ppm, dar a crescut în mod continuu, atingând aproape 1.75 ppm până în 1994. În anii ’70, ritmul de creştere era de două ori mai mare decât acela din 1980, iar la începutul anilor ’90 a devenit aproape zero. Nu se ştie cu exactitate motivul pentru care ritmul de creştere a scăzut şi în ultimul timp a fluctuat. Unii cercetători au avansat ipoteza că acest ritm este corelat cu scăderile de temperatură ale aerului, asociate cu explozia vulcanului Pinatubo. Se presupune creşterea nivelului de metan din atmosferă ca o consecinţă a unor activităţi umane, precum mărirea producţiei de alimente, utilizarea combustibililor fosili şi defrişarea pădurilor.

Variaţiile anuale ale emisiilor antropogenice de metan sunt ilustrate în figura

15.13, [15]. Se observă o creştere aproape liniară din 1880 către sfârşitul celui de-al doilea Război Mondial, urmată de o creştere aproximativ liniară, cu o pantă mai mare, în mod similar cu dioxidul de carbon, de atunci şi până în prezent. Pentru ultimii ani emisiile au fost extrapolate.

Aproape 70 % din emisiile actuale de metan au origine antropogenică.


Fig. 15.12. Creşterea concentraţiei de metan atmosferic

Fig. 15.13. Ritmul anual al emisiilor antropice de metan


Metanul este produs biologic în descompunerile anaerobe ale materialului vegetal. Asemenea procese au loc la scară mare când descompunerea plantelor se manifestă în condiţii de umiditate crescută, de exemplu în zone umede naturale, cum ar fi mlaştinile sau orezăriile. Într-adevăr, denumirea originală (populară) a metanului era “gaz de mlaştină”. Terenurile umede sunt cele mai mari surse naturale de emisie a metanului. Expansiunea zonelor umede, cauzată de inundarea terenurilor în scopul producerii energiei hidroelectrice, se adaugă acestui total. Volumul de metan produs în urma unei inundaţii depinde, în mod semnificativ, de adâncimea terenului şi a rezervorului. La adâncime, se produc mai puţine emisii în comparaţie cu cele de la suprafaţă, ca de exemplu, în Amazonul brazilian, care conţine volume mari de biomasă inundată.

Într-adevăr, efectul de încălzire globală a metanului şi dioxidului de carbon produs de un rezervor mare şi de suprafaţă îl poate depăşi pe cel al dioxidului de carbon care ar fi emis, dacă ar fi fost utilizate tehnicile de încălzire cu cărbune, pentru a genera aceeaşi cantitate de energie electrică. Astfel, energia hidroelectrică conduce la creşterea efectului de seră, dacă există condiţii şi teren umed care să creeze metan.

Animalele rumegătoare, incluzând vitele, oile şi anumite animale sălbatice, produc cantităţi uriaşe de metan, ca bioprodus în stomacurile lor, atunci când digeră celuloza din mâncarea lor. Animalele trimit apoi metanul în aer. Scăderea populaţiei unor animale sălbatice care emit metanul (de exemplu bivolul american) a fost depăşită de creşterea enormă a populaţiei de vite şi oi, rezultatul net fiind o puternică sporire a emisiilor de metan. Descompunerea anaerobă, care apare în condiţiile existenţei oxigenului saturat, a materiei organice din deşeuri, este o altă sursă importantă de metan din aer. Experimentele de laborator indică faptul că resturile alimentare produc cea mai mare cantitate de metan, urmate de hârtie, pe ultimul loc situându-se resturile provenite de la ferme.

În unele comunităţi, metanul din zonele de depunere a materialelor reziduale este colectat şi utilizat pentru a genera căldură, în felul acesta evitându-se eliberarea lui în aer. Combustia biomasei, cum ar fi pădurile şi savanele din zonele tropicale şi semitropicale, degajă metan în proporţie de până la 1 % din carbonul consumat, împreună cu cantităţi mai mari de monoxid de carbon; ambii componenţi sunt produşi ai combustiei incomplete.

În concluzie, există şase surse semnificative diferite de metan: 1) zonele naturale umede; 2) combustibili fosili; 3) animale rumegătoare; 4) orezăriile; 5) combustia biomasei; 6) ariile de depunere a materialelor reziduale. Magnitudinea fiecărei contribuţii se află sub semnul incertitudinii, la fel ca şi ordinea lor.

Emisiile antropogenice de la începutul anilor ‘90 puteau fi ordonate, [16], astfel:

rale gaze natu

a biomasrbune aclzireancI riiaOrezahranPreparare

=

⟩=⟩⟩⟩((()((

(15. 3)


Relaţia abundenţei de izotopi de carbon în dioxidul de carbon atmosferic poate fi folosită pentru deducerea originilor sale, urmărind un proces logic. Carbonul din toată materia vie conţine o mică, dar constantă parte de izotop radioactiv de carbon 14 (14C), preluat în ciclul carbonului, când prin fotosinteză se obţine dioxidul de carbon atmosferic (CO2 ) şi când animalele consumă materie vegetală. Acest fapt se află la baza metodelor de datare cu radiocarbon, folosite de arheologi şi antropologi; când un organism moare, izotopul de carbon 14 (14C) se depreciază cu o rată cunoscută, care face calculabilă data morţii sale. Pentru aceasta se face ipoteza că carbonul biotic şi carbonul atmosferic din dioxidul de carbon (CO2) sunt echilibrate şi că, nivelul de 14C atmosferic este constant.

În cazul metanului atmosferic, proporţia medie de 14C este mai mică decât valoarea găsită în ţinuturile vii, indicând faptul că o importantă parte de CH4 degajată în aer este “carbon vechi ”, care a fost reţinut în pământ atât de mult, încât conţinutul său de 14C a scăzut spre 0, ca rezultat al deprecierii radioactive de-a lungul erelor geologice. Cea mai mare parte de metan, conţinând carbon vechi, este degajată în aer ca rezultat al exploatărilor miniere, prelucrării şi distribuţiei combustibililor fosili. Metanul conţinut de cărbune este degajat în atmosferă, când acest material este extras, precum şi metanul din ţiţei, atunci când acesta este extras din pământ.

Distribuţia gazului natural, care este în mare parte metan, implică pierderi în aer datorită fisurilor din conducte şi este cea mai mare sursă de carbon vechi. Măsurători ale concentraţiei de metan realizate în aerul atmosferic al diferitelor oraşe indică faptul că, cele mai mari pierderi din conducte din trecut s-au obţinut în Europa de Est. În această parte a Europei, metanul din calotele glaciare are o mai mică probabilitate de a contribui la formarea surselor de “carbon vechi”.

Metanul s-a format din degradarea materiei vegetale existentă cu mii de ani în urmă, când clima polară era mult mai caldă decât este astăzi.

Transformarea principală, reprezentând 90 % din pierderea sa din aer, este reacţia cu radicalul liber hidroxil -OH :

OH CH OH CH 2-

3-

4 + →+

(15. 4)

Prin pierderea unui proton, molecula de apă dă naştere ionului hidroxil, -OH . Ionul hidroxil este baza cea mai tare care poate exista în soluţie apoasă.

Celelalte transformări ale gazului metan sunt în reacţia cu solul şi pierderile în stratosferă. După cum s-a arătat, reacţia cu hidroxidul radical constituie primul pas al unei secvenţe ce transformă metanul, prima dată în CO, apoi în CO2. Durata medie de viaţă în atmosferă a CH4 este între 10 şi 15 ani.

Pierderea anuală de metan datorată acestei reacţii (4), este aproximativ de 480 Tg (unde 1 Tg, sau teragram, este 1012 grame sau un milion de tone metrice), iar în acest fel transformarea netă din toate sursele totalizează aproximativ 530 Tg, anual. Unii oameni de ştiinţă presupun că, în atmosferă, concentraţia de -OH ar


putea fi în descreştere, datorită concentraţiilor crescătoare de CO şi CH4, cele două gaze care constituie principalii factori de reducere (transformare).

Deci, unele creşteri observate ale concentraţiei metanului pot fi datorate unei reduceri în rata reacţiei cu hidroxidul radical.

O distrugere minoră a metanului are loc în stratosferă. El reacţionează acolo cu -OH , clor, brom atomic sau oxigen atomic. Reacţia cu acesta din urmă are ca rezultat radicali hidroxizi şi eventual molecule de apă,

−

−

+ →+

+ →+

324-

3-

4*

CH OH CH OH

CH OH CH O

(15. 5)

Vaporii de apă stratosferici acţionează ca un important gaz de seră. Aproximativ un sfert din încălzirea globală, datorată creşterii emisiilor de metan nu are deci un efect direct, ci este datorată acestui efect în stratosferă, în care volumul de apă regional este crescut. De fapt, datorită subţierii stratului de ozon şi creşterii nivelului de dioxid de carbon, stratosfera şi-a redus capacitatea de răcire în ultimele decenii. Creşterea curentă de vapori de apă a redus capacitatea de încălzire şi în acest fel, a contribuit la încălzirea generală a atmosferei.

Au fost speculaţii printre oamenii de ştiinţă că rata degajării metanului în aer poate creşte foarte mult în viitor, ca efect al creşterilor de temperatură generate de efectul de seră. De exemplu, deprecierea biosferei anaerobe ar fi accelerată la temperaturi mai ridicate.

Acesta este un exemplu al unei bucle feedback pozitive, care face ca, dacă un fenomen are loc, acesta să producă un rezultat care, el însuşi, amplifică rezultatele. Feedbackul reprezintă o reacţie la schimbare, iar cu un feedback pozitiv, această reacţie accelerează pasul schimbării viitoare. Pe de altă parte, un sistem ale cărui ieşiri ulterioare sunt mai mici, prezintă un feedback negativ. Un exemplu de feedback din viaţa cotidiană este încercarea unei afaceri de a-şi mări profitul prin creşterea preţurilor; creşterea preţurilor are adesea ca rezultat scăderea cererii pentru produsul respectiv, iar creşterea profitului este mai mică decât cea anticipată. Într-un feedback nu are importanţă efectul pozitiv sau negativ, ci doar creşterea sau descreşterea pasului de schimbare.

Degajarea metanului din deprecierea biomasei din muşchii de pământ şi tundră din Canada, Rusia şi Scandinavia ar putea creşte datorită creşteri temperaturii aerului şi ar constitui o buclă feedback pozitivă. Oricum, rata deprecierii biomasei şi în acest fel a producţiei de CH4, depinde de asemenea de soluri şi de căderile de ploaie care, probabil, vor fi afectate de schimbările de climat într-o direcţie mică, nesigură; deci feedbeck-ul net din această sursă poate fi pozitiv sau negativ.

În calotele glaciare din regiunile nordice îndepărtate se află mult metan imobilizat. Acesta a fost produs prin descompunerea materialelor vegetale în timpul perioadelor calde din regiune, dar au fost îngropate ca urmare a


glaciaţiunilor, când temperatura a scăzut continuu, la începutul ultimei ere glaciare. Topirea calotei glaciare, datorate încălzirii globale, ar putea degaja cantităţi

mari din această rezervă de metan. Topirea ar putea permite de asemenea descompunerea materiei organice prezentă în calotă, cu consecinţa degajării de mai mult metan.

De asemenea, se află cantităţi monumentale de metan pe fundul oceanelor, pe platformele continentale, sub formă de ”metan hidrat”. Aceste substanţe au formula aproximativă OH6CH 24 ⋅ şi este exemplul unui compus clatrat, care este o remarcabilă structură ce se formează când moleculele mici ocupă locurile libere dintr-o structură poliedrală, formând o cuşcă. În acest caz metanul este prins într-o structură tridimensională, formată de moleculele de apă. Hidraţii se formează în condiţii de înaltă presiune şi temperaturi scăzute, ca cele găsite în apele reci şi sub sedimentele oceanice. Acest hidrat este stabil sub –26 ºC şi peste 26 bar.

Dacă apa de mare încălzită de efectul de seră pătrunde pe fundul oceanelor, compuşii hidraţi s-ar putea descompune şi ar degaja în aer propriul lor metan, dar şi resursele de metan pur care în prezent se află dedesubtul lor.

Metanul, care se găseşte mult sub calotele glaciare din zonele nordice şi în zonele arctice sudice, se află de asemenea sub formă de hidraţi, care s-ar degaja dacă zona arctică ar fi încălzită suficient. Deşi sunt multe incertitudini privind feedbackul metanului, riscurile sunt mai mari decât cu orice alt gaz. Măsurătorile realizate în această direcţie nu indică nici o emisie importantă din aceste surse. A fost sugerat de câţiva oameni de ştiinţă ca CH4 degajat din hidraţi poate fi oxidat în CO2 înainte de a ajunge în aer.

Câţiva oameni de ştiinţă cred în imposibilitatea câtorva mecanisme feedback pozitive, incluzându-le pe cele care cuprind metanul, că s-ar putea combina pentru a declanşa o implacabilă încălzire a planetei. Acest scenariu, cel mai negativ, este numit „efect de seră dezastruos” (accelerat). O asemenea schimbare a climatului ar ameninţa toate formele de viaţă de pe Pământ şi cum temperatura ar creşte semnificativ, curenţii oceanici s-ar schimba, iar precipitaţiile ar fi foarte diferite de cele pe care le ştim acum. Posibilitatea ca şi curentul Atlanticului de Nord, care aduce apă caldă din sud şi deci încălzeşte Europa, va deveni neoperaţional datorită rapidei încălziri globale, indusă de creşterea rapidă de metan sau dioxid de carbon, este una dintre cele mai dramatice predicţii despre posibilele consecinţe ale efectului de seră.

15.3.5. Protoxidul de azot

Un alt gaz important în efectul de seră este protoxidul de azot (N2O), numit ”gazul râsului “, a cărui structură este NNO, alta decât structura mult mai simetrică NON. Protoxidul de azot este un gaz incolor, cu miros slab, dulceag şi este un narcotic. Se foloseşte în chirurgie, sub forma unui amestec de 20 % O2 şi 80 % N2O, administrându-se cu aparate de respiraţie speciale, şi având avantajul de a se elimina din organism mai uşor decât alte narcotice, mai puţin volatile (cloroform).


Legătura de vibraţie pe care o are absoarbe lumina infraroşie IR pe porţiunea de 8.6 µm, adică în zona de fereastră, şi, ca urmare, una dintre legăturile de tensiune de vibraţie este centrată la 7.8 µm, în partea superioară a ferestrei şi la aceeaşi lungime de undă ca în cazul absorbţiei metanului.

O moleculă de N2O produce un efect de încălzire globală de 206 ori mai mare decât o moleculă de CO2. La fel ca şi în cazul metanului, concentraţia atmosferică de oxid de azot a fost constantă până acum aproximativ 300 ani, când a început să crească. Nivelul a crescut de la 275 ppm (epoca preindustrială ) la 312 ppm, doar cu 13 %, iar rata de creştere anuală prezentă este de aproximativ 0.25 %, o rată care pare chiar scăzută, dar care va implica o creştere mai mare a nivelului de N2O în următorii 50 de ani decât în ultimele trei secole luate împreună. Mai puţin de 40 % din degajările curente de oxid de azot provin din surse antropogenice (umane). Cantităţile de N2O care s-au acumulat în aer, din timpul perioadelor preindustriale până în prezent, au contribuit cu aproape o treime la magnitudinea încălzirii adiţionale induse de metan.

Cea mai mare parte din contribuţiile naturale de N2O gazos provin din degajările oceanelor, iar cea mai mare parte din cantitatea rămasă provine în urma proceselor care au loc în solurile regiunilor tropicale. Gazul este un rezultat al procesului de denitrificare în mediile aerobice (bogate în oxigen) şi în procesul biologic de nitrificare (azotare) în mediile anaerobe (scăzute în oxigen). Aceste procese sunt ilustrate în figura 15.14. În procesul de denitrificare, nitrogenul (azotul) bogat oxidat, sub formă de ion de azot, este redus la forma de azot molecular N2. În procesul de azotare (nitrificare), azotul, redus la forma de amoniu

sau ion de amoniu, este oxidat în mare parte în nitrat, −

2NO sau ioni nitraţi, −

3NO . Chimic, existenţa oxidului de azot rezultat în ambele procese este simplu de explicat: din nitrificare (oxidare), în condiţiile unei prezenţe limitate a oxigenului se obţine câtva N2O, care are mai puţin oxigen decât ionul nitrat “dorit”, iar din denitrificare (reducerea), în condiţiile unui mediu bogat în oxigen, rezultă câtva N2O care are mai mult oxigen decât moleculele de azot dorite.

A fost stabilit recent ca nitrificarea este mai importantă decât denitrificarea ca sursă globală a protoxidului de azot (oxidul nitros), N2O.

În mod normal, se produc aproximativ 0.001 moli de protoxid de azot oxidat, dar aceasta valoare creşte substanţial când concentraţia amoniacului sau amoniului este ridicată şi este prezent relativ puţin oxigen. Zonele în care se depozitează materiile reziduale pot fi surse importante de protoxid de azot datorită procesului de denitrificare.

Aparent, oxidul de azot, degajat din noile terenuri cu iarbă, este în mod particular foarte important în anii care urmează arderii unei păduri. Părţi din îngrăşămintele pe bază de amoniu şi de azot folosite în agricultură, în special în zonele tropicale, sunt convertite în mod analog, printr-un efect nedorit cu siguranţă, în oxid de azot şi degajat în aer. Pădurile tropicale din zonele umede sunt, probabil,


surse naturale uriaşe ale protoxidului de azot. În 1990 s-a descoperit că producerea tradiţională, folosind acid nitric HNO3,

pentru sintetiza acidul adiptic, un material dur în prepararea naylonului, degajă mari cantităţi de protoxid de azot (N2O). Din acea perioadă producătorii de naylon au elaborat un plan pentru eliminarea emisiilor de N2O.

Fig. 15.14. Producerea protoxidului de azot în timpul ciclului biologic al azotului

Iniţial, se credea că arderea combustibilului fosil degajă protoxid de azot, ca rezultat al combinaţiei chimice dintre N2 şi O2 în aer, dar această ipoteză se baza pe experimente eronate. Acum, este cunoscut că doar atunci când combustibilul conţine azot, precum cărbunele şi biomasa, dar nu gazolinele (păcuri în special) şi gazul natural, duc la formarea N2O. Aparent N2 din aer nu intră în acest proces deloc. Oricum, o parte din NO rezultat din N2 atmosferic, în timpul arderii combustibilului în automobile, este inevitabil convertit în N2O şi este degajat în aer, mai mult decât este convertit în N2, în convertoare catalitice folosite în prezent.

Unele dintre cele mai noi catalizatoare realizate pentru folosirea la automobile, nu sunt afectate de această procedură de producere şi degajare a oxidului de azot în timpul funcţionării.

Folosirea crescută a fertilizatorilor pentru scopuri agricole totalizează probabil majoritatea emisiilor de N2O din activităţi umane.

După cum a fost menţionat anterior, nu sunt transformări ale N2O în troposferă. În schimb, tot N2O se ridică eventual spre stratosferă, unde fiecare moleculă absoarbe radiaţiile ultraviolete şi se descompune de obicei în N2 şi oxigen atmosferic, sau reacţionează cu oxigenul atomic.


15.3.6. CFC-uri şi înlocuitorii lor

Sunt compuşi gazoşi, alcătuiţi din molecule bogate în atomi de carbon, care se combină exclusiv cu atomi de fluor şi/sau clor. De menţionat că difluor-diclor-metanul, 22ClCF , este cunoscut sub denumirea comercială de freon, fiind un gaz neinflamabil şi netoxic, la temperatura obişnuită. Sub această formă a fost larg utilizat în maşinile frigorifice.

CFC-urile au probabil cel mai ridicat potenţial de a produce efect de seră dintre toate gazele, deoarece sunt foarte persistenţi şi absorb puternic lumina în banda 8÷13 µm. Absorbţia datorită legăturii F-C este centrată la 9 µm, iar “întinderea legăturii” Cl-C şi diferitele tensiuni de vibraţie unghiulare care implică atomi de carbon legaţi de halogeni, au loc la frecvenţe care se încadrează în această bandă. Cloroflorocarbonii 3CFCl şi 22ClCF au fost deja degajaţi în atmosferă în cantităţi mari şi cu o lungă rezistenţă în timp.

Datorită acestei persistenţe şi datorită înaltei eficienţe în absorbţia radiaţilor infraroşii termice, IR, în bandă, fiecare moleculă CFC are un potenţial de a cauza încălzirea globală echivalentă cu zeci de mii de molecule de CO2. Totuşi, efectul net al CFC-urilor asupra temperaturii globale este mic.

Încălzirea produsă de CFC prin redirecţionarea radiaţilor infraroşii termice este parţial eliminată de un efect separat, respectiv răcirea pe care o produc în stratosferă prin distrugerea stratului de ozon. Se reaminteşte că stratosfera este încălzită când atomii de oxigen, recent detaşaţi fotochimic din moleculele de ozon, se ciocnesc cu moleculele de O2, pentru a produce o reacţie exotermă.

Distrugerea stratului de ozon stratosferic permite mai multor radiaţii ultraviolete, UV, să ajungă în nivelurile inferioare ale atmosferei şi la suprafaţa pământului, unde să fie absorbite. Aceste fenomene au loc oricum, deoarece efectele de răcire şi de încălzire produse de CFC-uri au loc la altitudini diferite, aşa că efectul lor net asupra climei Pământului ar putea fi substanţial.

“Ironic”, folosirea CFC-urilor la aparate frigorifice şi instalaţii de aer condiţionat a redus necesităţile energetice ale acestora şi deci, au redus emisiile de CO2 rezultate din producerea energiei electrice.

După cum am discutat anterior, influenţa CFC-urilor asupra climatului în viitor va fi redusă, ca rezultat al cerinţelor Protocolului de la Montreal, care a interzis producţia viitoare a acestor compuşi în toate ţările, după 1995.

Cea mai mare parte dintre HCFC şi HFC ai CFC-urilor, cu excepţia notabilă a 143a-HFC , au o persistenţă atmosferică mai scurtă şi absorb mai puţin eficient în centrul bandei şi deci, ei prezintă o ameninţare mai scăzută din punct de vedere al efectului de seră (vezi tabelul 15.1).

Dacă nivelurile de producţie şi degajare a CFC-urilor devin ridicate în deceniile următoare datorită creşterii demografice globale, acestea vor avea contribuţii importante asupra încălzirii globale, dacă sunt degajate în aer. Pentru acest motiv, mulţi oameni de ştiinţă sunt de părere că aceste substanţe trebuie


folosite doar în sisteme închise, care nu prezintă scurgeri în atmosferă şi că aceste substanţe ar trebui recuperate din aparate, înainte de eventuala lor scoatere din funcţionare.

Prevenirea degajării cronice de gaze persistente de toate tipurile în atmosferă este acum un principiu asupra căruia au căzut de acord mulţi oameni de ştiinţă, agenţii guvernamentale şi mediile de afaceri.

15.3.7. Ozonul troposferic

Ozonul troposferic, O3, este un gaz “natural” de seră, ca şi metanul şi oxidul de azot, dar care are o persistenţă troposferică redusă. Vibraţiile asimetrice de întindere a moleculelor de ozon au loc între 9 µm şi 10 µm. Din această cauză, are loc o absorbţie a radiaţiei IR în jurul lungimii de undă de 9 µm , creând o fereastră, reprezentată în figura 15.7, datorată absorbţiei de către moleculele de ozon. Vibraţia de comprimare a ozonului are loc la 14.2 µm aproape de cea a CO2 şi deci, nu contribuie mult la intensificarea efectului de seră, deoarece dioxidul de carbon atmosferic înlătură mult din pierderile de radiaţii luminoase la această lungime de undă. Desigur, vibraţiile de întindere simetrice ale moleculelor de O3 sunt inactive în radiaţia luminoasă absorbită.

După cum a fost explicat anterior, ozonul este format în troposferă ca rezultat al poluării datorate fabricilor, vehiculelor motorizate, focurilor forestiere şi arderii incomplete a combustibililor, precum şi din procese naturale. Ca urmare a acestor activităţi umane, straturile de ozon în troposfera au crescut probabil din perioada preindustrializării până în prezent. Cea mai bună presupunere este că, aproximativ 10 % din potenţialul ridicat al încălzirii globale al atmosferei este rezultat al unei creşteri a nivelului ozonului troposferic, deşi această valoare este foarte nesigură. Cantitatea de radiaţii infraroşii termice absorbite de ozonul stratosferic a scăzut uşor, probabil datorită recentei sale descreşteri în această zonă.

15.4. Încălzirea globală În figura 15.15 sunt prezentate, [12], mediile din cursul zilei şi nopţii, la toate

latitudinile şi longitudinile şi în toate anotimpurile, ale intrărilor şi ieşirilor curente de energie ale Pământului, măsurate în W/m2 de suprafaţă.

Din cei 342 W/m2 aflaţi în afara atmosferei, 235 W/m2 sunt absorbiţi de suprafaţa şi atmosfera Pământului, fiind remise în atmosferă, atâta timp cât planeta îşi menţine o temperatură constantă. Pentru a menţine acest echilibru, 390 W/m2 sunt emişi din suprafaţa terestră, din care 155 W/m2 sunt reflectaţi înapoi de către gazele de seră şi nu sunt eliberaţi. De fapt, mult mai mult decât 155 W/m2 din radiaţiile remise de către suprafaţă sunt temporar absorbite de către gazele de seră, apoi, după o scurta perioadă de timp, sunt remise în spaţiu din diferitele straturi atmosferice.


Fig. 15.15. Fluxurile medii ale energiei globale şi sezonale de la şi către Pământ

În mod ironic, o creştere a concentraţiilor gazelor de seră este susceptibilă de a cauza o răcire a stratosferei. Acest fenomen are loc din două motive. În primul rând, mai multă lumină infraroşie termală, IR, este absorbită la altitudini joase de troposferă şi deci, mai puţină rămâne a fi absorbită şi să încălzească gazele în stratosferă. În al doilea rând, la temperaturi stratosferice CO2 emite în spaţiu mai multe radiaţii termice, IR, decât absoarbe sub formă de fotoni, iar marea parte a acestei absorbţii, la aceste altitudini, se datorează vaporilor de apă şi ozonului; în acest mod, crescându-şi concentraţia, răceşte stratosfera. Deci, răcirea observată a atmosferei, interpretată ca un semnal al efectului de seră, este doar o scădere majoră, [19].

Cele mai corecte estimări ale încălzirii sau răcirii globale, datorate modificărilor concentraţiilor gazelor care au efect de seră şi a altor factori din perioada preindustrială (anii 1850, către mijlocul anilor ’90) pentru fiecare dintre factorii discutaţi, sunt rezumate în histograma din figura 15.16, [12]. Înălţimea cadranului dreptunghiular reprezintă estimarea răcirii sau a încălzirii, în termeni de schimbare echivalentă în cantitatea luminii solare care ajunge la suprafaţă, în timp ce cadranele de eroare reprezintă intervalul de incertitudine. Deoarece nu este disponibilă nici o estimare corectă a efectelor aerosolilor este reprezentat doar un nivel al posibilelor valori.

Câteva estimări recente indică un efect de răcire directă a aerosolilor sulfaţi


care depăşesc semnificativ estimările din figura 15.16. Pe de altă parte, cel puţin un studiu recent, [19], indică faptul că aerosolii au un efect de răcire foarte mic, dar a fost subestimată răcirea datorată distrugerii ozonului atmosferic.

Fig 15.16. Estimarea încălzirii globale

S-a observat că emisiile de CO2 în atmosferă şi alte gaze, care contribuie împreună la intensificarea efectului de seră, continuă să crească în timp. Prin proiectele de cercetare care au început în anii ‘80 şi continuă în prezent, se încearcă să se anticipeze consecinţele acestor creşteri asupra climei viitoare a planetei, prin modelarea matematică şi simularea numerică computerizată.

Sunt câteva incertitudini în asemenea încercări, printre care faptul că nu înţelegem pe deplin toate sursele şi distrugerile gazelor. Mult mai important, este faptul că, nu sunt sigure semnul şi magnitudinea efectului de feedback aferent păturii de nori, aşteptată ca rezultat al încălzirii lacurilor şi oceanelor. Se apreciază, după cunoştinţele actuale că, dacă pătura de nori este în principal la altitudini mari, mecanismul de încălzire feedback va fi pozitiv, iar dacă se află în apropierea suprafeţei, mecanismul de feedback va fi negativ.

O întrebare controversată este dacă orice încălzire globală este generată de intensificarea efectului de seră. Ciclurile periodice de încălzire şi răcire au avut loc natural de-a lungul erelor. Conform simulărilor computerizate, creşterile de CO2 sau alte gaze, care au avut loc în perioadele post-preindustriale, ar fi produs o creştere măsurabilă a temperaturii medii a aerului.

Variaţiile temperaturii medii a aerului din toată lumea, în perioada 1880÷2000, sunt ilustrate prin linia oscilanta din figura 15.17 şi reprodusă de curba medie din această figură, [2]. Temperaturile medii globale sunt raportate la valoarea din 1860. Linia frântă continuă reprezintă temperaturile măsurate, în timp ce curbele continui reprezintă simulările computerizate ale schimbărilor climatice


datorate gazelor cu efect de seră. Curba continuă include efectul aerosolilor de sulf, iar cea întreruptă nu.

Fig. 15.17.Temperaturile medii globale ale suprafeţei Pământului

Între anii 1910 şi 1940 a avut loc, în mod cert, o creştere de aproximativ 0.4 ºC, înainte de influenţa combustibilului fosil asupra creşterii. De asemenea, au avut loc creşteri de aproximativ aceeaşi magnitudine începând de la mijlocul anilor ’70 şi doar o schimbare minoră având loc în perioada dintre aceste doua creşteri. De menţionat că, în figura 15.3 sunt arătate în detaliu schimbările care au avut loc în temperatura aerului în ultimi ani. Se observă că anul 1997 a fost cel mai cald an, înregistrându-se un record. Deoarece variaţiile naturale ale temperaturii înregistrate în trecut sunt de acelaşi ordin de magnitudine ca şi acelea care au avut loc recent, este o certitudine că toate, sau o parte din creşterile înregistrate în ultimii 100 de ani, pot fi atribuite intensificării efectului de seră.

S-a exprimat ipoteza că, [19], încălzirea sau răcirea globală care a avut loc de-a lungul ultimului secol, de circa o jumătate de grad Celsius, apare o dată sau de doua ori în decursul unui mileniu şi că există o probabilitate de 80÷90 % ca creşterea înregistrată în sec. XX-lea să nu fie datorată fluctuaţiei climatice naturale.

Curba discontinuă din figura 15.17 ilustrează reconstrucţia regresivă, realizată cu ajutorul simulărilor computerizate, a tendinţelor temperaturii care ar fi avut loc datorită creşterii gazelor cu efect de seră şi a aerosolilor atmosferici în perioada 1870÷2000. Curba simplă ilustrează rezultatele simulărilor analizelor, ignorând aerosolii. Concordanţa dintre trendurile calculate şi cele observate ale temperaturii nu este cantitativă, fapt datorat, în parte, influenţei fluctuaţiilor naturale. Oricum, deşi oscilaţiile anuale rămân inexplicabile, magnitudinea creşterii generale a temperaturii observate, aplatisarea temporară sau scăderea care a avut loc între începutul anilor ‘40 şi mijlocul anilor ’70, precum şi creşterile rapide înregistrate în ultimele două decenii, sunt puse pe seama erorilor simulării, care include şi efectele aerosolilor. Pe baza unor consideraţii ca acestea, IPCC (Interguvernamental Panel on Climate Change Group), de sub egida Naţiunile Unite, a conchis în 1995 că “luarea în consecinţă a efectelor vizibile, sugerează că


există o influenţă umană perceptibilă asupra climei globale”, [20]. Simularea subestimează încălzirea din perioada 1920÷1940, dar o surprinde

bine pe cea recentă. În aplatisarea dintre 1940÷1970, efectele de încălzire ale creşterilor concentraţiilor gazelor de seră asupra temperaturii aerului au fost determinate aparent de către efectele de scut ale concentraţilor ridicate de aerosoli.

Unii sceptici au arătat că realitatea pusă în discuţie pentru justificarea faptului că încălzirea globală a început se referă doar la temperaturile aerului la suprafaţa Pământului, dar că datele obţinute de la sateliţi indică faptul că troposfera inferioară, ca întreg, s-a răcit mai degrabă decât să se încălzească. Oricum, unii oameni de ştiinţă au făcut ipoteza că această răcire nu este ceea ce pare a fi şi că apare datorită problemelor generate din comasarea datelor primite de la doi sateliţi diferiţi, prezentând mărimi sensibil diferite. Ca baza a scepticismului lor, criticii ipotezei încălzirii globale pretind că o mare parte din vaporii de apă adiţionali produşi din încălzirea generată de CO2 nu se va ridica în troposferă şi, deci, acţiunea lor va fi limitată la suprafaţă.

Alt fapt care indică existenţa încălzirii globale este că primăvara începe acum în emisfera nordică cu o săptămână mai devreme decât în anii ‘70. De exemplu, în Alaska şi în nord-vestul Canadei, media temperaturilor a crescut în ultimul timp cu un grad pe deceniu, concretizându-se printr-o dată incipientă gradual, crescută, a ultimului îngheţ şi o semnificativă topire a calotei glaciare. În plus, anii ‘80 au fost cei mai umezi pentru latitudinile nordice de 50 º, în conformitate cu predicţiile modelelor de climă. Există, de asemenea, unele evidenţe indirecte ale creşterii temperaturii medii, precum creşterea nivelelor mărilor, înălbirea recifurilor de corali şi retragerea straturilor de gheaţă şi a gheţarilor.

Intensificarea efectului de seră datorată creşterilor în cantitate a metanului, N2O, ozonului şi CFC-urilor, este în prezent la fel de mare ca şi cea rezultată din creşterea de CO2. Pentru a sintetiza în mod convenţional efectele de creştere a temperaturii datorate tuturor gazelor cu efect de seră, printr-un singur indicator, a fost introdus conceptul de concentraţie efectivă (sau echivalentă) de CO2. Pentru această scală, se consideră că creşterile care au avut loc în concentraţia gazelor de seră (altele decât CO2), începând din perioada preindustrială, reprezintă schimbarea globală de temperatură care ar rezulta din aceste creşteri şi reduce creşterea adiţională în concentraţia de CO2 care ar produce acelaşi efect. Suma concentraţiei actuale de CO2 şi a celei echivalente creşterilor celorlalte gaze reprezintă concentraţia efectivă de CO2. Valoarea acestui parametru este în prezent mai mare decât 400 ppm, deoarece celelalte gaze au adăugat echivalentul a aproximativ 50 ppm de CO2 la concentraţia anuală de 365 ppm. Dacă trendul curent se menţine, atunci concentraţia efectivă de CO2 va fi în anul 2025 dublă celei a perioadei preindustriale (de 280 ppm), deşi concentraţia reală de CO2 nu se va dubla decât aproximativ prin 2100.

Ar trebui conştientizat faptul că, încălzirea globală indusă de gazele cu efect de seră nu este neapărat liniară, raportată la concentraţiile lor.

11 66 .. SS TT RR AA TT UU LL DD EE OO ZZ OO NN

16.1. Fenomene fizico-chimice în stratul de ozon Stratul de ozon este o regiune a atmosferei numită şi “Paravanul natural de

soare al Pământului”, fiind un filtru pentru razele ultraviolete (UV), înainte ca acestea să ajungă pe suprafaţa Pământului şi să provoace pagube oamenilor sau altor forme de viaţă. Orice reducere a cantităţii de ozon din aer ar deveni o ameninţare pentru orice formă de viaţă existentă pe Pământ. Astfel că apariţia la mijlocul anilor 1980, a unui mare gol în stratul de ozon deasupra Antarcticii a reprezentat o mare criză a mediului înconjurător.

Ozonul, O3, este un gaz (având punctul de fierbere la 112 ºC) care este prezent în concentraţii mici peste tot în atmosferă. Întreaga cantitate aeriană de ozon atmosferic în orice punct al său, este frecvent exprimată în unităţi Dobson (DU); o unitate Dobson este echivalentă cu 0.01 mm (0.001 cm) de strat de ozon pur, aflat la densitatea la care l-am putea deţine dacă l-am aduce la presiunea de 1 atm şi temperatura de 0 ºC. Unii autori folosesc centimetrul miliatmosferic care este echivalent cu o unitate Dobson pentru a măsura cantitatea din ozonul aerian; 1 matm = 1 cm = 1 DU. Cantitatea normală de ozon aerian este de circa 350 DU; astfel că, dacă tot ozonul ar fi coborât la un nivel mai jos, stratul de ozon pur ar avea o grosime de doar 3.5 mm. Datorită vânturilor stratosferice, ozonul este transportat din regiunile tropicale, unde este produs în cantităţi destul de mari, spre regiunile polare.

Cu cât ne aflăm mai aproape de ecuator, cu atât mai puţin ne va proteja stratul de ozon de razele ultaviolete. Concentraţia ozonului la tropice este în medie de 250 DU, faţă de zonele subpolare, unde media este de 450 DU, exceptând găurile care apar în stratul de ozon în aceste regiuni.

Concentraţiile de ozon au variaţii foarte mari de la anotimp la anotimp, înregistrând un nivel foarte înalt primăvara şi scăzut în restul anului, aşa cum este ilustrat în figura 16.1, [1].

Găurile de ozon din Antarctica au fost descoperite de Dr. Joe C. Farman şi colegii săi de la British Antarctic Survey. Ei au înregistrat prezenţa straturilor de ozon în această regiune încă din anul 1957. Aceste date indică faptul că întreaga cantitate de ozon a crescut până în octombrie, după care a început să scadă începând cu anii 1970, fapt ilustrat în figura 16.2, [2]. Lunile septembrie-noiembrie corespund primăverii la Polul Sud, anotimp în care noaptea ţine 24 de ore foarte friguroase.

Pe la mijlocul anilor 1980, Antarctica, în anotimpul de primăvară pierduse din cantitatea de ozon cam 50 %, din cât avea iniţial. Astfel, putem vorbi despre găurile formate în stratul de ozon apărute în anotimpul de primăvară în Antarctica de ceva timp încoace.

Stratul de ozon 273

În medie, suprafaţa Pământului este acoperită de găuri în stratul de ozon. O imagine a acestei situaţii o constituie America de Nord (vezi figura 16.3.), [2].

Fig. 16.1. Variaţia concentraţiei de ozon în timpul unui an

Fig. 16.2. Concentraţia minimă de ozon în decursul anilor


Fig. 16.3. Variaţia anuală a grosimii stratului de ozon deasupra Americii de Nord

Mulţi ani, de la descoperirea găurilor în stratul de ozon, nu a fost clar dacă acestea sunt fenomene naturale produse de fenomene meteorologice sau mecanisme chimice, determinate de poluanţii din aer. Substanţa chimică suspectă a fost clorul, produs în special sub formă de gaz eliberat în aer în cantităţi mari, dar se considera că acest clor va distruge statul de ozon numai în cantităţi mici şi numai după trecerea unor ani. Descoperirea găurilor de ozon din Antarctica a venit ca o surpriză mare pentru toţi, [3,4,5,6]. Ozonul a început să dispară nu numai din aerul de deasupra Antarcticii, ci şi din întreaga lume, [7,8,9]. Extinderea dispariţiei ozonului asupra întregii lumi este reprezentată în figura 16.4, [9], care prezintă schimbările produse în întreaga concentraţie de ozon, dar nu şi în regiunile polare.

Fig. 16.4. Variaţia în timp a stratului de ozon

Pierderile de ozon sunt în valoare de 3% pentru fiecare decadă a anului, iar în latitudinea nordică ajung, în sezonul de primăvară, la 9 %. Aici sunt goluri şi vara,

Stratul de ozon 275

când oamenii sunt expuşi soarelui la maximum. De exemplu, nivelul stratului de ozon în Toronto, în luna iulie era scăzut cu 12 % faţă de valorile din 1980.

O imagine a stratului de ozon din 2 iulie 2001, conform datelor NASA de pe situl http://jwocky.nasa.gov este redată în figura 16.5.

Fig. 16.5. Stratul de ozon la nivel planetar

Concentraţiile de ozon şi temperaturile medii la altitudini mai mari de 70 de kilometri de Pământ sunt prezentate în figura 16.6.

Fig. 16.6. Variaţia cu altitudinea a concentraţiei de ozon şi a temperaturii


16.2. Absorbţia luminii de către molecule Variaţia concentraţiei de ozon este determinată de energia asociată cu lumina

solară. De aceea, vom începe prin a investiga relaţia dintre absorbţia luminii de către molecule şi activitatea rezultată, sau energia moleculelor care permit reacţiile chimice.

Absorbţia luminii o percepem în culoare pe domeniul de lungime de undă a spectrului vizibil, de la 400 nm (lumina violetă), la 750 nm (lumina roşie), un nanometru fiind echivalentul a 10-9 metri. Substanţele diferă foarte mult între ele, prin proprietatea lor de a absorbi lumina în funcţie de lungimea de unda, datorită diferenţelor dintre nivelurile de energie ale electronilor săi. Oxigenul molecular, O2, nu absoarbe lumina vizibilă, dar absoarbe anumite tipuri de lumină ultravioletă (UV), care emite radiaţii electromagnetice cu lungimi de undă între 50 nm şi 400 nm. Cea mai relevantă reprezentare a spectrului electromagnetic este ilustrată în figura 16.7.

Fig. 16.7. Spectrul radiaţiei electromagnetice

Regiunea razelor ultraviolete, notată UV, începe de la marginea violetă a regiunii vizibile şi continuă până la regiunea razelor X. Spre sfârşitul spectrului, începând cu porţiunea roşie a regiunii vizibile, apar razele infraroşii (IR), care devin foarte importante în discuţia privind efectul de seră.

Un spectru absorbant ca cel ilustrat în figura 16.8, [8], este o reprezentare grafică ce prezintă relativitatea fracţiilor de lumină care pot fi absorbite de diferite tipuri de molecule în funcţie de lungimile de undă ale acestora. Aici, absorbţia

Stratul de ozon 277

luminii de către moleculele de oxigen se face în regiunea UV între 70 nm şi 250 nm; cantităţi minuscule sunt absorbite şi peste 250 nm, dar nu sunt vizibile. Absorbţia selectivă este observată la molecule şi atomi, depinzând de structura speciei şi de nivelul de energie al electronilor.

Fig. 16.8. Spectrul absorbţiei O2

Ca rezultat al acestor caracteristici ale absorbţiei, oxigenul molecular, O2, poate fi caracterizat ca un filtru al stratosferei pentru lumina ultravioletă de la 120 nm la 220 nm; restul luminii în această regiune este filtrată de O2 şi alţi constituenţi ai aerului, precum N2. Totuşi, lumina ultravioletă are lungimi de undă mai mici de 220 nm la suprafaţa Pământului, protejând pielea şi ochii. O2 este considerat filtru, dar nu pentru tipurile de lumină ultravioletă, cu lungimi de undă între 220 nm şi 240 nm.

Lumina ultravioletă, cu lungimi de undă între 220 nm şi 320 nm, este filtrată din lumina solară, mai precis de moleculele de ozon, O3, care se află distribuite la mijlocul şi marginea stratosferei. Absorbţia spectrului de ozon, pe această lungime de undă, este descrisă în figura 16.9. Ozonul ajută oxigenul, care are lungimi de unde scurte, să filtreze lumina ultravioletă emisă de soare între 220÷290 nm, cu suprapuneri în regiunea 200÷280 nm, cunoscută sub numele de UV-C.

Ozonul poate absorbi numai fracţiuni din lumina ultravioletă emisă de soare, între nivelurile 290÷320 nm şi acest lucru se poate deduce din figura 16.9, unde este evident că lumina absorbită la diferite niveluri este într-adevăr limitată. Cantitatea rămasă de lumină solară la aceste niveluri, de la 10 % până la 30 %, penetrează straturile spre suprafaţa Pământului. Aşadar, ozonul nu este destul de eficient în a ne proteja de lumina regiunii UV - B, aceasta fiind definită între 280÷320 nm.

Deoarece nici ozonul, nici un oricare alt constituent al atmosferei nu efectuează o absorbţie semnificativă a razelor UV – A, între 320÷400 nm, cele mai


multe dintre acestea penetrează spre suprafaţa Pământului.

Fig. 16.9. Spectrul absorbţiei O3

Efectul oxigenului diatomic şi al ozonului în a proteja atmosfera de razele UV din lumina solară este ilustrat în figura 16.10. Curba din stânga corespunde intensităţii luminii primite de atmosfera Pământului, iar curba din dreapta corespunde luminii transmise spre troposferă.

Separarea verticală a curbelor cu ajutorul lungimilor de undă, corespunde cantităţii de lumină absorbită de stratosferă şi alte regiuni ale atmosferei.

Stratul de ozon 279

Fig. 16.10. Intensitatea luminoasă relativă, funcţie de lungimea de undă

16.3. Consecinţe ale găurilor din stratul de ozon Reducerea concentraţiei de ozon în stratosferă permite unei cantităţi mai mari

de raze ultraviolete să penetreze spre suprafaţa Pământului. Reducerea cu 1 % a concentraţiei de ozon conduce la creşterea cu 2 % a intensităţii razelor UV-B.

Această creştere a intensităţii razelor UV-B constituie principala cauză ce determină găurile în stratul de ozon.

Expunerea la UV-B produce grave afecţiuni ale pielii oamenilor, iar supraexpunerea conduce la apariţia cancerului de piele.

Cantităţi crescute de raze UV-B au efect negativ asupra sistemului imunitar al oamenilor, dar şi al plantelor şi animalelor.

Logaritmul incidentelor, funcţie de intensitatea anuală a radiaţiei ultraviolete, se prezintă în figura 16.11.


Fig. 16.11. Dependenţa incidentelor de intensitatea anuală a radiaţiei ultraviolete

Apar, de asemenea, multe efecte biologice, deoarece razele UV-B pot fi absorbite de moleculele ADN. Comparând variaţia lungimilor de undă a razelor UV-B şi intensitatea cu care acestea sosesc pe suprafaţa Pământului, cu caracteristicile moleculelor ADN (figura 16.12), putem concluziona că efectele dăunătoare ale absorbţiei luminii solare se produc la circa 300 nm.

Fig. 16.12. Efectul radiaţiilor asupra ADN-ului

Într-adevăr, experienţa indică faptul că absorbţia maximă a luminii solare, suportată de piele, se face la 300 nm.

Stratul de ozon 281

Alte efecte negative ale radiaţiilor ultraviolete asupra oamenilor se manifestă prin apariţia cataractelor şi a deficienţelor de retină. O creştere cu 10 % a radiaţiilor ultraviolete, UV-B, conduce la creşterea cu 6 % a cataractelor la persoanele de peste 50 de ani.

Totodată, creşterea radiaţiilor UV-B reduce eficienţa sistemului imunitar, ceea ce conduce la creşterea incidenţei la infecţii de orice natură.

Se consideră (fără a fi foarte bine cercetat) că, creşterea intensităţii radiaţiilor ultraviolete UV-B conduce la o reducere a eficienţei fotosintezei, ceea ce se traduce prin reducerea producţiei de fructe, cereale şi legume.

Acelaşi risc de reducere a fotosintezei este întâlnit şi la planctonul din mări şi oceane, astfel că, reducerea formării acestuia afectează buna desfăşurare a întregii vieţi acvatice.

16.4. Principii de fotochimie Albert Einstein a fost primul care a demonstrat că lumina nu este doar un

fenomen de undă, ci are şi proprietăţi asemănătoare particulelor, prin faptul că poate fi absorbită sau emisă ca materie doar în cantităţi finite, numite fotoni. Energia E a fiecărui foton este determinată de frecvenţa ν şi de lungimea de undă λ prin formula:

c, deoarece =ν⋅λλ⋅=⇔ν⋅= chEhE

( 16. 1)

în care h = 6.626218x10-34 J.s este constanta lui Plank, iar c= 2.997925x108 m/s este viteza luminii.

Din ecuaţie rezultă că, cu cât este mai scurtă lungimea de undă a luminii, cu

atât este mai mare energia transformată în materie, atunci când este absorbită. Lumina ultravioletă deţine cea mai mare parte din conţinutul energiei, lumina vizibilă are o energie intermediară, iar lumina infraroşie are un conţinut mic de energie. Mai departe, UV-C are o energie mai mare decât UV-B, care la rândul ei este mai mare decât UV-A.

Pentru a simplifica, produsul ch ⋅ în ecuaţia de mai sus poate să fie evaluat pe o bază molară, pentru a se reduce la o formulă simplă, determinată de energia absorbită de 1 mol de materie, când fiecare moleculă absoarbe un foton cu o lungime de undă a luminii oarecare. Dacă lungimea de undă este exprimată în nanometri, valoarea lui ch ⋅ este 119.627 kJ mol-1 nm, deci ecuaţia devine:

,627.119 λ=E

(16. 2)

unde energia E este exprimată în kJ/mol. Energia fotonică pentru lumină, în UV, şi în regiunile vizibile, are acelaşi

ordin de mărime, în timp ce entalpia (căldura), 0H∆ , a reacţiilor chimice se

schimbă, incluzând şi situaţiile în care atomii se disociază de molecule.


De exemplu, disocierea oxigenului molecular, în forma sa monoatomică, cere o schimbare a entropiei de 495 kJ/mol:

O2 → 2Ο 0H∆ =495 kJ/mol

Oxigen molecular Oxigen atomic (16. 3)

De reţinut că 0H∆

reprezintă schimbarea entalpiei, determinată în condiţii

normale. Pentru o bună aproximare, 0H∆ , pentru o reacţie de disociere, este egală

cu energia cerută pentru a produce reacţia în condiţii normale de presiune şi temperatură. Deoarece energia trebuie dată de către un singur foton pe moleculă (aşa cum se va vedea mai jos), lungimea de undă corespunzătoare pentru lumină este:

nm 241molkJ 495

nmmolkJ 627.119=

⋅=λ

(16. 4)

De aceea, orice moleculă de O2 care absoarbe un foton din lumină cu o lungime de undă mai scurtă de 241 nm, are suficientă energie în exces pentru a se disocia,

( ) O 2 nm 241foton UVO2 →<+ λ

(16. 5)

Dacă energia sub formă de lumină iniţiază o reacţie, această reacţie este numită reacţie fotochimică. Molecula de oxigen din reacţia de mai sus a fost disociată fotochimic, descompusă fotochimic sau a trecut printr-o fotoliză.

Moleculele care absorb lumina (de obicei în domeniul razelor ultraviolete, vizibile, sau în anumite cazuri în regiuni infraroşii), trec în mod imediat printr-o schimbare a organizării electronilor lor; se spune despre ele că sunt într-o stare temporală, numită excitaţie statică şi pentru a indica aceasta, formula lor este urmată de un asterisc ca exponent (*).

Oricum, în general, moleculele nu rămân în această stare de excitaţie şi, de aceea, nu reţin excesul de energie adus de către foton pentru foarte mult timp. Într-o fracţiune de secundă, electronii aranjaţi pe straturi energetice mai mici (mai stabile) trebuie, ori să folosească această energie pentru a reacţiona fotochimic, ori să se întoarcă la starea lor generală, ori să emită ei înşişi un foton sau să convertească excesul de energie în căldură. De aceea, moleculele, în mod normal, nu pot acumula energie de la mai mulţi fotoni până când nu au primit suficientă energie pentru a reacţiona; tot excesul de energie cerut pentru a determina o reacţie în mod normal, trebuie să vină de la un singur foton.

Prin urmare, lumina care are nm 241<λ poate rezulta din disocierea O2, dar lumina cu o lungime de undă mai mare nu conţine totuşi suficientă energie pentru a provoca o reacţie, la o anumită lungime de undă, poate fi absorbită de moleculă (vezi figura 16.8).

În cazul unei molecule de O2, energia dintr-un foton cu nm 241<λ poate,

Stratul de ozon 283

dacă este absorbită temporar, să conducă moleculele la o stare de excitaţie, dar energia este rapid convertită la o creştere în energia de mişcare a ei şi a moleculelor care o înconjoară,

( ) cãlduraO O nm 241foton O 222 +→→>λ+ *

(16. 6)

Bineînţeles că, pentru ca un foton să dea toată energia necesară pentru a determina o reacţie, este necesar să fie absorbit de o moleculă. Aşa cum putem deduce din exemplele de absorbţie spectrală ale O2 şi O3 (figura16.8 şi figura

16.9), există multe regiuni de lungimi de undă în care moleculele pur şi simplu nu absorb destulă lumină. Deoarece moleculele de ozon nu absorb lumină vizibilă mai aproape de 400 nm, lumina strălucitoare nu rezultă din descompunerea lor, chiar dacă fotoni de 400 nm poartă suficientă energie pentru a disocia, formând oxigen atomic şi molecular. Aşa cum s-a prezentat mai sus, faptul că moleculele unei substanţe absorb fotoni de o anumită lungime de undă, aceştia având suficientă energie pentru a determina o reacţie, nu înseamnă că reacţia va avea loc neapărat; energia fotonului poate fi deviată de moleculă în alte procese, care au trecut prin starea de excitaţie. De aceea este necesară existenţa luminii cu suficientă energie protonică, dar nu este o condiţie suficientă pentru ca reacţia să aibă loc.

16.5. Crearea şi distrugerea noncatalitică a ozonului Se analizează formarea ozonului în stratosferă şi distrugerea acestuia prin

procese noncatalitice. Aşa cum am văzut, reacţia de formare generează suficientă căldură pentru a determina temperatura din această regiune a atmosferei. Deasupra stratosferei aerul este atât de rarefiat iar concentraţia de molecule este atât de scăzută, încât majoritatea oxigenului există în stare atomică. Fotonii din lumina solară UV-C disociază O2. Eventuala ciocnire a atomilor de oxigen între ei conduce la reformarea moleculelor de O2, care ulterior se disociază fotochimic, când este absorbită mai multă lumină.

În stratosferă, intensitatea luminii UV-C este mai mică, deoarece este filtrată de către oxigenul care este deasupra lui şi totodată aerul este mai dens, iar concentraţia de oxigen molecular este mai mare. Din aceste motive, majoritatea oxigenului stratosferic există mai mult ca O2 decât ca oxigen atomic. Deoarece concentraţia de O2 este mai mare, iar concentraţia de oxigen atomic este mai mică, majoritatea atomilor de oxigen stratosferic, creat prin descompunerea fotochimică a O2, se vor ciocni ulterior cu molecule de oxigen diatomic intacte, nedisociate, cu producere de ozon, după reacţia:

cãldura O O O 32 +→+

(16. 7)

Într-adevăr, această reacţie este sursa întregului ozon din stratosferă. În timpul zilei, ozonul este format în mod constant prin acest proces, a cărui rată


depinde de cantitatea de raze ultraviolete, UV, şi de concentraţia de atomi de oxigen şi molecule la o anumită altitudine. La baza stratosferei, abundenţa de O2 este mult mai mare decât la vârful ei, deoarece densitatea aerului creşte în mod progresiv, cu cât se apropie de suprafaţă. Oricum, relativ puţin din oxigenul de la acest nivel este disociat şi de aceea este format puţin ozon, în special datorită faptului că majoritatea energiei razelor ultraviolete a fost filtrată din lumina solară, înainte de a ajunge la această altitudine. Din acest motiv, stratul de ozon nu se întinde mai jos de nivelul stratosferei şi chiar ozonul prezent în straturile mai joase ale stratosferei a fost format la altitudini mai înalte şi a fost transportat apoi aici.

În contrast, la vârful stratosferei intensitatea UV-C este mai mare, dar, datorită faptului că aerul este mai rarefiat, se produce relativ puţin ozon, deoarece atomii de oxigen se ciocnesc şi mai repede reacţionează împreună, decât cu molecule de O2 intacte.

În consecinţă, densitatea de ozon atinge maximul acolo unde intensitatea de UV-C şi concentraţia de O2 sunt maxime. Această densitate maximă a ozonului are loc deasupra zonei tropicale, la o înălţime de circa 25 km, deasupra latitudinii medii la circa 21 km, iar deasupra zonelor sub-artice, la 18 km. Majoritatea ozonului este localizat în diversele regiuni între 15 şi 35 km, în zona joasă şi mijlocie a stratosferei, numită şi stratul de ozon (vezi figura 16.6).

O a treia moleculă, pe care o vom nota cu M, de exemplu N2, este necesară pentru a prelua căldura emisă de coliziunea dintre oxigenul atomic şi O2 atunci când se produce ozonul. De aceea, reacţia de mai sus poate fi scrisă mult mai real ca:

cãldurã M O M O O 32 ++→++

(16. 8)

Eliberarea de căldură din această reacţie face ca temperatura stratosferei să fie mai mare decât a aerului de deasupra sau de dedesubt, aşa cum este indicat în figura 16.6. Din această diagramă se observă că, în stratosferă, aerul de la o anumită altitudine este mai rece decât cel de jos. Numele pe care acest fenomen îl are, în general, este de inversiune a temperaturii. Deoarece aerul rece este mai dens decât aerul cald, nu se ridică în mod spontan, datorită forţei gravitaţiei; în consecinţă, amestecarea aerului pe verticală în stratosferă este un proces mult mai încet, în comparaţie cu cel care se petrece în troposferă. De aceea, aerul în această regiune este stratificat, de unde şi numele de stratosferă.

Rezultatele arată că fotonii de lumină din aria vizibilă, chiar şi din aria infraroşie a luminii solare, posedă suficientă energie pentru a despărţi un atom de oxigen dintr-o moleculă de O3. Oricum, asemenea fotoni nu sunt absorbiţi în mod eficient de către moleculele de ozon şi disocierea lor de către o astfel de lumină nu este foarte importantă. Dar, aşa cum am observat mai înainte, ozonul absoarbe în mod suficient lumina UV cu o lungime de undă mai scurtă de 320 nm şi starea de excitaţie astfel produsă trece într-o reacţie de disociere. De aceea, absorbţia unui foton UV-C sau a unui foton UV-B de către o moleculă de ozon în stratosferă

Stratul de ozon 285

rezultă din descompunerea acelei molecule, acesta fiind motivul distrugerii ozonului în regiunea atmosferei:

O3 + UV foton (λ < 320 nm) → O2∗ + O∗ (16. 9)

Atomii de oxigen, produşi în reacţia ozonului cu lumina UV, au o configuraţie electronică, care diferă de aceia care au o energie mai mică şi, deci, se află într-o stare electronică de excitaţie; moleculele de oxigen, de asemenea, sunt produse într-o stare de excitaţie. Dacă un atom de oxigen excitat nu reacţionează imediat în urma ciocnirii cu un atom sau o moleculă potrivită, îşi pierde energia de excitaţie şi devine un atom de oxigen, simbolizat O.

Majoritatea atomilor de oxigen produşi în stratosferă prin descompunerea fotochimică a ozonului sau a O2, reacţionează ulterior cu molecule intacte de O2, pentru a reforma ozonul.

Anumiţi atomi de oxigen reacţionează cu molecule de ozon intacte pentru a le distruge prin conversie la O2:

O3 + O → 2O2 (16.10)

Această reacţie este oricum înceată, deoarece energia ei de activare, de 18 kJ/mol, este una sesizabilă, rezultatul fiind acela că puţine ciocniri care au loc au suficientă energie pentru a rezulta din reacţie.

Pentru a concluziona, ozonul din stratosferă este în mod constant format, descompus şi reformat de-a lungul orelor de lumină din timpul zilei, datorită unei serii de reacţii care au loc în mod simultan. De exemplu, durata medie de viaţă a unei molecule de ozon, la o altitudine de 30 km, este de aproximativ o jumătate de oră. Ozonul este produs în stratosferă, deoarece aici există UV-C din lumina solară pentru a disocia anumite molecule de O2 şi astfel, să poată produce atomi de oxigen, majoritatea dintre ei ciocnindu-se cu alte molecule de O2 , formând astfel ozonul.

Gazul de ozon filtrează UV-B şi UV-C din lumina solară, dar este distrus temporar de către acest proces sau de reacţia cu alţi atomi de oxigen. Ozonul nu poate fi format mai jos de stratosferă, datorită lipsei de UV-C necesare pentru a forma O3 , deoarece acest tip de lumină solară a fost absorbită de O2 şi de către O3 în stratosferă. Deasupra stratosferei predomină atomii de oxigen care, în mod obişnuit, se ciocnesc cu alţi atomi de oxigen pentru a forma O2.

Producerea de ozon şi distrugerea acestuia, aşa numitul ciclu Chapman, este prezentat în figura 16.13.

Seria paşilor acestor reacţii simple, prezentate în schemă, arată cum decurge un proces chimic general, asemenea producerii sau distrugerii de ozon, ce are loc la nivel molecular şi este numit mecanism de reacţie.

Recent, a fost propus un mecanism suplimentar care poate produce ozon în straturile înalte ale stratosferei, dar nu a fost acceptat de către toţi specialiştii care


studiază atmosfera ca având o contribuţie semnificativă la producerea ozonului.

Fig. 16.13. Ciclul Chapman

Chiar şi în stratul de ozon din stratosferă, O3 nu este gazul cu cea mai mare abundenţă sau care să fie specia dominantă ce conţine oxigen, deoarece concentraţia sa relativă nu este niciodată mai mare de 10 ppm. De aceea, termenul de ,,strat de ozon’’ este o interpretare greşită într-un anumit fel. Oricum, această concentraţie mică de ozon este suficientă pentru a filtra toate UV-C care au rămas şi majoritatea UV-B care au rămas din lumina solară, înainte ca acestea să atingă partea de jos a atmosferei. Poate că folosirea numelui de ,,ecran de ozon’’ este mult mai adecvată decât cea de ,,strat de ozon’’.

16.6. Distrugerea ozonului prin procese catalitice

Mecanisme de distrugere catalitică

La începutul anului 1960 s-a realizat că există mecanisme suplimentare care duc la distrugerea ozonului faţă de procesele descrise mai sus. În particular, există un anumit număr de atomi şi de specii de molecule notate în general cu X, care reacţionează eficient cu ozonul, îndepărtând un atom de oxigen din el:

X + O3 → XO + O2 (16.11)

În acele regiuni ale stratosferei, unde concentraţia de oxigen atomic este apreciabilă, moleculele de XO reacţionează ulterior cu atomii de oxigen pentru a produce O2 şi pentru a reforma X:

XO + O → X + O2 (16.12)

Reacţia generală corespunzătoare unui astfel de mecanism poate fi obţinută prin însumarea algebrică a paşilor succesivi a mecanismului care se repetă după acelaşi timp.

În cazul mecanismului de mai sus, reactanţii din cei doi paşi sunt adăugaţi împreună şi devin reactanţii reacţiei generale, simultan, pentru producerea celor doi

Stratul de ozon 287

paşi:

X + O3 + XO + O → XO + O2 + X + O2 (16.13)

Moleculele care sunt comune ambelor părţi ale ecuaţiei reacţiei, în acest caz X şi XO, sunt anulate şi termenii comuni sunt colectaţi, reducându-se balanţa reacţiei generale la:

O3 + O → 2O2 (16.14)

De aceea, categoriile notate cu X sunt catalizatori pentru distrugerea ozonului în stratosferă, deoarece ei măresc rapiditatea reacţiei (aici, între O3 şi O), dar sunt eventual reformaţi în mod intact şi sunt capabili să reînceapă din nou ciclul, în acest caz cu distrugerea mai departe a moleculelor de ozon. Aşa cum s-a prezentat anterior, reacţia generală care are loc ca o simplă ciocnire între molecule de ozon şi atomi de oxigen, în absenţa unui catalizator, face ca aproape întotdeauna aceste ciocniri directe să fie ineficiente în a produce reacţia. Catalizatorii X măresc foarte mult eficienţa acestei reacţii. Toate problemele privind mediul înconjurător şi deprecierea stratului de ozon apar datorită faptului că în stratosferă a crescut concentraţia mai multor catalizatori X, care au fost eliberaţi la nivelul pământului din anumite gaze, în special cele conţinând clor. O astfel de creştere a concentraţiei catalizatorilor duce la o reducere a concentraţiei ozonului în stratosferă prin mecanismul arătat mai sus.

Distrugerea ozonului prin mecanismul catalitic prezentat şi denumit „mecanismul 1”, are loc în zona mijlocie şi superioară a stratosferei, unde concentraţia de ozon este mai mică la început. Din punct de vedere chimic, toţi catalizatorii X sunt radicali liberi, adică sunt atomi sau molecule conţinând un număr impar de electroni. Ca o consecinţă a numărului impar, un electron nu formează legătură cu altul de pe spinul opus (astfel de pereche însă formează toţi electronii care sunt în molecule stabile). Radicalii liberi, de obicei, sunt foarte activi, deoarece există o forţă care determină formarea de perechi de electroni de pe un spin opus, chiar dacă acesta este localizat într-o moleculă diferită. Pentru a

indica dacă o specie moleculară este un radical liber, pe viitor vom nota cu • la sfârşitul formulei moleculare, astfel semnalând prezenţa unui electron nepereche;

de exemplu vom folosi notaţia ⋅OH pentru a indica radicalul liber hidroxil. Distrugerea catalitică a ozonului are loc chiar şi într-o atmosferă curată, una

nepoluată artificial prin contaminare, deoarece o cantitate mică de catalizatori X se găseşte prezentă şi în stratosferă. O versiune naturală a catalizatorului X, care este responsabil de distrugerea catalitică a ozonului într-o zonă nepoluată a stratosferei,

este radicalul liber al moleculei de oxid nitric, •NO , care este produs când oxidul nitros N2O, se ridică din troposferă către stratosferă unde se poate ciocni cu un atom de oxigen excitat, produs prin descompunerea fotochimică a ozonului.

Majoritatea acestor ciocniri va rezulta din N2 + O2 , dar un mic număr va


apărea în urma reacţiei:

•→+ NO 2 OON *2

(16.15)

Putem ignora posibilitatea că •NO produs în troposferă va migra în stratosferă, deoarece acest gaz oxidează eficient în acid nitric, de unde este spălat rapid din troposferă, fiind solubil în apă.

Moleculele de •NO care sunt produsul reacţiei de mai sus, distrug catalitic ozonul prin extragerea unui atom de oxigen din acesta, formând dioxid de nitrogen

•2NO ; de exemplu, ele acţionează, ca şi catalizatori X, în mecanismul descris mai

jos:

23

22

23 O 2 OOONO ONO

NO ONO→+⇒

+→+

→+••

••

(16.16)

De reţinut că rata paşilor individuali în mecanismele de reacţie poate fi calculată din concentraţia reactanţilor şi din viteza constantă, k, a fiecărui pas.

Deoarece există o moleculă de oxid nitric şi o moleculă de ozon în reacţia de mai sus, care produc dioxid de azot şi oxigen molecular, viteza fiecărui pas egalează rata constantă în timp a concentraţiei oxidului nitric al acelui ozon:

[ ] [ ]3ONO ⋅= •kviteza

(16.17)

Unitatea de măsură pentru k şi pentru concentraţii trebuie să fie aceeaşi. De exemplu, dacă concentraţia este dată în molecule pe centimetru cub pentru cele două gaze, atunci viteza reacţiei va fi exprimată în molecule pe centimetru cub pe unitatea de timp şi, de aceea, unitatea de măsură pentru k va trebui să fie 1/molecule pe centimetru cub şi timp. În cazul prezentat, s-a determinat în mod experimental că la –30 °C, k are valoarea 6 x 10-15 [cm3 /(molecule . s)].

De aceea, dacă concentraţia oxidului azotic este de 1 x 109 molecule/cm3 şi dacă cea a ozonului este de 5 x 1012 molecule/cm3, atunci:

scm

molecule 103

cm

molecule105

cm

molecule101

smolecule

cm106

37

312

39

315

⋅⋅=

=⋅×⋅×⋅

⋅= −viteza

(16.18)

Deşi •NO este cel mai important catalizator X din zona medie şi superioară a

stratosferei, radicalul liber de hidroxil •OH are şi cel mai important rol în distrugerea ozonului la altitudini foarte mari ale stratosferei (> 45 km):

Stratul de ozon 289

23

2

23 O 2 OOOOH OHOO

OHOO OOH→+⇒

+→+

+→+••

••

(16.19)

Radicalul liber hidroxil, •OH , este format din reacţia atomilor de oxigen excitaţi, O∗, cu apă sau cu molecule de metan:

••∗ +→+ 34 CH OH CHO

(16.20)

unde •3CH este radicalul metil.

Mecanismele de distrugere catalitică a ozonului sunt:

Mecanismul I :

232

23 O 2 OOOX OXO

OXO OX→+⇒

+→+

+→+

(16.21)

Mecanismul II :

23

2''

2'

3-

23

O 3 O 2

OXXOXXO

OOX OX

OXO OX

→⇒

++→→+

+→+

+→+

(16.22)

Un factor care minimalizează distrugerea catalitică a ozonului prin “Mecanismul I”, este cererea unui atom de oxigen pentru a completa ciclul prin reacţia cu XO, permiţând regenerarea catalizatorului X într-o formă folosibilă:

2O X OXO +→+

(16.23)

În regiunea unde apare majoritatea ozonului, numită stratosferă inferioară (15÷25 km), concentraţia atomilor de oxigen este foarte mică, datorită faptului că foarte puţin UV-C penetrează până aşa jos şi datorită faptului că O2 are o concentrare foarte mare; astfel, puţini atomi de oxigen supravieţuiesc destul de mult pentru a fi transformaţi în ozon. De aceea, faza de distrugere a ozonului prin reacţii care necesită oxigen atomic este greoaie în straturile inferioare ale stratosferei. Majoritatea pierderii de ozon în straturile inferioare ale stratosferei are loc prin reacţia:


23 O 3 2O →

(16.24)

În zonele nepoluate ale atmosferei, mecanismul cel mai important al acestui

proces este catalizarea radicalilor de •OH şi •HOO , amândoi reacţionând cu ozonul în doi paşi:

23

23

O2OH OHOO

OHOO O OH

+→+

+→+••

••

(16.25)

Se observă că cel de-al doilea pas al acestui mecanism nu este identic cu cel

care implică radicalul hidroperoxid •HOO , în “Mecanismul I”, dar generează

radical hidroxid •OH . Există un alt mecanism catalitic general, notat mai departe cu

”Mecanismul II”, care distruge ozonul în partea inferioară a stratosferei, în special atunci când concentraţia de catalizatori X este relativ mare. La început, două molecule de ozon sunt distruse de aceeaşi reacţie de cataliză descrisă anterior prin reacţiile:

2'

3'

23

OOX OX

OXO O X

+→+

+→+

(16.26)

S-a folosit 'X în loc de X, pentru a simboliza catalizatorul în a doua ecuaţie şi a indica faptul că nu este necesar să fie identic din punct de vedere chimic cu X, cel

din prima ecuaţie. În paşii următori, cele două molecule XO şi OX ' , care au

adăugat un atom de oxigen, reacţionează una cu alta. În final, catalizatorii X şi 'X sunt regeneraţi de obicei după formarea moleculei combinate, dar instabile,

'XOOX , care este descompusă apoi de căldură sau lumină:

[ ] 2''' OXX XOOX OX XO ++→→+

(16.27)

Unde, conform convenţiei din chimie, o specie descrisă între paranteze pătrate este una cu o existenţă trecătoare.

Reacţiile ce descriu Mecanismul catalitic II sunt responsabile de găurile de ozon la latitudinea mijlocie a stratosferei inferioare.

În final, vom remarca că, în timp ce viteza producerii ozonului din oxigen depinde numai de concentraţia de O2 şi O3 şi de lumina ultravioletă la o altitudine dată, determinarea vitezei distrugerii ozonului este într-un fel mai complexă. Rata descompunerii ozonului prin UV-B sau prin catalizatori depinde de gradul concentraţiei de ozon, de intensitatea luminii solare sau de concentraţia catalizatorilor. În general, concentraţia de ozon va creşte până ce viteza netă a

Stratul de ozon 291

distrugerii atinge viteza producţiei şi va rămâne constantă la acest nivel atâta timp cât intensitatea luminii solare rămâne aceeaşi. Când viteza netă de producere a unui produs chimic egalează viteza netă de consumare a sa, spunem că se găseşte într-o stare staţionară, din moment ce concentraţia nu variază în funcţie de timp. Dacă însă viteza distrugerii creşte temporar datorită prezenţei suplimentare a moleculelor unui catalizator, concentraţia stării staţionare a ozonului trebuie să descrească la o valoare nouă, mai mică, în care viteza formării şi distrugerii să fie din nou egală. Datorită reacţiei constante de reformare, ozonul atmosferic nu poate fi permanent şi total distrus, indiferent cât de mare este nivelul catalizatorului. De asemenea, orice descreştere a concentraţiei de ozon la mari altitudini permite mai multor UV să penetreze altitudinile mai joase, unde vor produce mai mult ozon, astfel că de aceea există un ,,proces de autovindecare’’ a pierderii totale de ozon.

Viteza reacţiilor radicalilor liberi

Viteza unei reacţii chimice dată este afectată de un număr de parametrii în special de mărimea energiei de activare necesară înainte ca reacţia să aibă loc. Astfel de reacţii, cu o energie de activare apreciabilă, sunt procese foarte încete şi pot adesea fi ignorate, comparativ cu alte procese alternative, rapide. În reacţiile gazelor implicând radicali liberi simpli, ca reactanţi, energia de activare întrece doar cu o mică cantitate energia impusă de endotermicitatea lor. De aceea, putem spune că toate reacţiile exoterme vor avea o energie de activare mică, cum se constată din figura 16.14.a). De aceea, reacţiile exoterme ale radicalilor liberi sunt în general ,,rapide’’, ducând desigur la existenţa reactanţilor într-o concentraţie rezonabilă, în atmosferă.

Energia de activare este aici doar 2 kJ/mol. Reacţiile implicând combinarea împreună a doi radicali liberi sunt în general endoterme, din moment ce o nouă legătură este formată şi, de aceea, ea înaintează rapid cu o energie de activare mică, cu condiţia ca, concentrarea de radicali să fie mare, astfel ca reactanţii de fapt să se ciocnească unii cu alţii.

Un exemplu de reacţie exotermă, cu o mică barieră a energiei este:

23 OClO OCl +→+ ••

(16.28)

În contrast, reacţiile endoterme în atmosferă vor fi mult mai încete, deoarece bariera de activare trebuie să fie în mod necesar mai mare, după cum se observă din figura 16.14.b). La temperaturi atmosferice, puţine ciocniri dintre molecule au suficientă energie pentru a depăşi această barieră mai mare şi a da posibilitate ca reacţia să aibă loc.


Fig. 16.14. Profilele energiei potenţiale pentru reacţii: a) exoterme şi b) endoterme

Un exemplu este reacţia endotermă:

•• +→+ FOH HFOH 2

(16.29)

Energia de activare trebuie să fie cel puţin egală cu ∆Η0 = +69 kJ/mol şi ulterior, la temperaturi stratosferice, reacţia va fi atât de înceată, încât putem să o ignorăm complet.

16.7. Clorul şi bromul atomic, catalizatori X Descompunerea sintetică a gazelor conţinând clor în stratosferă, în ultimele

câteva decade, a generat creşterea substanţială a clorului atomic •Cl . Odată cu creşterea concentraţiei clorului stratosferic, creşte şi potenţialul distrugerii ozonului, deoarece clorul este un eficient catalizator X.

Oricum, gazele sintetice nu sunt singurele care alimentează cu clor stratul de ozon. Întotdeauna a existat puţin clor în stratosferă ca rezultat al migrării încete în sus a gazului clorură de metil, CH3Cl (numit în mod formal clormetan), produs la suprafaţa Pământului, în special în oceane sau ca rezultat al interacţiunii ionilor de clorură cu vegetaţia în stare de putrefacţie. Doar o parte a clorurii de metil este distrusă în troposferă. Când molecule intacte ajung în stratosferă, ele sunt

descompuse fotochimic de UV-C sau atacate de alţi radicali •OH . În ambele

cazuri, este produs eventual clorul atomic •Cl ,

Stratul de ozon 293

•• +→−+ 33 CHCl CUVClCH

(16.30)

sau

XXCl ClCHOH 3 +→+ •

(16.31)

unde XX sunt alţi produşi. Atomii de clor sunt catalizatori X eficienţi pentru distrugerea ozonului prin

Mecanismul I:

23

2

23 O 2 OOOCl OClO

OClO OCl→+⇒

+→+

+→+••

••

(16.32)

Fiecare atom de clor poate distruge catalitic mai multe zeci de mii de molecule de ozon în acest mod. Oricum însă, marea majoritate a clorului

stratosferic există nu ca •Cl sau ca monoxid de clor •ClO , ci ca o formă neradicală, care este inactivă drept catalizator în distrugerea ozonului. Cele două molecule mai importante conţinând clor, care sunt inactive catalitic (sau ,,rezervoare’’) în stratosferă, sunt gazul HCl şi gazul nitrat de clor, ClONO2.

Nitratul de clor este format din combinarea monoxidului de clor cu dioxidul de azot. După câteva zile sau ore, o moleculă de ClONO2 dată, este descompusă

fotochimic în componenţii din care s-a format şi, de aceea, •ClO , activ din punct de vedere catalitic, este reformat prin reacţia:

2lumina

2 ClONO NOClO →←+ ••

(16.33)

Oricum, în circumstanţe normale, mult mai mult clor există în forma ClONO2

decât ca •ClO , în orice timp dat. Procese similare reacţiei de mai sus au loc pentru alţi câţiva constituenţi ai

stratosferei. Cealaltă formă inactivă catalitic a clorului, HCl, este formată când clorul

atomic reacţionează cu metanul din stratosferă:

•• +→+ 34 CHHCl CHCl

(16.34)

Această reacţie este uşor endotermă, astfel că ea continuă cu o viteză mică,

dar semnificativă. Radicalii metil, •3CH , nu sunt catalizatori X, deoarece ei se

combină cu moleculele de oxigen şi sunt transformaţi în dioxid de carbon. Eventual, fiecare moleculă de HCl este retransformată în forma sa activă, de exemplu, atomii de clor, prin reacţia cu radicalul hidroxil:


•• +→+ ClOH HClOH 2

(16.35)

Din nou, în mod normal, clorul există mai repede sub formă de HCl decât în forma clor atomic în orice timp, în condiţii normale.

Când au fost făcute în 1970 primele preziceri cu privire la subţierea stratului de ozon din stratosferă, nu s-a realizat că aproximativ 99 % din clorul stratosferic este găsit în general în forme inactive. Când existenţa formei inactive a clorului a fost descoperită, la începutul anilor ’80, prezicerile despre subţierea stratului de ozon au scăzut apreciabil. Aşa cum vom vedea, clorul inactiv poate deveni temporar activ şi poate distruge masiv ozonul, aceasta fiind o descoperire făcută după 1980.

Deşi întotdeauna a existat clor în stratosferă, datorită eliberării naturale a CH3Cl la suprafaţă, în ultimele decade, această cantitate a fost depăşită total de eliberarea unei cantităţi mult mai mari de clor produsă de gazele conţinând clor sintetic, ce sunt eliberate în aer în timpul folosirii şi producerii lor. Majoritatea acestor substanţe sunt clorofluorocarboni, abreviaţi CFC; natura, producţia, folosirea şi înlocuirea acestora vor fi, de asemenea, discutate.

Împreună cu clorura de metil, sunt produse, de asemenea, în mod natural mari cantităţi de bromură de metil, CH3Br, iar unele dintre ele ating eventual stratosfera, unde sunt descompuse fotochimic, rezultând brom atomic. Ca şi clorul, atomii de brom pot distruge ozonul prin Mecanismul I:

23

2

23 O 2 OOOBr OBrO

OBrO OBr→+⇒

+→+

+→+••

••

(16.36)

Aproape tot bromul din stratosferă rămâne în forma activă •Br şi •BrO , deoarece formele inactive HBr şi BrONO2, sunt descompuse fotochimic eficient de lumina solară. În plus, formarea de HBr prin atacul bromului atomic asupra metanului este o reacţie mai înceată decât procesul analog, implicând clor atomic, deoarece este mult mai endotermă:

−+→+ 34- CHHBr CHBr

(16.37)

Există un procent de brom stratosferic mai mic decât cel de clor în formă inactivă, datorită vitezei mai mici a acestei reacţii şi datorită eficienţei reacţiilor de descompunere fotochimică. Din acest motiv, bromul stratosferic este mult mai eficient în distrugerea ozonului decât clorul (de 40÷50 de ori mai mult), dar este mai puţin găsit în stratosferă.

Când molecule asemenea HCl şi HBr, răspândite eventual din stratosferă înapoi în troposfera superioară, sunt dizolvate în picături de apă, acestea sunt ulterior purtate la altitudini mai mici şi sunt transportate pe pământ de ploaie. De aceea, deşi viaţa clorului şi a bromului în stratosferă este mare, ea nu este infinită şi

Stratul de ozon 295

catalizatorii sunt eventual îndepărtaţi. Oricum, în mod obişnuit atomul de clor distruge aproximativ 10 000 de molecule de ozon înainte de a fi îndepărtat!

16.8. Reducerea stratului de ozon

Descreşterea totală o ozonului stratosferic

S-a observat o descreştere globală cu câteva procente a concentraţiei ozonului în stare stabilă în stratosferă, deasupra unor zone nepolare, în timpul anilor 80, şi o suplimentară descreştere majoră pe termen scurt între 1992-1994 (figura

16.2÷figura 16.4). Valoarea mare a acestei descreşteri s-a produs deasupra regiunii de nord a latitudinii medii, incluzând zona unde locuiesc majoritatea ţărilor industrializate. Variaţia ozonului în funcţie de anotimp şi tendinţa generală în fiecare lună s-au prezentat în figura 16.1. Se observă că extinderea golirii reflectă îndeaproape concentraţia totală de ozon din timpul oricărei luni date. Cea mai mare golire a avut loc în perioada martie-aprilie, iar cea mai mică, la începutul toamnei.

Reacţiile care conduc la distrugerea ozonului pot avea loc nu numai în cristalele de gheaţă, dar şi pe suprafaţa altor particule prezente în stratosfera inferioară. În particular, reacţia poate avea loc în picături de lichid rece, conţinând în principal acid sulfuric ce există în stratosfera inferioară, deasupra întregii latitudini. Temperatura picăturilor de lichid trebuie să fie suficient de scăzută pentru ca din ele să apară HCl gazos, altfel nu ar avea loc nici o reacţie netă. Există întotdeauna o cantitate mică de acid a cărei prezenţă este datorată oxidării gazului COS ce apare în mod natural şi care supravieţuieşte destul de mult pentru a atinge stratosfera. Oricum, sursa principală a H2SO4 la aceste altitudini este injectarea directă în stratosferă a dioxidului de sulf, gaz emis din vulcani, urmată de oxidarea gazului în acid. Într-adevăr, declinul mare de ozon din 1992-1993 a urmat masivei erupţii din iunie 1991 a vulcanului Pinatubo din Filipine, iar o scădere importantă în ozon a fost înregistrată timp de câţiva ani după erupţia vulcanului mexican El Chichon din 1982, amândoi crescând temporar concentraţia picăturilor de acid sulfuric în stratosfera inferioară.

O altă reacţie relevantă ce are loc la suprafaţa picăturilor de acid sulfuric are ca efect denitrificarea aerului din stratosferă. În paşii fazei gazoase ai secvenţei

următoare, ozonul însuşi transformă o parte din •2NO în trioxid de azot •

3NO ,

care apoi se combină cu alte molecule de •2NO , formând pentoxidul de azot N2O5:

5232

2332

ONNONO

ONO ONO

→+

+→+−•

••

(16.38)

Acest proces al fazei gazoase este în mod normal reversibil şi nu îndepărtează

prea mult •2NO din aer, dar în schimb, în prezenţa unui număr mare de picături de


lichid, are loc o transformare a N2O5 în acid azotic:

3)( SOH

252 HNO 2 )( OHON 42 →+ ll

(16.39)

unde H2O şi H2SO4 sunt picături, deci fază lichidă.

Prin acest mecanism, majoritatea •2NO , care în mod normal ar fi fost fixat

de monoxidul de clor ca nitrat ClONO2, devine indisponibil pentru acest scop şi astfel apare o mai mare cantitate de atomi de clor în forma catalitică activă, care distrug ozonul. Ar trebui să realizăm că oricum, chiar şi în absenţa particulelor, o

anumită cantitate de •2NO este transformată în acid azotic, ca rezultat al reacţiei

sale cu radicalul hidroxil. Acest acid azotic, eventual prin descompunerea fotochimică din timpul orelor de lumină, suferă o reversie a acestei reacţii şi produce anumite specii care sunt active catalitic în distrugerea ozonului.

La latitudinea medie a stratosferei inferioare, cele mai importante reacţii catalitice de distrugere a ozonului, implicând halogeni, se desfăşoară conform mecanismului II, în care X este clor sau brom atomic, iar X’ este radical hidroxil,

⋅•

−•

••

••

+ →

+→+

+→+

+→+

ClOHHOCl

OHOClHOOClO

OHOOOOH

OClO O Cl

UVlumina

2

23

23

(16.40)

Reacţia este similară pentru cazul în care bromul înlocuieşte clorul. Este

prezentă şi reacţia implicând •ClO şi •BrO , aplicată pentru gaura de ozon din Antarctica.

Mecanismul descris mai sus explică de ce în stratosfera inferioară cu concentraţie ridicată de clor, erupţiile vulcanice puternice pot distruge ozonul stratosferic din zona de mijloc pentru câţiva ani, dar nu explică tendinţa generală de scădere a stratului de ozon în ultimele două decenii. O parte a acestei descreşteri este datorată probabil mecanismului descris mai sus, pe fundamentul concentraţiei particulelor de acid sulfuric în stratosfera inferioară. Mărimea sa ar fi crescut continuu în această perioadă de timp, de vreme ce nivelul de clor a crescut continuu. Creşterea combinată de clor şi brom a avut ca rezultat un declin de 4 % al stratului de ozon median în perioada 1980-2000. Totuşi, o mare parte a declinului progresiv al stratului median se crede că se datorează altor factori cum ar fi diluţia din timpul primăverii a aerului polar, golirea de ozon şi transportul acestuia în afara zonelor polare, schimbări în ciclul solar, schimbări naturale şi antropogenice în deplasarea şi temperatura atmosferei.

Un aspect mai puţin cunoscut al efectului de seră – principalul aspect fiind încălzirea suprafeţei – este răcirea stratosferei joase. Deoarece norii polari stratosferici se formează atunci când stratosfera se răceşte, ar permite formarea

Stratul de ozon 297

acestora mult mai jos şi mai extins. Oricum, temperaturile critice sunt în jur de 195K şi o mare parte din stratosferă este mult mai fierbinte, latitudinile temperate fiind în jur de 215 grade K. Răcirea acelei părţi a stratosferei cu 2 ÷ 3 K nu va cauza formarea norilor stratosferici polari. Dar, la marginea regiunilor polare, norul poate creşte, făcând mai eficient clorul stratosferic şi reducând pierderea de ozon. O erupţie vulcanică mare ar putea integra o mare parte de SO2 din stratosferă, unde ar reacţiona, pentru formarea de picături de acid sulfuric, care în final ar distruge ozonul.

Creşterea radiaţiilor ultraviolete la nivelul Pământului

Experimental, cantitatea de UV-B ce atinge nivelul pământului creşte cu un factor de la trei la şase în Antartica în timpul primăverii timpurii, din cauza apariţiei găurii de ozon. Nivelurile anormal de înalte de radiaţii ultraviolete, UV, au fost, de asemenea, detectate în sudul Argentinei, când gaura de ozon din Antartica traversează această zonă. Calculele arată creşteri substanţiale de UV-B la nivelul solului, ce apar intensiv datorită epuizării de ozon. Situaţia este dificil de explicat la latitudini, deoarece UV-B sunt absorbite de nivelul de jos al ozonului produs prin reacţii de poluare, ascunzând unele schimbări datorate micilor cantităţi de ozon stratosferic epuizat. Din măsurători, [11], s-a constatat că nivelurile de UV-B cresc anual cu aproape 5 % iarna şi aproape 2 % vara, apărând în plus o creştere a temperaturii, ca urmare a epuizării ozonului prin efectele aerosolilor.

16.9. Chimicale care cauzează distrugerea ozonului

Efecte globale

Recenta creştere în nivelurile stratosferice a clorului şi bromului se datorează, în primul rând, eliberării în atmosferă a compuşilor organici care conţin clor şi brom, care sunt antropogenici, deci sunt produşi de către om. Compuşii speciali sunt aceia care nu au o îndepărtare troposferică şi care prezintă un procedeu natural de îndepărtare, ca de pildă dizolvarea în ploaie sau oxidarea de către gazele atmosferice. După câţiva ani de staţionare în troposferă, ei încep să se răspândească în stratosferă, unde eventual suferă descompuneri fotochimice de către UV-C din lumina solară şi ca urmare a acestor reacţii sunt eliberaţi atomii de halogen.

Variaţia în concentraţia totală a clorului stratosferic şi a atomilor de brom, exprimată ca echivalent a clorului în limitele puterii de distrugere a ozonului, pe durata ultimei jumătăţi de scol şi proiectată pentru sfârşitul secolului douăzeci si unu, este ilustrată în figura 16.15, care prezintă variaţia în timp a concentraţiilor reale şi prognozate de clor stratosferic (echivalent), cu indicarea contribuţiilor diferitelor gaze. Efectele avute asupra ozonului de către bromul din haloni şi din bromura de metil au fost convertite în echivalenţii lor în clor.


Fig. 16.15. Concentraţia de clor stratosferic

Concentraţia echivalentă de clor, de aproape 4 ppb, are vârful pe curbă în anii 1990, fiind de aproape patru ori mai mare ca nivelul natural datorat clorurii de metil şi bromurii de metil eliberate din apa mării.

Clorofluorocarboni (CFC)

Din figura 16.15 este clară recenta creştere a clorului în stratosferă şi aceasta este datorată în primul rând folosirii şi eliberării de clorofluorocarboni compuşi care conţin numai clor, fluor şi carbon şi care sunt de obicei numiţi CFC. În anii 1980, aproape 1 milion de tone de CFC au fost eliberate anual în atmosferă. Aceşti compuşi nu sunt toxici, inflamabili, reactivi şi se folosesc prioritar în instalaţiile de condensare, cu o multitudine de utilizări. În această privinţă, mai mulţi CFC au fost importanţi din punct de vedere comercial şi ne vom referi la ei cu ajutorul codurilor numerice comerciale 11, 12 şi aşa mai departe, cu semnificaţiile prezentate ulterior.

CFC-12, cu formula CF2Cl2, este, la temperatura camerei, un gaz, iar la suprapresiune este uşor lichefiabil. Începând cu 1930, a fost folosit ca fluid de lucru în refrigeratoare, înlocuind gazele toxice ca amoniacul şi dioxidul de sulf. A fost produs prin reacţia tetraclorurii de carbon, CCl4 cu acidul fluorhidric, HF. Recent a fost de asemenea folosit în mari proporţii la condiţionarea aerului din automobile, de aceea a fost eliberat mult în atmosferă (aproape de 0.5 kg/an şi vehicul). Astăzi este folosit un absorbant special pentru a capta CFC (şi înlocuitorii moderni ai lor), pentru condiţionarea aerului în maşini.

După cel de-al doilea război mondial s-a descoperit că, prin vaporizarea CFC-12 din stare lichidă, acesta poate fi folosit pentru a genera bule în spume plastice rigide. Bulele fine de CF2Cl2 încorporat, fac ca aceste produse să fie bune

Stratul de ozon 299

izolatoare termice, întrucât gazul este un slab conducător de căldură. În astfel de spume rigide CFC-12 este capturat pentru zeci de ani, înainte de a se produce eliberarea lui în atmosferă. Totuşi, la formarea unor folii de spumă, cum sunt cele folosite la casoletele destinate ambalării produselor proaspete tip carne, sau cum erau cele folosite de restaurantele de tip “expres” pentru ambalarea hamburger-ilor, CFC-12 este eliberat imediat.

Compusul CFCl3, numit CFC-11, este un lichid care fierbe la o temperatură apropiată de cea a camerei. CFC-11 a fost folosit pentru a genera goluri în produsele noi din spumă, folosită la pernele, căptuşelile şi amortizoarele de la scaunele şi covoarele automobilelor. El a fost, de asemenea, folosit pentru a obţine produse rigide din spumă poliuretanică, folosite ca izolatoare la frigidere, congelatoare şi unele construcţii. Utilizarea produselor izolatoare din spumă a crescut în ultima jumătate a secolului douăzeci, datorită accentului pus pe conservarea energiei.

Atât CFC-11, cât şi CFC-12 au fost des folosiţi ca propulsori în pulverizarea de aerosoli. Din cauza efectului nociv asupra stratului de ozon, această utilizare a fost fundamental eliminată, sau este în curs de eliminare, cu excepţia câtorva aplicaţii medicale esenţiale. Pentru pulverizarea aerosolilor se poate utiliza şi butanul.

Celălalt CFC cu interes principal al mediul înconjurător, a fost CF2Cl-CFCl2, numit comercial CFC-113. Acesta a fost folosit larg pentru a curăţa grăsimea, uleiul şi rămăşitele de cositor de la tablele de circuit electronic după fabricarea lor, ceea ce înseamnă un consum de circa 2 kg/m2. Multe produse şi-au schimbat procesele lor de fabricaţie, pentru ca orice tip de lichid decapant să poată fi folosit.

CFC-urile nu au o îndepărtare troposferică, astfel că toate moleculele lor se ridică, în cele din urmă, în stratosferă. Acest proces al transportului vertical în atmosferă nu este afectat de faptul că masa acestor molecule este mai mare decât media masei moleculare a azotului şi oxigenului din aer, deoarece forţa de gravitaţie diferenţială este mult mai mică decât aceea care, datorită ciocnirilor constante a altor molecule, conferă un caracter aleatoriu direcţiilor moleculelor grele. La astfel de transport, moleculele de CFC migrează în cele din urmă spre centru şi părţile superioare ale stratosferei. Aici, CFC-12 (CF2Cl2), întâlnesc radiaţii UV-C, insuficient filtrate, sub acţiunea cărora se descompune fotochimic,

astfel eliberând atomi de clor, sub forma •ClCF2 , care în cele din urmă eliberează

un atom de clor, •Cl :

•• +→+ ClClCF C- UV ClCF 222

(16.41)

CFC nu absorb componente din lumina solară cu lungimi de undă mai mari decât 290 nm, iar în general pentru fotoliză necesită lungimi de undă de 220 nm sau mai puţin. CFC trebuie să se ridice spre mijlocul stratosferei înaintea descompunerii, întrucât UV-C nu pătrund la altitudini inferioare. Deoarece


mişcarea verticală în stratosferă este lentă, durata lor de viaţă atmosferică este lungă, fiind în medie de 60 ani pentru moleculele de CFC-11 şi 105 ani pentru CFC-12. CFC-11 este descompus fotochimic la altitudini mai joase decât CFC-12 şi de aceea, este mult mai capabil să distrugă ozonul la altitudini stratosferice inferioare, unde concentraţia de O3 este mai mare.

Un alt compus cloro-carbonic folosit în mare măsură, dar care nu are o îndepărtare troposferică, este tetraclorura de carbon, CCl4, care este de asemenea descompusă în stratosferă. Deci, CCl4 asemănător cu CFC, este o substanţă distrugătoare de ozon. Tetraclorura de carbon a fost folosită ca solvent şi ca intermediar la fabricarea de CFC-11 şi CFC-12 de unde, în timpul producţiei, o parte a fost pierdut în atmosferă. Folosirea ca solvent curăţitor a încetat în majoritatea ţărilor dezvoltate, dar în prezent mai continuă în multe alte ţări.

Metil cloroformul, CH3 – CCl3, sau 1,1,1 – tricloretanul, a fost produs în mari cantităţi şi folosit la curăţarea metalului de unde a fost eliberat în atmosferă. Deşi aproape o jumătate din el este îndepărtat din troposferă de reacţia cu radicalul hidroxil, restul supravieţuieşte suficient pentru a migra în stratosferă.

După cum se observă din figura 16.15, metil cloroformul şi tetraclorura de carbon conţin împreună aproape jumătate din clorul din stratosferă, datorat compuşilor fluoro-carbonici, CFC. Compuşi precum CFC sau CCl4 nu au o îndepărtare troposferică deoarece ei nu suferă nici unul din procesele normale de îndepărtare. Aceştia nu sunt solubili în apă şi nu sunt atacaţi de radicalul hidroxil sau orice alte gaze atmosferice şi astfel nu descompun şi nu sunt disociaţi fotochimic de către oricare lumină vizibilă sau ultravioletă, UV-A.

Înlocuitori ai CFC

Compuşii folosiţi ca înlocuitori direcţi pentru CFC conţin atomii de hidrogen legaţi la carbon, şi, în consecinţă, o majoritate (deşi nu neapărat 100 %) a moleculelor vor fi îndepărtate din troposferă prin intermediul succesiunii reacţiilor care încep cu separarea hidrogenului de -OH :

HCleventualsiCO

liberiradicalulubazeleCOH -C-HOH

2

2-

↓

−+ →+

(16.42)

Deoarece clorura de metil, bromura de metil şi metil cloroformul conţin fiecare atomi de hidrogen, o separare a moleculelor asemănătoare, este făcută în troposferă înainte ca ele să aibă şansa de a se ridica în stratosferă.

Înlocuitorii temporari pentru CFC, care au fost folosiţi în anii 1990, şi care sunt aşteptaţi a fi folosiţi în anii secolului 21, conţin hidrogen, clor, fluor şi carbon şi sunt numiţi hidrofluoroclorocarboni, HCFC. Un HCFC utilizat des este CHF2Cl,

Stratul de ozon 301

gazul numit HCFC-22 (sau numai CFC-22), după acelaşi sistem folosit la CFC. Acesta este folosit în principal la instalaţiile interioare de condiţionare a aerului, în unele refrigeratoare şi congelatoare. De asemenea, au fost găsite utilizări care să înlocuiască CFC-11 la sulfurarea spumelor utilizate la containerele pentru hrană. Deoarece conţine un atom de hidrogen, ce poate fi înlocuit din aer înainte de a se putea ridica în stratosferă, potenţialul său de lungă durată de reducere a ozonului este mic, fiind doar 5 % din cel al CFC-11. Acest avantaj este compensat totuşi, prin proprietatea lui HCFC-22 de a fi descompus înainte de a elibera clor, mai repede decât se întâmplă cu CFC-11, deci potenţialul de scurtă durată pentru distrugerea ozonului este totuşi mai mare. În particular, rezultă că HCFC-22 distruge ozonul cu 15 %, la fel de mult ca şi CFC-11, în primii 15 ani după eliberare. Dar, după eliberarea HCFC-22, o mare parte este distrus pe parcursul a câtorva zeci de ani, astfel că nu este responsabil pentru aproape nici o distrugere de lungă durată a ozonului. Se crede că produce o rată globală de reducere a ozonului de 5 %. Totuşi, majoritatea preocupărilor legate de distrugerea ozonului stratosferic se concentrează în următoarele câteva decenii pe reducerea semnificativă a clorului stratosferic, care determină reducerea treptată a CFC. Se remarcă, în figura 16.15, contribuţia HCFC.

Mai mulţi HCFC cu o grupare metilică ataşată la un compus halogenat al carbonului, ca de exemplu CH3 – CFCl2 şi CH3 – CF2Cl, au proprietăţi ca înlocuitori pentru CFC, dar conţinutul lor de hidrogen este aşa de mare, încât ei sunt inflamabili.

Bazarea exclusivă pe HCFC, în calitate de înlocuitori ai CFC, în cele din urmă ar conduce la o nouă acumulare de clor stratosferic, pe măsură ce volumul consumului de HCFC este de aşteptat să crească odată cu creşterea populaţiei şi a nivelului de trai. Produsele complet lipsite de clor, care nu reprezintă nici un risc pentru ozonul stratosferic, sunt cele care vor trebui să înlocuiască în cele din urmă CFC şi HCFC. Compuşii complet fluoruraţi sunt inadecvaţi, întrucât pentru aceştia nu există pătrunderi troposferice sau stratosferice şi ar contribui la încălzirea globală pentru perioade de timp foarte lungi.

Hidrofluorocarbonii, HCF sunt înlocuitori principali de lungă durată pentru CFC si HCFC. Compusul CH2F-CF3, numit HCF-134a, a avut o durată de viaţă atmosferică, pe parcursul mai multor decenii înainte de a forma radicalul -OH . Acest compus, HFC-134a, cu un punct de fierbere la –26 ºC, este preferat acum CFC-12, ca fluid de lucru în frigidere şi în unele tipuri de instalaţii de aer condiţionat, inclusiv la automobile. Toţi HFC reacţionează pentru a forma în cele din urmă acidul fluorhidric, ale cărui molecule nu se rup, pentru a forma radicalul

-OH , care să distrugă ozonul. Din nefericire, o cale de degradare atmosferică pentru HFC-134a şi, de asemenea, a mai multor HCFC, produce acid trifluoracetic (TFA) ca un intermediar, care este astfel îndepărtat din aer de ploaie. Totuşi, acidul trifluoracetic reprezintă un mediu riscant pentru terenurile cu exces de umiditate, deoarece acumulează apa în plante şi poate inhiba creşterea lor.


Compuşii ce conţin brom şi iod

Compuşii chimici halogenaţi, numiţi haloni, conţin brom şi nu conţin hidrogen, ca de pildă CF3Br sau CF2BrCl. Deoarece nu au o îndepărtare troposferică, se ridică în cele din urmă în stratosferă. Acolo au o descompunere fotochimică, cu eliberarea bromului atomic (sau şi a clorului), care, aşa cum s-a arătat deja, este un catalizator X eficient pentru distrugerea ozonului. Astfel, halonii sunt, de asemenea, substanţe epuizatoare de ozon. Bromul din haloni se consideră o fracţie semnificativă de potenţial ozono-distrugător al catalizatorilor halogenilor stratosferici. (vezi figura 16.15).

Deoarece ei nu sunt toxici şi nu lasă reziduuri la evaporare, halonii sunt foarte folosiţi pentru stingerea incendiilor în locuri speciale, inclusiv spaţii închise, ca de exemplu camere de comandă din centralele termoelectrice, în posturi şi staţii de transformare, echipamente electronice, calculatoare etc. Înlocuirea altor haloni la stingerea incendiilor, reduce drastic emisiile acestora în atmosferă.

Unele molecule ale unui alt compus ce conţine brom, bromura de metil, CH3Br, ajunge în cele din urmă în stratosferă, unde este fotodisociată pentru a elibera bromul atomic. Bromura de metil este produsă sintetic pentru utilizarea ca fumigen pentru sol. Prin aceasta a crescut eliberarea sa în troposferă, cu toate că nu a fost descoperită o tendinţă de creştere a concentraţiei atmosferice. Bromura de metil cade pe sol şi în apele oceanelor, astfel că, în total, media de viaţă este de aproape unu sau doi ani. S-a descoperit că o fracţie sesizabilă de CH3Br atmosferic este datorat eliberării din arderea biomasei.

Clorul şi bromul nu pot justifica toate distrugerile ozonului în partea de jos a stratosferei, pentru că nu se observă ce se întâmplă în regiunile fără soare, apreciindu-se că în exteriorul regiunilor polare iodul poate juca un rol semnificativ în epuizarea ozonului stratosferic. Procesele biologice din ocean eliberează iodura de metil în atmosferă, unde rămâne câteva zile. Norii de furtună tropicali o pot transporta la partea de jos a stratosferei, înainte de a fi distrusă. În combinaţie cu oxidul de brom -IO şi -I poate participa în 2 tipuri de mecanisme ciclice pentru a distruge ozonul. Totuşi, reacţia cu oxidul de clor este prea lentă, pentru a contribui semnificativ la distrugerea ozonului. Măsurători recente indică concentraţia de iod de aproape 0.2 ppt în partea de jos a stratosferei, care evidenţiază că acest ciclu nu este un mecanism important al pierderilor de ozon.

Atomii de fluor sunt eliberaţi în stratosferă ca un rezultat al descompunerii de CFC, haloni şi alţi compuşi, inclusiv HCFC şi HFC. În principiu, atomii de fluor pot distruge catalitic ozonul. Reacţia fluorului atomic cu metanul şi alte molecule ce conţin hidrogen în stratosferă, este rapidă şi produce molecule foarte stabile de acid fluorhidric, HF. Deoarece legăturile H-F sunt mult mai puternice decât acelea de O-H, reactivitatea fluorului cu atacul radicalilor de hidroxil asupra HF, este foarte endotermă şi, în consecinţă, este extrem de lentă la temperaturile atmosferice. Astfel, fluorul este dezactivat rapid şi permanent, înainte de a putea distruge cantităţi semnificative de ozon.

Stratul de ozon 303

16.10. Acorduri internaţionale referitoare la producerea CFC şi a altor chimicale care cauzează distrugerea ozonului

În contrast cu aproape toate celelalte probleme de mediu înconjurător, acordul global internaţional pentru remediul epuizării ozonului stratosferic a fost obţinut şi implementat într-o perioadă destul de scurtă de timp. Utilizarea CFC la fabricarea produşilor pulverizaţi a fost interzisă din anii 1970 în America de Nord şi unele ţări europene. Această decizie a fost luată pe baza predicţiilor, [1], făcute privind efectele clorului asupra grosimii stratului de ozon, ştiut fiind că la acel timp nu a existat nici o indicaţie experimentală a vreunei epuizări a ozonului. Creşterea concentraţiei de clor din atmosferă a condus la acorduri internaţionale de a reduce treptat producţia de CFC.

Punctul culminant al deciziilor de protejare internaţională a stratului de ozon s-a produs la Conferinţa din Montreal, Canada în 1987, care a dat naştere la „Protocolul Montreal”. Acest acord a fost întărit suplimentar de deciziile de la conferinţele următoare din Londra în 1990, Copenhaga în 1992, Viena în 1995 şi din nou Montreal în 1997. Ca rezultat al acestor acorduri internaţionale, toate chimicalele consumatoare de ozon trebuie reduse treptat de către toate ţările lumii. Toată producţia legală de CFC în ţările dezvoltate s-a oprit în 1995, iar celelalte ţări trebuie să reducă producţia până în 2010. Similar, producţia de HCFC trebuie redusă de ţările dezvoltate până în 2030 şi de celelalte ţări până în 2040.

Producţia de haloni a fost oprită în 1994 prin condiţiile Protocolului de la Montreal, dar continuă utilizarea stocurilor, ca şi a altor chimicale.

Protocolul de la Montreal funcţionează foarte bine până la ora actuală; un exemplu îl constituie înlocuirea metilcloroformului care s-a putut face destul de uşor. De vreme ce metilcloroformul are o viaţă atmosferică în jur de 5 ani, concentraţia sa în atmosferă scade foarte repede. Acest proces va mai continua pentru încă aproximativ câteva decenii, după care metilcloroformul va scădea spre nivelurile foarte joase.

Bromura de metil a fost adăugată pe lista substanţelor epuizatoare de ozon şi din această cauză va fi interzisă. Ţările dezvoltate au redus treptat utilizarea ei, iar celelalte ţări o vor reduce până în 2015, cu posibile excepţii, dacă nu pot fi găsiţi înlocuitori pentru utilizări esenţiale. Bromura de metil este în mare măsură folosită pentru a steriliza solul înaintea plantării de roşii, căpşuni, viţă de vie, tutun sau flori şi pentru a afuma câteva recolte de fructe uscate şi nuci, după culegerea acestora. Alternativele curente la utilizarea bromurii de metil, în aceste aplicaţii, sunt aparent mai puţin eficace şi mai costisitoare, deşi au fost câteva succese recente cu iodura de metil. Ţările dezvoltate au ajuns la concluzia limitării folosiri de bromură de metil la nivelul mijlocului anilor’90.

În cazul CFC, viaţa atmosferică este destul de lungă, deoarece nu există nici o îndepărtare troposferică şi îndepărtarea stratosferică necesită mai multe decade.


De exemplu, media de viaţă a CFC-11 este de aproximativ 50 de ani, a CFC-12 de aproximativ 102, iar a CFC-13, de aproximativ 85 de ani. Aceasta înseamnă că o reparaţie atmosferică durează foarte mult. Pe de altă parte, bromura de metil posedă o deosebită îndepărtare troposferică, datorită reacţiei cu radicalul -OH , care îi limitează viaţa la aproximativ 2 ani. Există o îndepărtare oceanică şi o îndepărtare terestră, în aşa fel încât viaţa este de aproximativ 1 an. Aceasta înseamnă că aproape toată bromura de metil din atmosferă nu ajunge în stratosferă. Există, de asemenea, şi alte complicaţii, deoarece o cantitate substanţială de bromură de metil este eliberată din surse naturale, ca de exemplu oceane şi din arderea biomaselor, care ar necesita un control foarte dificil. Este, de asemenea, foarte complicată şi problema eficienţei relaţiei bromurii contra clorului, o dată ce a fost eliberată în stratosferă. Bromura de metil are mare importanţă în distrugerea ozonului deoarece este mult mai eficientă decât clorul.

Ca un rezultat direct al implementării acestor acorduri, concentraţia troposferică maximă a clorului, începând din 1994, a cunoscut o uşoară descreştere. Încetinirea scăderii este datorată: a) timpului lung pentru molecule să urce la mijlocul stratosferei sau mai sus, pentru a absorbi un foton şi pentru a disocia clorul atomic; b) încetinirii îndepărtării clorului şi bromului din stratosferă; c) continuarea introducerii a câtorva atomi de clor şi brom în atmosferă. Deoarece ozonul este format (şi distrus) rapid în procese naturale, nivelul său răspunde foarte repede la o schimbare în concentraţia clorului stratosferic.

Fără acordurile internaţionale, în ţările dezvoltate s-ar fi produs o creştere catastrofală de clor, de mai multe ori faţă de nivelul prezent, deoarece ar fi crescut foarte mult folosirea CFC şi eliberarea lor în atmosferă. În plus, o dublare a nivelului de clor stratosferic ar fi condus probabil la formarea unei găuri de ozon în regiunea arctică, în timpul fiecărei primăveri. Un produs CFC, iniţial larg utilizat la instalaţiile de răcire a autovehiculelor, CFC-12, a fost interzis la utilizare.

S-au sugerat remedii temporare posibile pentru gaura de ozon antarctic, care pot fi implementate pentru scăderea nivelului de clor. O idee este de a injecta cantităţi masive din etan, C2H6 şi/sau propan, C3H8 în stratosferă.

Ambele gaze se vor combina rapid cu atomii de clor pentru a-l transforma înapoi la acidul clorhidric inactiv:

•• +→+ 5262 HCHCl HCCl

(16.43)

Există pericolul ca radicalii de carbon liberi, rezultaţi ca produşi secundari din aceste reacţii, să ducă, în final, la epuizarea ozonului.

O altă soluţie propusă a fost de a introduce masiv electroni liberi în stratosferă, cu speranţa că ei vor converti atomii liberi de clor (catalitic inactivi) în ioni de clor, Cl. Aceasta poate fi implementată prin realizarea unor platforme purtătoare de halogeni din straturile unui metal ai cărui electroni pot fi disociaţi uşor prin lumina UV provenită de la soare.

Acest aparent remediu este de asemenea slab, deoarece electronii vor migra

Stratul de ozon 305

către speciile de azot şi sulf mai repede decât clor. Teoria, conform căreia CFC cauzează în majoritate epuizarea ozonului

stratosferic, a fost pusă la îndoială de observaţia că sursele naturale, în special apa mării sau oceanelor şi vulcanii elimină mult mai mult clor în atmosferă decât CFC.

Este posibil ca epuizarea ozonului să se datoreze cauzelor naturale, mai repede decât cauzelor artificiale.

Cu toate acestea, faptul care invalidează acest argument este că sursele naturale emit aproape tot clorul lor în troposferă şi nu în stratosferă.

Clorura de sodiu emisă în nivelul de jos al aerului de deasupra oceanelor şi HCl emis de vulcani în partea înaltă a troposferei şi foarte jos în stratosferă, sunt ambele solubile în apă, şi din acest motiv cad o dată cu precipitaţiile, înainte de a se urca la nivelurile stratosferei, unde pot distruge ozonul. Astfel, clorul total stratosferic introdus prin procesele naturale este o fracţie foarte mică faţă de aceea care provine de le CFC.

Un alt fapt ştiinţific care confirmă CFC ca sursă a clorului din stratosferă, este constatarea conform căreia concentraţia de acid fluorhidric, HF, (un chimical ce nu are surse naturale în stratosfera) este egală cu cea aşteptată doar ca rezultat al descompunerii de CFC.

Evident, stratosfera este un sistem complicat şi predicţiile privind epuizarea ozonului pot fi făcute doar prin analize complexe, care consideră efectele a multor procese desfăşurate simultan.

Nu este uşor a prezice, chiar pentru o singură condiţie dată, ca de pildă emisiile de oxizi de azot de la avioanele ce zboară în această regiune, dacă vor determina o creştere sau o descreştere în cantitatea de ozon.

11 77 .. PP RR EE VV EE NN II RR EE AA PP OO LL UU ĂĂ RR II II

17.1. Introducere

În întreaga lume cantitatea de deşeuri produsă a ajuns la cote uluitoare, atingând mii de tone anual. Deşi legile de conservare şi recuperare a resurselor încurajează firmele să-şi minimizeze cantitatea de deşeuri generate, majoritatea eforturilor de protecţie a mediului sunt încă concentrate asupra tratării şi eliminării poluării.

Apariţia legilor de prevenire a poluării a redirecţionat industria spre managementul mediului; prevenirea poluării a devenit astfel, opţiunea secolului. În timp ce strategiile tipice de management a deşeurilor se concentrează asupra controlului „end-of-pipe” al poluării, prevenirea poluării încearcă să rezolve problema, pornind de la sursă, prin reducerea sursei poluante. În timp ce costurile pentru operaţiile de debarasare şi utilizare a deşeurilor cresc, aplicarea măsurilor de prevenire a poluării devin tot mai atractive. În prezent, industria explorează avantajele reducerii deşeurilor, faţă de tratarea acestora.

Există mari avantaje, atât pentru industrie, cât şi pentru persoanele fizice, în cazul prevenirii generării deşeurilor; într-adevăr, prevenirea poluării este astăzi, în primul rând stimulată de industrie, legislaţie şi de creşterea beneficiilor legate de manipulări ale deşeurilor, începând de la sursă. Legile de prevenire a poluării fac parte din politica naţională, pornind de la premiza că “deşeurile trebuie eliminate sau reduse de la sursă cât de mult posibil, în timp ce produşii poluanţi, a căror apariţie nu poate fi prevenită, trebuie reciclaţi”. Se poate spune că există următoarea ierarhie în managementul deşeurilor:

• reducerea sursei; • reciclare / refolosire; • tratare; • debarasare finală.

S-a făcut această clasificare ierarhică, astfel încât să se promoveze examinarea fiecărei alternative, înainte de a trece la următoarea. Practicile care diminuează, evită sau elimină generarea deşeurilor sunt considerate ca aparţinând categoriei de tehnici pentru reducerea sursei şi pot include chiar implementarea unor proceduri simple, cum ar fi curăţenia generală. Reciclarea reprezintă folosirea, refolosirea sau recuperarea de deşeuri şi/sau materiale implicate în tehnicile de recuperare a deşeurilor (de exemplu distilarea, filtrarea). Reciclarea poate fi realizată la instalaţiile sursă (la locul producerii deşeurilor) sau la instalaţiile de tratare a deşeurilor. Tratarea implică descompunerea sau detoxificarea deşeurilor în materiale, care sunt mai puţin sau deloc toxice, prin metode chimice, biologice, fizice sau printr-o combinare a acestor metode.

Prevenirea poluării 307

Debarasarea a fost inclusă în această ierarhie deoarece s-a acceptat că vor exista deşeuri reziduale. Aşa-numitele opţiuni de “debarasare finală” includ: îngroparea deşeurilor, folosirea acestora ca îngrăşământ, aruncarea lor în oceane şi injecţia prin puţuri de adâncime.

Tabelul 17.1 prezintă evoluţia managementului deşeurilor. Se poate observa cum managementul deşeurilor a început să se orienteze de la activităţi de control a poluării, spre activităţi de prevenire a poluării.

Tabelul 17.1

Evoluţia managementului deşeurilor

Înainte de 1945 1945-1960 1960-1970 1970-1975 1975-1980 1980-1985 1985-1990 1990-1995 1995-2000 După 2000

Fără control Control de nivel scăzut Control de nivel mai ridicat Control de nivel şi mai ridicat Control mai sofisticat Se naşte managementul de reducere a deşeurilor Managementul de reducere a deşeurilor Programe formale de prevenire a poluării Acceptarea pe scara largă a prevenirii poluării Măsuri globale de management al deşeurilor

Aplicarea practicilor de management al deşeurilor s-a orientat în ultimul timp spre asigurarea unei etici a prevenirii poluării. Performanţele metodelor de prevenire a poluării şi a implementării ulterioare a acestora vor impulsiona activitatea de aplicare a metodelor, care conduc la reducerea deşeurilor periculoase. Una dintre cele mai importante şi prompte consecinţe ale activităţii de prevenire a poluării va fi dezvoltarea analizei ciclului de viaţă şi a procedurilor standardizate de calcul ale costurilor ciclului de viaţă.

Elementul cheie în Analiza Ciclului de Viaţă (ACV, sau în engleză LCA- Life-Cycle Assessment), este evaluarea. ACV este, în general, văzută ca un proces de evaluare a efectelor asupra mediului, asociate cu ciclul de viaţă complet al unui produs, proces sau activitate. Ciclul de viaţă al unui produs poate fi descris, în mare, prin următoarele stări:

• material brut; • prelucrarea în mare a materialului; • producţia; • fabricarea şi asamblarea; • consumul şi folosirea; • retragerea; • debarasarea.

Menţinerea unui proces obiectiv pe timpul acestui ciclu de viaţă poate fi dificilă, datorită varietăţii de grupuri afectate de diferite părţi ale ciclului de viaţă respectiv. În general, ACV nu include, direct sau indirect, costuri sau impacturi


asupra companiilor individuale sau asupra consumatorilor. Un alt scop fundamental al aplicării ciclului de viaţă este să promoveze

dezvoltarea durabilă la nivel global, regional şi local. Există dovezi semnificative care sugerează că modelul de dezvoltare al activităţii umane şi industriale, la nivel global nu urmează o cale durabilă. Schimbările necesare realizării unui sistem mai sustenabil necesită ca problemele mediului să fie abordate mai eficient in viitor.

Principiile pentru realizarea unei dezvoltări durabile ar trebui să includă: 1. Folosirea durabilă a resurselor - înseamnă conservarea resurselor,

minimizarea consumului de resurse de unică folosinţă, folosirea de practici durabile pentru utilizarea resurselor de unică folosinţă. Nu poate exista nici o dezvoltare de produse sau activitate economică, de nici un fel, fără resursele necesare. În afara energiei solare, toate celelalte resurse sunt epuizabile. O planificare eficientă conservă resursele şi, în acelaşi timp, reduce impactul provocat de consumul acestora. Epuizarea resurselor de unică folosinţă şi folosirea peste măsură a celorlalte resurse, limitează disponibilitatea lor pentru generaţiile viitoare.

2. Menţinerea structurii şi a funcţiilor ecosistemului. Acesta este un element principal al dezvoltării durabile. Deoarece este greu de imaginat cum poate fi menţinută sănătatea umană într-un mediu degradat şi nesănătos, problema sănătăţii ecosistemului trebuie să reprezinte o grijă fundamentală. Dezvoltarea durabilă necesită menţinerea sănătăţii diverselor specii şi a funcţiilor lor ecologice. Reprezentând o singură specie, într-o reţea complexă de interacţiuni ecologice, omul nu poate separa succesul său de cel al sistemului din care face parte.

3. Justiţia mediului. Problema justiţiei mediului a ajuns să aibă înţelesuri diferite pentru diferiţi oameni. Justiţia mediului conţine elemente cheie, care sunt interdependente: sănătatea mediului, echitatea mediului şi politica mediului. O parte dintre ecologişti susţin că numai ultimul element, politica, este un factor al justiţiei mediului. O mare provocare în dezvoltarea durabilă este realizarea justiţiei mediului, între generaţii şi societăţi. Consumul peste limită al resurselor şi poluarea planetei, în asemenea măsură încât să restrângă accesul generaţiilor viitoare la un confort rezonabil, transferă în mod iresponsabil problema către generaţiile viitoare şi, aceasta numai pentru realizarea unor câştiguri pe termen scurt. În afara acestui conflict între generaţii, continuă să existe inegalităţi enorme în distribuţia de resurse între ţările dezvoltate şi cele mai puţin dezvoltate. Astfel de inegalităţi există şi în interiorul frontierelor naţionale.

Ciclul de viaţă reprezintă o perspectivă care ia în consideraţie costurile fabricării unui produs şi/sau prestării unui serviciu, costuri evaluate prin analizarea preţului asociat cu potenţiala degradare a mediului şi cu consumul de energie. De


asemenea, ia în consideraţie costurile obişnuite, cum ar fi cheltuielile de capital şi cheltuielile operaţionale. În literatură au apărut mai mulţi termeni economici sau legaţi de domeniul economic, care sunt definiţi mai jos:

1. Procedura Tradiţională a Costului (PTC). Această procedură de calcul are în vedere numai costurile de capital şi cele operaţionale, incluzându-le pe cele legate de mediul înconjurător.

2. Procedura Comprehensivă a Costurilor (PCC). Această procedură economică include nu numai capitalul tradiţional şi costurile operaţionale, ci şi costurile suplimentare cum ar fi datoriile, cheltuielile regulate şi cele legate de responsabilitatea juridică, cheltuielile legate de împrumut şi consideraţiile sociale.

3. Costurile Ciclului de Viaţă (CCV). Acest tip de analiză necesită să fie luate în consideraţie toate costurile proiectului sau ale sistemului de producere, de la achiziţionarea materiei brute până la aruncarea restului rezultat din produsul respectiv (vezi şi figura 17.1).

Fig. 17.1. Clasificarea metodelor de prevenire a poluării.

Metoda PTC este relativ simplă şi poate fi uşor aplicată în studii care implică comparaţii între diferite echipamente, diferite procese sau chiar părţi de procese.

În ultimii ani, PCC a devenit una dintre cele mai realiste metode care poate fi aplicată în analizele proiectelor economice. Aceasta este procedura cea mai recomandată pentru studiile de prevenire a poluării.

Metoda CCV este de obicei aplicată în analizele ciclului de viaţă (ACV) al unui produs sau serviciu şi prezintă aplicaţii ocazionale în analizele de proiect.

Sunt examinate metodele de promovare a prevenirii poluării şi piedicile care pot apărea; de asemenea, sunt prezentate consideraţii etice. Prin eliminarea deşeurilor de la sursă, putem participa la protecţia mediului, prin reducerea cantităţii de deşeuri, care altfel, ar trebui tratate sau aruncate; este acordată o atenţie deosebită prevenirii poluării, la toate nivelurile.


17.2. Clasificarea metodelor de prevenire a poluării

Metoda preferată de prevenire a poluării este reducerea sursei. Această metodă se adresează sursei poluatoare, înainte de producerea poluării.

Deşi, în general, nu se consideră reciclarea sau tratarea ca metode de prevenire a poluării totuşi, aceste metode au o importanţă mare în reducerea deşeurilor care, altfel, ar trebui depozitate în mediul înconjurător.

Reducerea sursei este definită: “orice practică de reducere a cantităţii de substanţe periculoase, poluante sau contaminante, care urmează să fie debarasate în mediul înconjurător …înainte de reciclare, tratare sau debarasare”. Reducerea sursei duce la micşorarea cantităţii de deşeu generat; de aceea, este considerată ca o metodă evidentă de prevenire a poluării şi are prioritate.

Reciclarea se referă la refolosirea de materiale, care ar trebui aruncate sau tratate ca deşeuri. Un bun exemplu este reîncărcarea bateriilor. Deşeurile care nu pot fi în mod direct refolosite, pot fi deseori recuperate prin alte metode, cum ar fi distilarea. Când recuperarea sau refolosirea nu poate fi aplicată, datorită condiţiilor de calitate sau incapacităţii de a realiza recuperarea pe loc, există posibilitatea recuperării în cadrul unei instalaţii comerciale de recuperare.

În figura 17.2 se prezintă o schemă detaliată a două tehnici de prevenire a poluării, reducerea sursei şi reciclarea.

Fig. 17.2. Tehnici de prevenire a poluării


Tratarea deşeurilor ar trebui utilizată numai în absenţa posibilităţii de reducere a sursei sau de reciclare. Tratarea deşeurilor implică folosirea de procese chimice, biologice sau fizice pentru a reduce sau a elimina deşeurile. Incinerarea deşeurilor este inclusă în această categorie şi este preferabilă altor metode de tratare (chimice, biologice şi fizice), deoarece incinerarea poate distruge permanent compuşii periculoşi din deşeuri. Poate fi folosită la reducerea volumul deşeurilor.

Desigur, multe dintre elementele de prevenire a poluării sunt folosite de industrie în combinaţie, pentru a realiza cea mai mare reducere a deşeurilor. Pentru deşeurile reziduale, care nu pot fi prevenite sau tratate, se va folosi debarasarea ca ultimă soluţie.

Analiza mediilor. Pentru a proiecta şi implementa un program de prevenire a poluării, toate sursele de generare a acesteia trebuie să fie bine evaluate şi analizate. O analiză a mediilor implică o abordare multilaterală. Nu trebuie să se ia în consideraţienumai o sursă de deşeuri, ci toate mediile cu potenţial de a fi contaminate (aer, apă, sol). În trecut, practicile de management a deşeurilor s-au concentrat asupra tratării. De prea multe ori, astfel de metode rezolvă o problemă de poluare, transferând un contaminant de la un mediu la altul; acest transfer nu reprezintă nici o prevenire a poluării şi nici o reducere a deşeurilor.

Tehnicile de prevenire a poluării trebuie să fie amănunţit evaluate, prin luarea în consideraţie a tuturor mediilor. Această abordare este o altă manieră faţă de tehnicile anterioare, de control sau tratare a poluării.

Metoda de analiză a mediilor are ca scop asigurarea faptului că tratarea unui deşeu nu are ca rezultat generarea de deşeuri în alt mediu.

Analiza ciclului de viaţă. Efectele rezultate în timpul producerii unui produs sau serviciu trebuie evaluate pe întreaga perioadă a ciclului de viaţă. Acest tip de evaluare identifică “folosirea de energie, intrarea de materiale şi deşeurile generate pe timpul vieţii unui produs, de la extragerea şi procesarea materialului brut, la fabricarea şi transportarea produsului, la vânzarea şi în final, la folosirea şi aruncarea produsului”.

Pentru analiza ciclului de viaţă se recomandă, [1], a se realiza: • un inventar al materialelor şi energiei folosite, a debarasărilor în mediu,

în toate fazele vieţii unui produs sau proces; • o analiză a potenţialelor efecte asupra mediului datorate energiei,

resurselor materiale şi a debarasărilor în mediu; • o analiză a schimbărilor necesare îmbunătăţirii produsului sau procesului

respectiv, pentru a răspunde cerinţelor de mediu. De multe ori, analiza tradiţională a costului nu reuşeşte să includă factori

relevanţi pentru pagubele viitoare, datorate epuizării resurselor naturale, efectelor folosirii energiei şi altor cauze de acest gen. Opţiunile managementului, cum ar fi tratarea şi debarasarea, pot fi preferabile în condiţiile nerealizării unei analize generale de costuri, pe durata unui ciclu de viaţă. Este evident că aceste costuri


legate de mediu, de la început până la sfârşit, trebuie să fie evaluate împreună cu costurile de producţie, pentru a obţine costurile reale cu acurateţe maximă.

17.3. Procedura de evaluare a prevenirii poluării

Procedura de evaluare a prevenirii poluării este redată în figura 17.3.

Fig. 17.3. Procedura de evaluare în prevenirea poluării


Planificarea şi organizarea. Scopul acestei faze este de a obţine angajamentul managerial, care defineşte şi dezvoltă scopurile programului. Planificarea şi organizarea trebuie să fie corespunzătoare, pentru a obţine performanţe în prevenirea poluării. Managerii şi personalul obiectivului economic joacă roluri importante în procedura de evaluare, prin furnizarea angajamentului necesar şi familiarizării cu obiectivul, procesele sale şi operaţiile curente de management a reziduurilor. Printre beneficiile programului se numără avantajele economice şi reducerea posibilităţii de acţiune penală. Ridicarea la standarde de calitate şi îmbunătăţirea imaginii publice, care conduc deseori la suport managerial, este foarte importantă.

După ce managementul şi-a asumat programul şi scopurile, trebuie stabilită o echipă de acţiune. Selecţionarea unui lider al echipei depinde de mai mulţi factori, incluzând abilitatea de a lucra cu echipa de evaluare şi cu personalul managerial.

Echipa de acţiune trebuie să fie capabilă să identifice alternative pentru reducerea poluării şi să fie conştientă de piedicile inerente ce ar putea să apară în timpul procesului. În mod frecvent, apar piedici din cauza neliniştii, asociate cu credinţa că programul va afecta în mod negativ calitatea producţiei sau va duce la pierderi în producţie. În cadrul unui studiu, [2], 30 % din industriaşi au răspuns că sunt îngrijoraţi de scăderea calităţii producţiei, în cazul implementării tehnicilor de minimizare a reziduurilor, iar acestor temeri şi a altora, echipa de evaluare şi în special liderul, trebuie sa fie pregătiţi să răspundă.

Faza de evaluare. Are ca scop strângerea datelor necesare identificării şi analizei oportunităţilor de reducere a poluării. Evaluarea reducerilor de deşeuri la nivelul instalaţiilor trebuie să includă examinarea fluxurilor de reziduuri periculoase, a operaţiunilor de proces şi identificarea tehnicilor, care pot duce la reducerea generării de reziduuri. Informarea derivă deseori din observaţii făcute în timpul vizitelor prin obiectiv, interviurilor cu angajaţii şi cercetarea înregistrărilor obişnuite.

Se consideră că următoarele surse de informaţii sunt cele mai adecvate: • criterii de proiectare a produsului; • diagramele fluxurilor de reziduuri solide, ape reziduale şi sursele

emisiilor în aer; • hărţi ale şantierului, indicând locaţiile unităţilor care interesează; • documentare asupra mediului; • date economice, incluzând costul managementului materiei prime, costul

aerului, ape reziduale şi tratarea reziduurilor periculoase, costuri de întreţinere şi de evacuare a deşeurilor;

• informaţii manageriale, strategii şi proceduri legate de mediu, acordarea priorităţii problemelor legate de managementul deşeurilor, sisteme autorizate sau computerizate de management al deşeurilor;

• proceduri de inventariere şi distribuţie;


• operaţiuni de întreţinere planificată, revizii sau modificări asupra operaţiunilor existente, care ar avea efect asupra activităţilor generatoare de reziduuri.

Utilizarea diagramelor fluxurilor tehnologice şi a bilanţurilor de materiale sunt metode valoroase pentru cuantificarea pierderilor şi emisiilor, precum şi pentru a oferi date esenţiale estimării dimensiunii şi costului echipamentului suplimentar. Bilanţurile de materiale vor trebui aplicate fluxurilor reziduale sau proceselor şi apoi, pot fi utilizate pentru definirea unei balanţe generale de materiale a unităţii.

Datele colectate sunt folosite la alegerea priorităţii fluxurilor de deşeuri şi a operaţiilor de evaluare. Fiecare flux va avea alocată o prioritate dată de scopurile şi obiectivele prevenirii poluării. Odată ce originile reziduurilor sunt identificate şi clasificate, sunt evaluate metodele posibile de a reduce fluxurile. Identificarea alternativelor se bazează pe discuţii cu personalul obiectivului economic, consultarea literaturii tehnice, contacte cu furnizorii şi organizaţiile de piaţă.

Alternativele identificate în timpul acestei faze sunt evaluate, pentru a reduce numărul alternativelor care reclamă cercetări îndelungate, în timpul analizei de fezabilitate. Criteriile folosite pentru eliminare sunt: economicitate, timp de implementare, compatibilitate şi siguranţă. Opţiunile care îndeplinesc criteriile stabilite sunt examinate într-un studiu de fezabilitate.

Studiu de fezabilitate. Procedura de selectare este realizată printr-o evaluare pe considerente tehnice şi economice. Evaluarea tehnică stabileşte dacă o opţiune anume va funcţiona după cum a fost planificat. Considerente tipice sunt:

• norme de siguranţă; • impact asupra calităţii produselor sau întârzieri ale producţiei pe perioada

implementării; • dacă implică specializarea muncitorilor; • dacă creează noi probleme legate de mediu; • potenţial de reducere a reziduurilor; • balanţa-utilitate-investiţie; • probleme de spaţiu şi compatibilitate

Dacă o opţiune se dovedeşte a fi ineficace din punct de vedere tehnic sau nepotrivită, este ştearsă din lista de alternative posibile.

Implementarea. Ceea ce s-a găsit în evaluarea totală este utilizat pentru a demonstra valoarea tehnică şi economică a implementării programului. După ce se obţin fondurile necesare, programul este implementat asemenea oricărui alt proiect. Odată stabilite tehnicile preferate de prevenire a poluării, ele sunt implementate şi vor deveni parte din managementul şi operarea zilnică a obiectivului analizat. După execuţia programului, performanţa acestuia trebuie evaluată pentru a-i demonstra eficacitatea.


De notat că reducerea reziduurilor, conservarea energiei şi problemele de siguranţă sunt corelate şi complementare unele cu celelalte. De exemplu, reducerea cantităţii de energie pe care o consumă de obicei un agent economic duce la reducerea emisiilor asociate generării energiei. Consumuri de energie asociate cu tratamentul şi transportul deşeurilor sunt reduse în mod asemănător, când scade cantitatea de reziduuri generate. În acelaşi timp, siguranţa muncii este mărită, datorită expunerii reduse la materiale periculoase. Adăugarea de sisteme de control a poluării aerului la centrale electrice scade puterea dată de către centrală, datorită consumului necesitat de echipamentele noi. Creşte deci consumul de combustibil, la aceeaşi putere dată în reţea. În cazuri extreme, eficienţa foarte ridicată a recuperării poate ridica şi nu scădea, pentru anumiţi poluanţi, emisiile totale. Se estimează că 70 % din înlăturarea poluării are ca rezultat pierderi de 2 % din puterea netă, 90 % din înlăturarea poluării are ca rezultat pierderi de 5 %, iar 99 % din înlăturarea poluării are ca rezultat pierderi de 10 %, etc.

Surse de informare. Dezvoltarea cu succes şi implementarea oricărui program de prevenire a poluării cere şi o cunoaştere foarte bună a oportunităţilor actuale şi a noilor descoperiri în acest domeniu. Pentru a dezvolta sursele de informare şi a creşte posibilitatea unei informări corecte şi rapide se pot folosi:

• biblioteca de referinţe şi informaţii on-line cu sistem de indexare; • pachete de informaţii şi buletine tehnice; • linie de asistenţă tehnică, pentru a răspunde întrebărilor legate de poluare; • cooperarea şi schimbul de informaţii între unităţile de producţie, de

cercetare, de management a mediului şi universităţi; • interconectarea cu alte organizaţii naţionale şi internaţionale.

Programe industriale. O resursă importantă de reducere a poluării poate foarte bine să fie găsită în condiţii de competiţie. Mai multe companii mari au stabilit programe binecunoscute, care au încorporat practici de reducere a poluării în procesele de fabricaţie. Companiile mai mici pot beneficia de asistenţa oferită de aceste companii mai mari. Este clar că accesul la informaţii prezintă o importanţă majoră în implementarea programelor de prevenire a poluării.

17.4. Bariere şi stimulente în prevenirea poluării

Agenţii economici încep să realizeze că există beneficii majore asociate prevenirii poluării, care includ beneficii economice, îmbunătăţirea imaginii publice etc. Totuşi, există bariere în cadrul prevenirii poluării, dar şi stimulentele, ce trebuie considerate în timpul evaluării unui program, [3].

Bariere în prevenirea poluării. Există numeroase motive pentru care nu se reduc deşeurile generate. Următoarele 12 sunt cele mai comune:

1. Limitări tehnice. Având în vedere complexitatea proceselor actuale, fluxurile


de deşeuri nu pot fi limitate cu tehnologia existentă în prezent. Este evidentă nevoia de cercetare şi dezvoltare continuă.

2. Lipsa de informare. Uneori informaţiile necesare unei strategii de prevenire a poluării pot fi confidenţiale sau dificil de obţinut. Multe decizii nu se pot lua, neavând la dispoziţie informaţiile pentru a ajuta la implementarea programului de prevenire a poluării.

3. Obstacole legate de preferinţele consumatorului. Aceste preferinţe afectează puternic modul în care produsul este fabricat, ambalat, vândut. Dacă implementarea programului duce la creşterea costului unui produs sau la scăderea convenienţei sau a disponibilităţii de a-l procura, consumatorii pot deveni reticenţi la cumpărarea acestuia.

4. Grija scăderii calităţii produsului. Folosirea unui material mai puţin periculos poate duce la scăderea duratei de viaţă, a durabilităţii sau competitivităţii.

5. Aspecte economice. Multe companii nu îşi dau seama de avantajele economice ale prevenirii poluării. Pot fi considerate ca îngrijorări legitime, scăderea marjelor de profit sau lipsa fondurilor pentru investiţia iniţială.

6. Rezistenţa la schimbare. Adversitatea faţă de schimbări a multor “patroni” are rădăcini în teama de a încerca noi tehnologii negarantate, teamă bazată pe combinarea barierelor discutate în acest capitol.

7. Reglementări. Regulamentele existente au creat stimulente pentru controlul deşeurilor şi, în acelaşi timp, descurajează explorarea alternativelor de prevenire a poluării.

8. Lipsa de pieţe. Implementarea proceselor de prevenire a poluării nu va avea viitor, dacă nu există pieţe pentru asemenea bunuri. De exemplu, reciclarea hârtiei de ziar a dus la formarea unei cantităţi foarte mari de hârtie reciclată, fără a exista pieţe care să profite de această materie.

9. Apatie în management. Mulţi manageri, capabili să ia decizii în începerea activităţilor de prevenire a poluării, nu îşi dau seama de beneficiile potenţiale ale acesteia.

10. Bariere instituţionale. Într-o organizaţie fără o infrastructură puternică, menită să sprijine planurile de prevenire a poluării, programele de reducere a deşeurilor vor fi dificil de implementat. În mod similar, dacă nu există un mecanism care să responsabilizeze indivizii pentru acţiunile lor, succesul implementării unui program de prevenire a deşeurilor va fi limitat.

11. Neconştientizarea avantajelor prevenirii poluării. Cei care iau decizii pot să nu cunoască beneficiile asociate prevenirii poluării.

12. Grija în diseminarea informaţiilor confidenţiale despre produse. Dacă programul de prevenire a poluării scoate la iveală informaţii confidenţiale asupra unui produs al companiei, poate exista teama că aceasta va afecta competitivitatea companiei în domeniu.

Stimulente ale prevenirii poluării. Există multe mijloace de încurajare a prevenirii poluării, prin măsuri regulatoare şi programe de asistenţă tehnică. În


scopul susţinerii tezei beneficiilor prevenirii poluării, vom prezenta mai jos 13 argumente posibile.

1. Beneficii economice. Cele mai evidente beneficii economice asociate prevenirii poluării sunt economiile rezultate din eliminarea depozitării deşeurilor, tratamentului, transportului şi aruncării acestora. Beneficii economice mai puţin tangibile sunt scăderea obligaţiilor, costuri legale de asigurări, eficienţa ridicată a procesului. Operaţia de prevenire a poluării se răscumpără singură, dacă se ia în consideraţie timpul necesar pentru conformarea la standardele reglementate.

2. Conformarea la reglementări. Atunci când nu se generează deşeuri, conformarea la reglementări nu constituie o problemă. Costurile managementului deşeurilor, asociate păstrării de înregistrări, raportări şi analize de laborator sunt reduse sau eliminate. Reglementările sunt şi vor fi şi pe viitor o ţintă în mişcare.

3. Reducerea responsabilităţii. Unităţile industriale poartă responsabilitatea deşeurilor pe toată durata existenţei acestora. Prin eliminarea sau reducerea generării deşeurilor, poate fi redusă o responsabilitate viitoare. În plus, angajarea unor asigurări contra poluării poate fi evitată.

4. Îmbunătăţirea imaginii publice. Consumatorii sunt interesaţi să cumpere bunuri care nu pun în pericol mediul; astfel, această cerinţă poate duce la succesul sau falimentul unei companii.

5. Grant-urile naţionale şi internaţionale. Au fost dezvoltate programe de grant-uri, pentru a susţine programele de prevenire a poluării, iniţiate de state şi entităţi private, care acordă fonduri şi asistenţă pentru dezvoltarea şi implementarea noilor tehnici de prevenire a poluării.

6. Stimulente de piaţă. Cererea publicului pentru produsele care nu afectează mediul a dus la formarea unei pieţe pentru bunuri reciclabile şi produse asemănătoare, care pot fi proiectate, astfel încât să respecte aceste caracteristici de mediu. În plus, numeroase agenţii publice şi private stimulează piaţa bunurilor reciclabile prin contracte scrise şi specificări, care reclamă utilizarea materialelor reciclate.

7. Reducerea costurilor de tratare a deşeurilor. Costurile în creştere ale practicilor de management al deşeurilor „end-of-pipe” sunt evitate sau reduse prin implementarea programelor de prevenire a poluării.

8. Stimulente fiscale potenţiale. În efortul de promovare a prevenirii poluării, taxele pot fi eventual coborâte, pentru a încuraja generatorii de deşeuri să ia în consideraţie programe de reducere.

9. Diminuarea expunerii personalului. Odată cu reducerea sau eliminarea expunerii la substanţe chimice, compania beneficiază de o reducere a potenţialului de expunere cronică la locul de muncă, a accidentelor serioase şi a urgenţelor. Este diminuată povara programelor de monitorizare medicală, monitorizare a expunerii personalului şi a reclamaţiilor potenţiale, legate


astfel de prejudicii. 10. Scăderea consumului de energie. Metodele de conservare a energiei sunt

adesea interconectate şi complementare. Cheltuielile energetice asociate tratării şi transportului deşeurilor sunt de obicei, dar nu întotdeauna, reduse, când scade cantitatea de deşeuri, scăzând în acelaşi timp şi poluarea asociată energiei consumate.

11. Creşterea eficienţei de operare. Un efect secundar benefic al activităţilor de reducere a poluării este creşterea eficienţei de funcţionare.

12. Avantaje în competitivitate. Profitând de numeroasele beneficii asociate prevenirii poluării, afacerea îşi poate spori competitivitatea.

13. Reducerea impactului negativ asupra mediului. Prin evaluarea alternativelor de prevenire a poluării se ia în considerare impactul negativ asupra resurselor naturale şi speciilor, care se manifestă în timpul scurs între procurarea materialului brut şi depozitarea deşeului. Astfel, performanţa prevenirii poluării se va reflecta într-o protecţie îmbunătăţită a mediului.

17.5. Consideraţii etice

Etica poate fi simplu definită ca analiză a dreptăţii şi nedreptăţii unui act sau a unei acţiuni. De-a lungul istoriei, ingineria, în general, şi ingineria mediului, în particular, nu au luat în consideraţie implicaţiile etice ale soluţiilor găsite pentru rezolvarea problemelor. Astăzi, totuşi, inginerul nu mai este ferit de întrebările etice care pot să apară. În unele cazuri, o soluţie tehnică poate include unele elemente ne-etice. O problemă etică este atitudinea oamenilor faţă de mediul înconjurator, ca şi atitudinea lor unul faţă de altul.

Dată fiind natura revoluţionară a prevenirii poluării, este evident că odată schimbările tehnologice şi progresul continuu realizat, opinia societăţii asupra a ceea ce este posibil şi dorit, se va schimba de asemenea. Oficialii guvernului, oamenii de ştiinţă şi inginerii vor face faţă unor noi încercări de a îndeplini nevoile societăţii, în acelaşi timp satisfăcând cerinţele reglementărilor de mediu, în continuă schimbare.

Este evident că această atenţie trebuie acordată şi consideraţiilor etice şi aplicării lor în politicile de prevenire a poluării. Trebuie să se ia decizii bine judecate, bazate pe înţelegerea interacţiunii dintre tehnologie şi mediu, deoarece deciziile luate astăzi vor avea un impact nu numai asupra acestei generaţii, dar şi asupra celor viitoare.

Dacă cineva alege astăzi să nu aplice un program de reducere a reziduurilor, pentru a împlini un scop pe termen scurt de creştere a productivităţii, aceasta poate fi considerată o bună decizie, de vreme ce aduce beneficii companiei şi salariaţilor săi.

Dar, dacă poate rezulta o eliberare majoră de poluanţi, care să ducă la contaminarea sursei locale de apă potabilă sau a solului, este acesta un lucru bun?

11 88 .. EE VV AA LL UU AA RR EE AA II MM PP AA CC TT UU LL UU II


18.1. Impactul asupra mediului

Ingineria mediului necesită ca impactul ingineriei asupra mediului înconjurător şi interacţiunea între aceştia să fie luate în consideraţie în orice proiect.

Impactul asupra mediului a proiectelor este realizat în mai multe etape: stabilirea impactului, găsirea unui impact nesemnificativ, dacă acest lucru este adecvat, o declaraţie de impact asupra mediului şi o înregistrare a deciziilor luate.

Inginerii abordează problema în următoarea succesiune: 1) definirea problemei; 2) generarea de soluţii alternative; 3) evaluarea alternativelor; 4) implementarea soluţiei alese; 5) trecerea în revistă a soluţiei implementate.

Scopul stabilirii impactului asupra mediului nu a fost de a justifica sau nu proiectele, ci de a introduce în mecanismul luării de decizii a factorilor legaţi de mediu, pentru a fi discutaţi public, înainte de luarea orcărei decizii finale în privinţa proiectului respectiv.

Pe măsură ce procedurile de evaluare a mediului s-au dezvoltat, evaluările asupra impactului socio-economic al proiectului au început să aibă un rol din ce în ce mai mare. Pe lângă impactul direct asupra economiei, cel socio-economic include impactul asupra locurilor arheologice şi istorice, impactul asupra locurilor cu o importanţă culturală crescută. Pe măsură ce cresc, evaluările asupra mediului devin o ştiinţă “soft”, combinate cu întrebări de valoare etică; inginerul trebuie să facă diferenţa dintre impactul măsurabil cantitativ şi evaluări calitative, care ar putea influenţa hotărârile sale.

O evaluare a impactului asupra mediului trebuie să fie riguroasă, interdisciplinară şi să acope, pe cât posibil, toate posibilităţile.

Orice evaluare a impactului de mediu implică patru faze: stabilirea scopului, inventarierea, stabilirea condiţiilor şi evaluarea propriu-zisă. Prima fază defineşte scopul proiectului. Cea de-a doua fază este o catalogare a zonelor sensibile, inclusiv zonele care sunt influneţate socio-economic de realizarea proiectului. Cea de-a treia fază este procesul de estimare a impactului alternativelor luate în consideraţie. Ultima fază realizează interpretarea primelor trei.

În momentul de faţă toate instituţiile sunt nevoite să realizeze o evaluare a impactului asupra mediului a proiectelor şi a programelor aflate sub jurisdicţia lor.

Evaluarea impactului asupra mediului constă în cuantificarea efectelor activităţii umane şi a proceselor naturale asupra mediului, a sănătăţii şi a securităţii omului, precum şi a bunurilor de orice fel.

Această evaluare se realizează, în România, prin efectuarea bilanţului de mediu.


Bilanţul de mediu este, conform Legii protecţiei mediului, [1], procedura de a obţine informaţii asupra cauzelor şi a consecinţelor efectelor negative cumulate, anterioare şi anticipate, care face parte din acţiunea de evaluare a impactului asupra mediului. Prin tip de bilanţ de mediu se înţelege o variantă de bilanţ de mediu reprezentată de unul dintre nivelurile 0, I sau II. Cele trei tipuri de bilanţuri de mediu (nivel 0, I, II) nu se exclud reciproc şi pot fi efectuate consecutiv sau concomitent, conform art.6 a) din ordinul 184/1997.

Bilanţ de mediu de nivel 0 – fişă de verificare conţinând elemente caracteristice activităţii şi care permite autorităţii de mediu competente să identifice şi să stabilească necesitatea efectuării unui bilanţ de mediu nivel I sau nivel II sau a unei evaluări a riscului, înainte de autorizarea de mediu sau de privatizarea societăţii comerciale;

Bilanţ de mediu de nivel I – studiu de mediu, constând din culegerea de date şi documentare (fără prelevare de probe şi fără analize de laborator, privind factorii de mediu), care include toate elementele analizei tehnice a aspectelor de mediu, pentru luarea unei decizii privind dimensionarea impactului de mediu potenţial sau efectiv de pe un amplasament;

Bilanţ de mediu nivel II – investigaţii asupra unui amplasament, efectuate în cadrul unui bilanţ de mediu, pentru a cuantifica dimensiunea poluării prin prelevări de probe şi analize fizice, chimice sau biologice ale factorilor de mediu.

18.2. Folosirea analizei de risc în cadrul stabilirii

impactului asupra mediului

Motivul includerii analizei de risc în stabilirea impactului asupra mediului este:

• analiza de risc furnizează o metodă de comparare a probabilităţilor mici de apariţie a impacturilor ce pot avea consecinţe ridicate, cu probabilităţi ridicate de apariţie a impacturilor cu consecinţe minime;

• analiza de risc permite evaluarea unui impact viitor necunoscut şi include incertitudinea în cadrul evaluării;

• agenţiile internationale care se ocupă cu impactul asupra mediului au adoptat analiza de risc, în locul standardelor bazate pe consecinţe.

Există o gamă largă de metodologii diferite, pentru evaluarea riscului, atât calitative, cât şi cantitative.

Riscul este probabilitatea apariţiei unui efect negativ într-o perioadă de timp specificată şi este adesea descris sub forma ecuaţiei: Risc = Pericol x Expunere.

Evaluarea riscului este definită ca un proces pentru identificarea, analizarea şi controlarea pericolelor datorate prezenţei unei substanţe periculoase, dintr-o instalaţie.

Prin urmare, evaluarea riscului implică o estimare (incluzând identificarea

Evaluarea impactului asupra mediului 321

pericolelor, mărimea efectelor şi probabilitatea unei manifestări) şi calcularea riscului (incluzând cuantificarea importanţei pericolelor şi a consecinţelor pentru persoane şi/sau pentru mediul ambiant).

Obiectivul general al evaluării riscului este de a controla riscurile provenite de la un amplasament, prin identificarea:

• agenţilor poluanţi sau a pericolelor mai importante; • resurselor şi receptorilor expuşi riscului; • mecanismelor prin care se realizează riscul; • riscurilor importante care apar pe amplasament; • măsurilor generale necesare pentru a reduce gradul de risc la un nivel

acceptabil.

În evaluările de risc se includ elemente caracteristice privind riscul chimic, carcinogen, epidemiologic, contaminării nucleare, apariţiei fenomenelor naturale.

Principalele tipuri de evaluare a riscului se bazează pe: evaluări ale sănătăţii

şi evaluări ecologice. Evaluarea riscului bazată pe evaluări ale sănătăţii este cea mai importantă

dintre evaluările de risc. Dezvoltările recente au avut în vedere protecţia şi igiena muncii, cu praguri limită stabilite la nivel internaţional, pentru a determina expunerea în siguranţă la diferite substanţe chimice, pe anumite perioade de timp. De exemplu, standardele Organizaţiei Mondiale a Sănătăţii au fost dezvoltate pentru nivelurile concentraţiilor acceptate ale poluanţilor în atmosferă şi pentru limite orientative, care să menţină sănătatea umană şi sănătatea mediului, pentru diferiţi parametri.

Evaluarea riscului bazată pe evaluări ecologice este cea mai recentă şi mai dinamică, în ceea ce priveşte dezvoltarea, dintre evaluările de risc. Aceste evaluări compară concentraţiile preconizate ale poluanţilor în mediu cu pragurile toxice estimate, în scopul evaluării securităţii unei emisii poluante. Evaluarea ecologică a riscului a dezvoltat metodologii ecotoxicologice pentru compararea riscurilor de mediu sau umane, asociate unui eveniment care are loc, folosind diferite instrumente sofisticate, cu un număr de sisteme de punctaj, pentru clasificarea amplasamentelor.

Evaluarea calitativă a riscului ia în consideraţie următorii factori: • pericol / sursă, prin care poluanţii specifici amplasamentului sunt identificaţi

sau presupuşi şi se estimează nivelul de toxicitate şi efectele particulare; • calea de acţionare, ce reprezintă calea prin care substanţele toxice ajung la

punctul la care au efecte dăunătoare; • ţintă / receptor, care reprezintă obiectivele asupra cărora acţionează efectele

dăunătoare ale anumitor substanţe toxice de pe amplasament, care pot include fiinţe umane, animale, plante, resurse de apă şi clădiri (sau fundaţiile şi folosinţele acestora), denumite, în termeni legali, obiective protejate.


Gradul riscului depinde, atât de natura impactului asupra receptorului, cât şi de probabilitatea manifestării acestui impact.

Identificarea factorilor critici care influenţează relaţia sursă–cale-receptor presupune caracterizarea detaliată a amplasamentului, din punct de vedere fizic şi chimic.

Evaluarea cantitativă a riscului cuprinde, în general, următoarele etape: • descrierea intenţiei; • identificarea pericolului; • identificarea consecinţelor; • estimarea mărimii consecinţelor; • estimarea probabilităţii consecinţelor.

Când în evaluare există un număr mare de poluanţi importanţi, trebuie să se acorde atenţie unei modalităţi mai clare de prezentare, prin redarea informaţiilor sub forma unei matrice de analiză a relaţiei sursă-cale-receptor, conform anexei A4.2 din Ordinul 184/1997, având forma redată în tabelul 18.1.

Tabel 18.1.

MATRICE pentru analiza relaţiei sursă-cale-receptor

Agent

poluant

Pericol(e)

Sursă(e)

Cale

(căi)

Ţinte

Atingerea

sursei,

căii, ţintei

Importanţa

riscului

Necesitatea

lucrărilor

de

remediere

Ape subterane

Ape de suprafaţă

Agent poluant 1

Sănătate umană

Floră Faună Clădiri/

folosinţe

Agent poluant n

Combinaţii de

Agenţi poluanţi

Aşadar, evaluarea riscului implică identificarea pericolelor şi aprecierea riscului pe care acestea îl prezintă, prin examinarea probabilităţii şi a consecinţelor (gravităţii) pagubei, care pot să apară din aceste pericole.

Evaluarea riscului poate servi la stabilirea clasificării după prioritate a


problemelor de poluare, pe baza mărimii riscului pe care îl prezintă, fie pentru fiinţele umane, fie pentru sistemele ecologice.

18.3. Evaluarea performanţelor de mediu

Evaluarea performanţelor de mediu (EPE) se bazează pe zicala, “ce se măsoară se gestionează”. A fost utilizat global de organizaţiile din sectorul energetic, industria prelucrătoare, servicii de sănătate, transport, pentru îmbunătăţirea performanţei de mediu, furnizarea unei baze pentru marcarea cotei zero a performanţei, demonstrarea conformităţii cu reglementările şi creşterea eficienţei operationale.

Metodologia EPE a fost stabilită în standardul ISO 14031, împreună cu beneficiile acesteia. ISO 14031 este un standard internaţional care descrie un proces pentru măsurarea performanţelor de mediu.

Procesul descris în standard se bazează pe modelul îmbunătăţit de proces al afacerilor, Planificare-Implementare-Verificare-Acţiune (Plan-Do-Check-Act–PDCA), redat în figura 18.1.

Fig.18.1. Modelul Planificare-Implementare-Verificare-Acţiune

EPE este un termen relativ nou, utilizat pentru descrierea unui proces clar de măsurare, analiză, raportare şi comunicare a performanţelor de mediu a unei organizaţii faţă de criteriile stabilite prin managementul propriu. Acest proces presupune colectarea de informaţii şi măsurarea eficienţei cu care o organizaţie gestionează aspectele sale de mediu, în mod continuu. Anumite concepte şi componente ale EPE au fost aplicate de mai bine de un deceniu. ISO 14031


furnizează acum o abordare structurată de urmat de către organizaţii, independent de localizare, dimensiune, complexitate şi tipul activităţii.

Obiectivele implementării unui program EPE includ: • o mai bună înţelegere a impacturilor unei organizaţii asupra mediului; • furnizarea unei baze pentru stabilirea cotei de nivel a performanţelor de

management, operaţionale şi de mediu; • identificarea oportunităţilor pentru îmbunătăţirea eficienţei energetice şi

utilizării resurselor; • determinarea situaţiei îndeplinirii obiectivelor şi ţintelor de mediu; • demonstrarea conformităţii cu reglementările; • determinarea alocării corespunzătoare a resurselor; • creşterea conştientizării angajaţilor; • îmbunătăţirea relaţiilor cu comunitatea şi clienţii.

Odată atinse aceste obiective, devin beneficii. Unul dintre primii paşi în aplicarea EPE implică identificarea aspectelor, a impacturilor asupra mediului şi stabilirea indicatorilor de performanţă pentru monitorizare.

ISO 14031 a pus accent pe definirea şi precizarea detaliată a trei tipuri de indicatori de bază, care pot fi utilizaţi pentru susţinerea managementului de mediu. Standardul face distincţie între indicatorii condiţiilor de mediu (ECI) şi indicatorii performanţelor de mediu (EPI). Indicatorii performanţelor de mediu sunt împărţiţi în indicatori de performanţă de management (MPI) şi indicatori

de performanţă în funcţionare (OPI). Exemplificarea acestor indicatori este prezentată în tabelul 18.2, [2].

Evaluarea performanţelor implică colectarea de date, transformarea datelor în informaţii, evaluarea informaţiilor şi comunicarea rezultatelor.

Pentru calcularea valorilor pentru indicatorii de performanţă selectaţi, este necesară colectarea datele pe baza unei proceduri de rutină. Multe dintre informaţiile solicitate pentru susţinerea unui program EPE pot fi obţinute din sursele de date existente. Acestea includ: reglementări, autorizaţii de funcţionare, proceduri şi înregistrări, rapoarte către agenţii guvernamentale, avize, date de productie, date de monitorizare a calităţii aerului şi apei, declaraţii privind deşeurile periculoase, interviuri cu angajaţii şi vecinii, documente şi desene ale sistemului operaţional, bugete de mediu, inventare chimice, înregistrări ale rezervoarelor de stocare şi înregistrări privind deversările.

Calitatea datelor este un aspect important şi toate datele trebuie colectate şi manipulate într-un mod structurat şi sistematic. Aceasta va asigura faptul că interpretările bazate pe date vor fi exacte, verificabile şi complete. Toate datele trebuie revizuite şi evaluate pe baza criteriilor pentru: acurateţe, eroare sistematică, vârstă, verificabilitate şi completitudine. Primul pas în convertirea datelor în informaţii este alegerea datelor pentru selecţia cu valori excepţionale, repartiţia bimodală, date cenzurate şi realizarea oricărei conversii de unităţi.


Tabel 18.2.

Exemple de indicatori de bază

Indicatori de

performanţă în

funcţionare (OPI)

Indicatori de performanţă

de management (MPI)

Indicatori ai condiţiilor de

mediu (ECI)

Materia brută utilizată pe unitatea de produs (kg/unitate)

Costurile sau bugetul de mediu ($/an sau €/an)

Concentraţii de poluanţi în atmosferă (µg/m3)

Energia utilizată anual pe unitatea de produs (MWh/ produs)

Procent din ţintele de mediu atinse (%)

Frecvenţa evenimentelor de smog fotochimic (nr./an)

Energia conservată (MJ) Numărul de angajaţi instruiţi / de instruit (%)

Concentraţii de poluanţi în apa subterană şi de suprafaţă (mg/l)

Numărul de evenimente de urgenţă sau opriri neplanificate (nr./an)

Număr de auditări (nr.) Schimbare în nivelul apei subterane (m)

Ore de întreţinere preventivă (h/an)

Număr de recomandări la audit (nr.)

Număr de bacterii coliforme pe litru de apă potabilă (nr./l)

Media consumului de combustibil a parcului de vehicule (l/100 km)

Timp petrecut pentru corectarea neconformităţilor de audit (pers.h)

Concentraţia de poluanţi în solul de suprfaţă (mg/kg)

Procent din conţinutul produsului care poate fi reciclat (%)

Număr de incidente de mediu (nr./an)

Suprafaţa terenului contaminat reabilitat (ha/an)

Deşeuri periculoase generate pe unitatea de produs (kg/unitate)

Timp petrecut pentru a răspunde la incidentele de mediu (pers.-h/an)

Concentraţia de poluanţi în ţesutul unei specii locale specifice (µg/kg)

Emisii de poluanţi specifici în aer (t CO2/an)

Număr de plângeri de la public sau angajaţi (nr./an)

Popularea cu o specie specifică de animale în cadrul unei arii definite (nr./m2)

Zgomot măsurat la receptor specific (dB)

Număr de atenţionări de mediu (nr./an)

Creşterea înfloririi de alge (%)

Evacuări de ape uzate pe unitatea de produs (kg/unitate)

Numar de furnizori contactaţi cu privire la managementul de mediu (nr./an)

Număr de internări pentru astm în timpului sezonului de smog (nr./an)

Deşeuri toxice eliminate prin prevenirea poluării (kg/an)

Costul proiectelor de prevenire a poluării ($/an)

Numar de peşti morţi într-un curs de apă specific (nr./an)

Număr de zile cu depăşiri de limite de emisie (zile/an)

Niveluri de management cu responsabilităţi specifice de mediu (nr.)

Niveluri de plumb în sângele angajaţilor (µg/100 ml)


De exemplu, normalizarea încărcării de contaminanţi pe unitatea de producţie (kg contaminant/unităţi de produs obţinut) furnizează mai multe informaţii decât concentraţiile de contaminanţi. Adesea, când se utilizează statistici şi analize de bază descriptive, reprezentarea grafică a datelor ajută la extragerea informaţiilor din datele primare. Instrumente utile de analiză a datelor includ: histograme, diagrame de dispersie, grafice de control şi analize de capabilitate a procesului.

Ultimul pas în analiza datelor este compararea informaţiilor cu criteriile de performanţă şi ţintele stabilite pentru organizaţie. Criteriul de performanţă poate fi derivat din specificaţiile găsite în reglementări, autorizaţii de funcţionare sau datele reper de evaluare a performanţelor. Există un interes crescut în industrie în stabilirea cotelor de nivel a performanţei pentru definirea „celei mai bune practici” şi a căilor eficiente din punct de vedere al costului pentru îmbunătăţirea performanţei. Acestea sunt văzute ca abordări complementare pentru abordările existente ale reglementărilor bazate pe risc.

Sarcina finală în completarea evaluării EPE sau pasul “implementare” a ciclului PDCA este de a comunica rezultatele acţionarilor interni şi externi. Acesta este un pas critic, dacă trebuie realizate îmbunătăţiri de mediu. El va duce la conştientizare, va demonstra angajamentul şi va pune informaţiile în mâinile celor responsabili pentru realizarea îmbunătăţirilor. Punctele importante care trebuie prezentate în raport includ:

• o descriere a activităţilor, produselor şi serviciilor de organizare; • o declaraţie a angajamentului organizaţiei pentru EPE, ca un instrument

pentru managementul de mediu; • o declaraţie a aspectelor semnificative de mediu şi a indicatorilor corelaţi

de performanţă; • o comparare a indicatorilor de performanţă cu criteriile şi ţintele stabilite; • tendinţa în performanţa de mediu a organizaţiei; • conformitatea cu legislaţia şi reglementările existente; • economiile de cost şi rezultatele financiare; • oportunităţi sau recomandări pentru îmbunătăţirea performanţelor de

mediu; • acţiuni care iau naştere din EPE.

Rezultatele pot fi comunicate ca rapoarte sau declaraţii publicate periodic. În pregătirea rapoartelor, trebuie acordată importanţă audienţei largi, deoarece diferitele persoane care le citesc au nevoie de variate tipuri de informaţii. O modalitate este pregătirea unui raport cuprinzător şi furnizarea de secţiuni specifice din raport pentru cei ce solicită cercetarea în funcţie de interes. O exemplificare a acestor rapoarte este prezentată în tabelul 18.3.

Rezultatele EPE trebuie revizuite periodic pentru identificarea oportunităţilor în vederea îmbunătăţirii performanţelor de mediu. Organizaţiile cu programe de


implementare a sistemelor de management de mediu certificate prin ISO 14001 sunt interesate să identifice îmbunătăţirile, care vor demonstra oportunităţi de prevenire a poluării; sunt cerinţe pentru menţinerea certificării.

Chiar dacă organizaţia este certificată ISO 14001 sau nu, revizuirea rezultatelor EPE trebuie să aibă în vedere, [4]:

• costurile şi beneficiile programului; • progresul cu privire la îndeplinirea ţintelor performanţei de mediu; • cât de corespunzătoare sunt criteriile de performanţă de mediu; • cât de corespunzători sunt indicatorii de performanţă de mediu selectaţi; • calitatea datelor şi metodele de colectare a datelor.

Tabel 18.3.

Rapoarte EPE avute in vedere de diferite audienţe

Secţiunea Management Departamente

relevante

Toţi

angajaţii

Agenţii

guvernamentale Public

Introducere � � � � � Informaţii de utilităţi şi produse

�

Calificările evaluatorului � �

Obiective, domeniu de aplicare, criterii

�

Metodologie � Date primare � Discuţii şi concluzii � �

Recomandări � � Sumar � � � � � Referinţe �

În revizuirea rezultatelor EPE, eforturile de îmbunătăţire se pot focaliza pe îmbunătăţirea calităţii datelor, intensificarea capabilităţii de evaluare, dezvoltarea de indicatori noi şi cu performanţă mai utilă, schimbarea domeniului de aplicare a programului şi furnizarea de resurse adiţionale sau de realocarea de resurse.

18.4. Concluzii

O evaluare a impactului asupra mediului, bine realizată, este independentă de orice sistem etic. Cu toate acestea, se pot ridica întrebări de ordin moral în


formularea unui dosar de decizii, bazat pe o evaluare asupra mediului. Unele dintre aceste întrebări sunt, [3]:

• Este etic să se limiteze resursele obţinute în urma extracţiilor prin creşterea preţurilor resurselor respective şi, drept urmare, limitând folosirea acestora doar la cei care şi le pot permite?

• Este etic să elimini locuri de muncă într-o zonă pentru a proteja mediul înconjurator pentru generaţiile viitoare?

• Este etic să se folosească o resursă până în stadiul în care generaţiile următoare nu o vor mai avea?

• Date fiind resursele fianciare reduse, este etic să se cheltuiască pentru micşorarea unui impact cu consecinţe ridicate, dar care este foarte probabil să nu aibă loc niciodată?

• Este etic să inchizi o fabrică, de exemplu de cherestea, eliminând locurile de muncă ale unei întregi comunităţi mici, pentru a salva pădurea?

Inginerii trebuie să ţină cont de faptul că nici una dinte aceste consideraţii nu face parte din evaluarea impactului asupra mediului. Acestea sunt probleme care trebuie luate în consideraţie de cei care întocmesc dosarele de decizie şi este responsabilitatea celor care iau aceste decizii.

Inginerilor li se cere să dezvolte, să analizeze şi să compare o serie de soluţii asupra unei anumite probleme de poluare a mediului. Aceste alternative trebuie privite în funcţie de impactul asupra mediului şi asupra economiei.

11 99 .. TT EE NN DD II NN ŢŢ EE VV II II TT OO AA RR EE ÎÎ NN DD OO MM EE NN II UU LL EE NN EE RR GG II EE --

MM EE DD II UU

19.1. Direcţii principale de acţiune

Principalele direcţii de acţiune viitoare în domeniul energie-mediu sunt: • diversificarea rezervelor de energie, prin dezvoltarea de tehnologii mai

pure şi mai eficiente pentru combustibilii fosili; • creşterea ponderii surselor de energie regenerabile la cel puţin 5 % în

toate ţările, până în 2010; • dezvoltarea tehnologiilor de producere a energiei regenerabile, pentru a

mări ponderea de regenerare în producţia şi consumul de energie; • sprijinirea ţărilor dependente încă de combustibilii fosili pentru

diversificarea surselor energetice; • creşterea eficienţei utilizării energiei, a resurselor şi încurajarea

utilizării iluminatului natural; • adoptarea unor politici de reducere a distorsiunilor de piaţă din sectorul

energetic, prin restructurarea reglementărilor privind taxele şi prin eliminarea subvenţiilor;

• reducerea fluctuaţiilor şi a instabilităţii de pe pieţele internaţionale prin promovarea cooperării între ţările consumatoare şi producătoare de petrol;

• promovarea susţinută a transporturilor publice, îmbunătăţirea eficienţei transporturilor, utilizarea unor vehicule nepoluante şi a unor combustibili mai curaţi.

Aproape de 2020, şi mai ales de 2050, perspectivele energetice rămân deschise:

• cererea mondială de energie primară va continua să crească, cu o rată posibilă sub 2 %, o descreştere neputând fi exclusă din ţările industrializate;

• partea din această cerere, utilizată sub formă de energie, poate să crească cu o rată superioară, de ordinul a 1.5 %, mai ales în ţările în curs de dezvoltare (Asia, în special);

• combustibilii solizi vor fi în continuare predominanţi până la mijlocul secolului următor, gazul natural câştigând loc pe piaţă în detrimentul petrolului; viitorul cărbunelui este nesigur, datorită contribuţiei sale ridicate la emisia gazelor cu efect de seră;

• sistemele naţionale de aprovizionare cu energie ar trebui să-şi îndrepte evoluţiile spre un pluralism tehnologic (o parte din energia nucleară şi din


sursele regenerabile foarte variate de la o ţară la alta) şi spre prioritatea curăţeniei mediului, a calităţii şi a flexibilităţii în criteriile de alegere tehnologice;

• dezvoltarea turbinelor cu gaze cu cicluri combinate.

Aceste tendinţe dificile nu exclud modificări de traiectorie legate de eventuale întreruperi de diverse ordine:

• atâta timp cât persistă legături foarte strânse între dezvoltarea transporturilor (necesarul de carburanţi) şi petrolul brut din Orientul Mijlociu, aprovizionarea energetică mondială va rămâne vulnerabilă, deci supusă la riscurile unor eventuale crize petroliere;

• transportul rutier, urban şi interurban, ar deveni în mod progresiv o problemă complexă şi dificilă a sistemelor de aprovizionare energetică; de aici intensitatea presiunilor în vederea schimbărilor instituţionale şi tehnologice (maşina electrică sau hibridă, biocarburanţi);

• un accident nuclear comparabil cu cel de la Cernobâl (1986) ar însemna probabil, întreruperea pe timp îndelungat a dezvoltării acestei surse de energie, de la care se aşteaptă 10÷15 % din aprovizionarea energetică mondială în 2050;

• amânarea contribuţiei cărbunelui ar putea fi, sub raport social, refuzată de teama efectului de seră;

• faţă de aceste riscuri, de natură diferită, recurgerea la energiile recuperabile (40 % dintr-o cerere menţinută la 14 Gtep în 2050) ar impune perturbaţii cu greu compatibile cu evoluţiile tehnologice, economice şi sociale observate, în special în ţările în curs de dezvoltare şi în cadrul fostelor economii socialiste în tranziţie;

• prevenirea riscurilor, prin creşterea generalizată şi continuă a eficienţei energetice, este o orientare perfect raţională, dar ea impune condiţii (preţul energiei, programe de cercetare, norme tehnice), care nu se întâlnesc astăzi în prea multe ţări;

• la modul mai general, în sfârşit, toate perspectivele energetice descrise presupun investiţii susţinute, niciodată sub 1.2 % din PIB-ul mondial;

• imposibilitatea de a atinge acest obiectiv ar putea avea grave consecinţe, mai ales în regiunile mondiale unde nevoile energetice sunt cel mai puţin satisfăcute.

19.2. Reducerea impactului consumului de energie asupra mediului

Emisiile de gaze cu efect de seră din domeniul energetic au scăzut în raport cu totalul emisiilor de gaze cu efect de seră înregistrat între 1990 şi 2000, proporţia acestora din urmă ajungând la 82 %. Reducerea emisiilor din domeniul energetic

Tendinţe viitoare pentru protejarea mediului 331

poate fi atribuită parţial, închiderii unor centrale din Marea Britanie şi Germania. Totuşi, Uniunea Europeană a atins obiectivul de a stabiliza emisiile de dioxid de carbon în anul 2000 la nivelul anului 1990, cum rezultă din figura 19.1. Cu toate acestea, va fi dificil să se realizeze obiectivele specificate în protocolul de la Kyoto, de a reduce până în 2010 emisiile totale de gaze cu efect de seră cu 8 %, faţă de nivelul din 1990.

În lipsa unor măsuri suplimentare, este puţin probabil ca emisiile totale în 2010 să fie la acelaşi nivel ca şi în 1990, scăderea emisiilor din afara domeniului energetic fiind depăşită de creşterea emisiilor datorată în principal sectorului de transporturi.

Fig. 19.1. Modificările emisiilor de gaze cu efect de seră pe sectoare economice între 1990-2000

Presupunând că obiectivul Protocolului de la Kyoto va fi atins utilizând doar măsuri interne, majoritatea statelor membre nu au făcut suficiente progrese pentru a asigura atingerea obiectivelor ce le revin conform acordului de divizare a sarcinilor UE. Analiza stadiului îndeplinirii obiectivelor, efectuată în baza datelor din 2000, arată că Finlanda, Franţa, Germania, Luxemburg, Suedia şi Marea Britanie au redus emisiile totale, suficient pentru a putea atinge obiectivele în 2010.

Totuşi, în toate statele membre, cu excepţia Suediei, emisiile din domeniul energetic între 1990 şi 2000 au scăzut mai puţin sau au crescut mai mult decât emisiile totale, după cum rezultă şi din figura 19.2.

După 2010 se prevede continuarea creşterii consumului de energie, cel puţin până în 2020. Atingerea obiectivului propus de Comisia Europeană, de reducere până în anul 2020 a emisiilor totale în UE cu 1% pe an, faţă de nivelul din 1990,


necesită schimbări pe termen lung în modelul de producere şi utilizare al energiei (centrale electrice, construcţii, transport).

Fig. 19.2. Performanţele ţărilor în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră

În statele membre UE sunt în curs un număr de iniţiative care vor pregăti drumul pentru reducerea pe termen lung a emisiilor de gaze cu efect de seră din domeniul energetic. De exemplu, şapte state membre au introdus deja taxe pe carbon.

Consumul de energie este o sursă majoră de poluare atmosferică. Acesta contribuie la peste 90 % din emisiile de bioxid de sulf din UE, la aproape totalitatea emisiilor de oxizi de azot, la aproape jumătate din emisiile de compuşi organici volatili fără metan şi la aproximativ 85 % din particule.

Măsurile luate pentru reducerea poluării atmosferice din sectorul energetic au avut succes. Acestea includ introducerea de convertizoare catalitice, utilizarea de tehnologii de combatere a poluării, conform directivei privind limitarea emisiilor anumitor poluanţi în atmosferă de la instalaţiile mari de ardere, şi utilizarea celor mai performante tehnologii disponibile, conform directivei pentru prevenirea şi


controlul integrat al poluării. De asemenea, o contribuţie importantă la reducerea poluării atmosferice, a fost trecerea de la utilizarea cărbunelui la utilizarea gazului natural.

În sectorul energiei electrice, mai mult de jumătate din reducerile emisiilor de bioxid de sulf şi oxizi de azot au fost determinate de introducerea măsurilor de combatere a emisiilor; aproximativ un sfert din reduceri s-au datorat modificărilor în compoziţia combustibililor fosili, iar restul reducerilor se datorează creşterii eficienţei producerii de electricitate cu ajutorul combustibililor fosili, precum şi procentului mai mare al surselor de energie nucleare şi regenerabile. Modificarea emisiilor totale şi de oxizi de azot în UE, între 1990 şi 2000, sunt redate în figura

19.3.

Fig. 19.3. Modificări în emisiile totale de oxizi azotici şi a celor din domeniul energetic, în 1990 şi 2000

Obiectivele privind reducerile emisiilor totale (din domeniul energetic şi din afara acestuia) de bioxid de sulf, oxizi azotici şi compuşi organici volatili non-metan pentru 2010, în raport cu 1990, au fost stabilite în directiva privind limitele naţionale de emisii. În general, UE este pe cale de a atinge aceste obiective şi face mari progrese în reducerea emisiilor de particule. Emisiile din domeniul energetic ale tuturor acestor agenţi poluanţi au fost reduse mai rapid decât emisiile totale.

Majoritatea statelor membre au contribuit la aceste reduceri, însă Grecia, Irlanda, Portugalia şi Spania trebuie să ia măsuri suplimentare pentru a asigura respectarea obiectivelor care le revin.

Alte presiuni asupra mediului, datorate producerii şi consumului de


energie, includ deşeuri miniere şi nucleare, contaminarea apei provenite din minerit, scurgerilor şi deversărilor de petrol în ape maritime, contaminarea solului din cauza scurgerilor şi deversărilor de combustibili lichizi, precum şi impactul asupra ecosistemelor, produs de construirea şi funcţionarea barajelor mari.

Evoluţiile acestor domenii sunt monitorizate şi datele, deşi nu foarte complete, sunt suficient de exacte pentru a permite o evaluare a presiunilor provocate de poluarea cu deşeuri radioactive.

Continuă să existe scurgeri de la tancurile petroliere, deşi frecvenţa şi volumul acestora s-au diminuat în ultimii zece ani. Poluarea mediului marin, cu petrol de la rafinării, platforme maritime şi scurgeri accidentale, provenite de la tancurile petroliere, este redată în figura 19.4.

Fig. 19.4. Poluarea mediului marin cu petrol

Acest lucru poate fi datorat şi caracterului neregulat al apariţiei acestor accidente, însă este încurajator faptul că are loc o aparentă îmbunătăţire, în ciuda creşterii transportului de petrol pe cale maritimă.

La această reducere au contribuit şi măsurile de siguranţă sporite, cum ar fi introducerea tancurilor petroliere cu carcasa dublă. În plus, deversările de petrol de la platformele petroliere maritime şi rafinăriile de coastă s-au diminuat, în pofida creşterii producţiei de petrol, ca rezultat al aplicării eficiente a tehnologiilor curate şi de separare.

Combustibilul nuclear uzat reprezintă deşeul cel mai puternic radioactiv, în multe cazuri fiind nevoie de câteva sute de mii de ani pentru ca acesta să se


dezintegreze. Deoarece cantitatea produsă depinde în principal de cantitatea de energie produsă de centralele nucleare, cantităţile de deşeuri produse anual vor scădea odată cu declinul producţiei de electricitate pe cale nucleară. În prezent, se desfăşoară studii pentru a găsi modalităţi de depozitare a deşeurilor, care să reducă preocupările tehnice şi pe cele ale publicului, privind potenţiala ameninţare pe care aceste deşeuri o reprezintă pentru mediu. În acest timp, deşeurile se acumulează în depozite.

În cadrul strategiei sale de dezvoltare durabilă, Comisia Europeană a propus un sprijin sporit pentru cercetarea şi dezvoltarea managementului deşeurilor nucleare.

19.3. Utilizăm mai puţină energie?

Unul dintre obiectivele strategiei UE, de integrare a factorilor de mediu în politica energetică, este creşterea economiilor de energie. Economiile de energie eficiente din punct de vedere financiar au, în principal, următoarele beneficii: reduc presiunea asupra mediului, cresc competitivitatea şi permit ţărilor să fie mai puţin dependente de importurile de energie.

Consumul de energie de către consumatorii finali a crescut între 1990 şi 2000, în toate sectoarele cu excepţia unuia, cea mai rapidă creştere a avut-o sectorul transporturilor. Uşoara scădere a consumului de energie în domeniul producţiei reflectă unele îmbunătăţiri în eficienţa utilizării energiei, însă principalele cauze sunt: trecerea la industrii cu consum mic de energie, realocarea industriilor energofage, în afara statelor UE, şi restructurările survenite după unificarea Germaniei.

Estimările pentru 2010 indică o continuare a creşterii consumului de energie, însă într-un ritm mai redus decât între 1990 şi 2000, în principal datorită reducerii ritmului de creştere a consumului de energie în sectorul de transport.

Acest lucru se datorează creşterii prognozate în eficienţa utilizării combustibilului de către autovehicule, în urma acordului voluntar între industria producătoare de autovehicule şi UE, nefiind prognozată o reducere a ritmului de dezvoltare a transportului rutier.

Energia electrică continuă să reprezinte un procent tot mai mare din consumul final de energie în toate statele UE (vezi figura 19.5), atât ca rezultat al creşterii numărului de aparate electrice în domeniul casnic şi al serviciilor, cât şi ca rezultat al utilizării mai frecvente a proceselor de producţie industriale bazate pe energie electrică.

Energia electrică este produsă utilizând alţi combustibili şi consumul unei unităţi de energie electrică înseamnă consumul a două până la trei unităţi din altă sursă de energie.

În consecinţă, creşterea consumului de energie electrică va avea ca efect o creştere disproporţionată a presiunilor asupra mediului, în special în ceea ce


priveşte emisiile de dioxid de carbon; reducerea acestor efecte negative asupra mediului este posibilă numai prin utilizarea unor tehnologii cu eficienţă ridicată şi cu emisii reduse.

Fig. 19.5. Consumul final de energie şi creşterea consumului de energie electrică, 1990-2000

Utilizarea energiei electrice pentru încălzire reprezintă o modalitate deosebit de ineficientă de utilizare a energiei. În Danemarca, Fondul de Economisire a Electricităţii, finanţat printr-un impozit pe consumul casnic de electricitate, permite guvernului să acorde subvenţii pentru trecerea locuinţelor de la încălzire electrică la încălzirea cu gaz metan/naturale sau la termoficare.

De asemenea, companiile de gaze naturale încurajează consumatorii să gătească utilizând gazul în locul electricităţii, instalaţiile noi fiind subvenţionate de stat.

19.4. Cât de rapid creşte eficienţa utilizării energiei

În general, obiectivul UE constă în reducerea intensităţii consumului final de energie în medie cu 1 % pe an, între 2001 şi 2010, faţă de nivelul care ar fi fost


atins în mod contrar. Intensitatea consumului de energie în economia UE a scăzut cu 0.9 % pe an

între 1990 şi 2000 (cum se observă din figura 19.6), această scădere nefiind aparent influenţată de politicile privind eficienţa utilizării energiei şi economisirii energiei. Ritmul lent de reducere a intensităţii consumului de energie se datorează unei combinaţii de factori, printre care prioritatea redusă acordată acestor politici, surse abundente de energie şi preţuri reduse la combustibili fosili.

Fig. 19.6. Modificările anuale în intensitatea energiei finale, 1990-2000

Creşterea generală a intensităţii consumului de energie a fost influenţată de scăderea substanţială care a avut loc în Germania, corelată cu îmbunătăţirea eficienţei utilizării energiei. Au avut loc reduceri deosebite în Luxemburg şi în Irlanda, datorită creşterii deosebite a ponderii industriilor cu consum mic de energie şi a sectorului serviciilor. Implementarea politicilor privind eficienţa utilizării energiei a jucat un rol important în reducerea consumului de energie în Danemarca şi Olanda.

În ansamblu, eficienţa conversiei energiei primare în energie utilizabilă nu s-a


îmbunătăţit între 1990 şi 2000, deoarece creşterea eficienţei proceselor de conversie a fost depăşită de procentul crescut de combustibili convertiţi (electricitate, produse petroliere etc.), din consumul final de energie, o evoluţie care se estimează că va continua.

Prin producerea combinată de energie termică şi electrică se evită o mare parte din pierderile de energie termică asociate cu producerea de energie electrică, deoarece se produce energie electrică, dar şi energie termică. Procentul de energie electrică brută, obţinută prin producerea combinată a energiei electrice şi termice, în 1995 şi 2000, în UE şi ţările membre este redat în figura 19.7. Obiectivul propus este de 18 % până în 2010.

Fig. 19.7. Procentul de energie electrică brută obţinută prin producerea combinată

19.5. Trecerea la utilizarea de combustibili mai puţin poluanţi

Strategia Comisiei Europene pentru întărirea integrării politicii de mediu în politica energetică accentuează necesitatea creşterii cotei de producere şi utilizare a energiei curate. Această strategie se reflectă în al şaselea program de acţiune, PC6, pentru mediu care, ca o componentă a acţiunilor prioritare privind schimbările climatice, încurajează utilizarea combustibililor regenerabili şi a combustibililor fosili cu conţinut redus de carbon pentru generarea de energie.

Procentul de combustibili fosili în consumul total de energie a scăzut uşor între 1990 şi 2000. Cu toate acestea, mediul a beneficiat de o modificare majoră a compoziţiei combustibilului fosil, procentul de utilizare al cărbunelui şi lignitului


scăzând cu aproximativ o treime, datorită înlocuirii lor cu gaz natural care este mai curat, conducând la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră şi de substanţe cu efect acid. Această schimbare s-a datorat, în principal, schimbării tipului de combustibili în producerea energiei, schimbarea fiind încurajată de eficienţa crescută şi costurile capitale scăzute ale centralelor pe gaz cu producţie combinată, de liberalizare a pieţelor energiei electrice, de preţul redus al gazelor naturale în prima parte a anilor 1990 şi de implementare a directivei UE privind centralele electrice mari.

Procentul de utilizare a petrolului a rămas constant pe piaţa energiei, reflectând dominaţia sa în sectoarele de transport rutier şi aerian aflate în continuă expansiune.

Estimările sugerează că vor exista doar modificări limitate în structura consumului de energie până în 2010, evidenţiind necesitatea creşterii sprijinului pentru surse de energie regenerabile. De asemenea, se estimează o creştere a procentului de combustibili fosili în producerea energiei electrice, în timp ce va continua trecerea la producerea de energie electrică pe bază de gaze naturale.

Se estimează că trecerea de la cărbune la gaz natural să nu continue după anul 2010. Se aşteaptă o creştere a emisiilor de dioxid de carbon datorită creşterii producţiei de energie electrică prin utilizarea combustibililor fosili, creşterii lente a producţiei de energie electrică din utilizarea surselor de energie regenerabilă şi datorită scăderii producţiei de energie electrică în centrale nucleare, din cauza desfiinţării acestora.

19.6. Implementarea tehnologiilor pentru energie regenerabilă

Atingerea obiectivelor privind energia regenerabilă va fi o provocare. Ţinând cont de creşterea estimată a consumului de energie, ritmul de dezvoltare a surselor de energie regenerabile (energie electrică şi termică) va trebui să crească de mai mult de două ori, faţă de intervalul 1990-2000, pentru a asigura atingerea obiectivului UE, de a satisface cu ajutorul surselor de energie regenerabile 12 % din totalul consumului de energie până în 2010. De asemenea, rata de creştere a cotei de energie electrică din surse regenerabile va trebui să se dubleze, pentru a putea atinge obiectivul UE de asigurare a 22.1 % din consumul brut de energie electrică din surse regenerabile până în 2010.

Dezvoltarea surselor de energie regenerative este obstrucţionată de obstacole financiare, fiscale şi administrative, de eficienţa economică scăzută a unor surse de energie regenerabile şi de lipsa de informare şi încredere a investitorilor.

Există, totuşi, semne încurajatoare că rata dezvoltării surselor de energie regenerabile va putea fi accelerată considerabil prin intermediul unor măsuri de sprijinire corespunzătoare. De exemplu, expansiunea rapidă a energiei electrice solare şi eoliene în UE a fost declanşată de Danemarca (numai energie eoliană),


Germania şi Spania, având ca efect măsuri de sprijinire, cum sunt cele care garantau un preţ fix avantajos. În mod similar, între 1990 şi 2000 Austria, Germania şi Grecia au contribuit cu 80 % din instalaţiile solare termice noi din UE.

În Austria şi Germania dezvoltarea echipamentelor termice solare a fost sprijinită de politica activă a guvernelor, corelată cu scheme de subvenţionare şi strategii de comunicare. În Grecia, dezvoltarea a fost sprijinită prin subvenţii guvernamentale.

Sursele de energie regenerabilă contribuie în foarte mică măsură la consumul în creştere din transporturi. Proiectul de directivă UE pentru promovarea utilizării combustibililor biologici în transporturi prevede că până în 2010, aproape 6 % din benzina şi motorina vândute pentru transporturi să fie obţinute din combustibili organici. Totuşi, producerea acestor combustibili consumă multă energie şi ar putea concura cu alte recolte pentru teren agricol. Există, de asemenea, întrebări cu privire la nivelul de oxizi azotici şi particule provenite din combustibili biologici.

În România, oportunitatea punerii în practică a unei strategii energetice pentru valorificarea potenţialului surselor regenerabile de energie, oferă cadrul adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice şi înscrierea în aquis-ul comunitar în domeniu. Valorificarea potenţialului surselor regenerabile de energie conferă premise reale de realizare a unor obiective strategice privind creşterea siguranţei în alimentarea cu energie prin diversificarea surselor şi diminuarea ponderii importului de resurse energetice, respectiv, de dezvoltare durabilă a sectorului energetic şi protejarea mediului înconjurător.

Obiectivele privind valorificarea surselor regenerabile de energie din România constau în, [1]:

• integrarea surselor regenerabile în structura sistemului energetic naţional (pe bază de resurse convenţionale);

• eliminarea barierelor tehnico-funcţionale şi psiho-sociale din procesul de valorificare a surselor regenerabile de energie şi încadrarea în limitele elementelor de cost şi eficienţă economică;

• promovarea investiţiilor private şi crearea condiţiilor de facilitare a accesului capitalului străin pe piaţa surselor regenerabile;

• diminuarea gradului de dependenţă al economiei naţionale faţă de importurile de energie primară;

• asigurarea alimentării cu energie în comunităţile izolate, prin valorificarea potenţialului resurselor locale de energie;

• asigurarea condiţiilor de participare a României la piaţa europeană de „Certificate verzi” pentru energia din surse regenerabile.

Programul de valorificare a surselor regenerabile de energie se înscrie în cerinţele de mediu asumate prin Protocolul de la Kyoto, ratificat de Uniunea Europeană (la 5 martie 2002) şi de România (Legea nr. 3/2001).

Măsurile principale pentru conformarea legislaţiei române la legislaţia


europeană sunt: • elaborarea cadrului organizatoric adecvat pentru urmărirea acţiunilor în

domeniul surselor regenerabile de energie; • facilitarea accesului la baza de date şi informaţii aferente structurilor

specializate din Uniunea Europeană în domeniul resurselor regenerabile de energie;

• realizarea de programe pentru valorificarea potenţialului energetic al surselor regenerabile;

• identificarea de resurse financiare disponibile pentru susţinerea proiectelor în domeniul surselor regenerabile de energie, prin cuantificarea unor cote-părţi de plată aferente fiecărui consumator de acest tip de energie.

19.7. Trecerea la un sistem de preţuri care să încorporeze mai bine costurile de mediu

Preţurile la energie nu reflectă întotdeauna costurile acestora pentru societate, deoarece preţurile nu ţin cont în totalitate de impactul pe care îl are producţia şi consumul de energie asupra sănătăţii umane şi asupra mediului. De exemplu, costurile externe pentru energia electrică sunt estimate, pentru UE, la aproximativ 1÷2 % din PIB şi reflectă dominaţia combustibililor fosili în producerea acesteia.

Sunt sugerate diferite instrumente, cum ar fi promovarea măsurilor fiscale precum impozitele şi subvenţiile legate de mediu, cât şi depistarea subvenţiilor care împiedică utilizarea eficientă a energiei, în scopul eliminării lor treptate. Prin instrumente economice se înţelege orice instrument care urmăreşte să introducă o schimbare în comportamentul agenţilor economici, prin internalizarea costurilor de mediu sau de epuizare a resurselor naturale.

Cea mai răspândită şi folosită clasificare a instrumentelor economice pentru controlul poluării şi managementul resurselor naturale este cea realizată de OECD. Principalele tipuri de instrumente sunt:

• taxe / tarife / impozite de emisie – plăţi directe bazate pe măsurători sau estimări ale cantităţii şi calităţii poluantului;

• taxele / tarifele / impozitele utilizatorului – plăţi pentru costul serviciilor colective, care sunt în primul rând folosite de către autorităţile locale ca procedeu de finanţare, de exemplu, pentru colectarea şi tratarea deşeurilor solide şi a apei uzate; în cazul managementului resurselor sunt plăţi pentru folosirea unei resurse naturale (de exemplu resurse minerale, parcuri, facilităţi pentru pescuit şi vânătoare);

• taxele pe produs sunt aplicate produselor care creează poluare mai mare atunci când sunt produse, consumate sau îndepărtate (de exemplu


fertilizatori, pesticide, bacterii) şi urmăresc să modifice preţurile relative ale produselor şi/sau să finanţeze sistemele de colectare şi tratare;

• amenzi de nerespectare - impuse poluatorului care nu se conformează cu cerinţele si reglementările privind managementul resurselor naturale sau de mediu şi sunt proporţionale cu o serie de variabile selectate, precum pagubele datorate nerespectării şi profitul influenţat de faptul că prin nerespectarea reglementărilor, costurile sunt mai reduse;

• sisteme de rambursare a garanţiei – plaţi făcute la achiziţionarea unui produs (de exemplu ambalaje de sticlă), care apoi sunt rambursate în întregime sau parţial când produsul este returnat vânzătorului sau unei unităţi de tratare specializată;

• licenţe, drepturi şi cote de poluare (comercializabile, transferabile), menţionate adesea şi ca licenţe de poluare sunt bazate pe principiul politic conform căruia, orice creştere a emisiei sau folosirii resurselor naturale trebuie să fie compensată de o descreştere a unei cantităţi echivalente de emisii (uneori chiar mai mare), conducând la comerţul cu emisii poluante;

• garanţii de performanţă – pentru a garanta respectarea cerinţelor de mediu sau ale resurselor naturale, poluatorii sau utilizatorii trebuie să plătească un depozit sub forma unei „garanţii”, care este rambursată când se realizează această respectare;

• plăţile de responsabilitate sunt plăţi făcute în conformitate cu legislaţia de răspundere civilă, pentru a compensa daunele cauzate de o activitate poluatoare şi pot fi făcute către „victime” (de la poluarea permanentă sau accidentală) sau către guvern;

• subvenţiile cuprind toate formele de asistenţă financiară explicită acordată poluatorilor sau utilizatorilor resurselor naturale (de exemplu donaţii, împrumuturi cu dobândă mică, suspendarea impozitelor, amortizarea accelerată etc.).

Subvenţiile pentru energie, între 1990 şi 1995, au fost orientate spre combustibilii fosili şi nucleari, în pofida impactului asupra mediului şi a riscurilor asociate cu aceşti combustibili.

De menţionat că, mai nou, termenul „taxă” este folosit dacă veniturile sunt colectate de către fondurile de mediu, fondurile pentru apă sau întreprinderile publice care furnizează servicii municipale, cum ar fi epurarea apelor uzate şi managementul deşeurilor solide. Dacă venitul nu este alocat pentru cheltuieli de mediu, se foloseşte termenul „impozit”.

Ţinând seama de intenţia şi structura taxelor şi a impozitelor, se pot face distincţii suplimentare, pentru a evidenţia scopul şi funcţionarea instrumentului, respectiv:

• taxele sau impozitele de încurajare, care sunt instrumente având ca scop principal modificarea comportamentului de deteriorare a mediului;


• taxe pentru recuperarea costurilor care sunt taxe ce urmăresc să acopere costul serviciilor publice sau de mediu, furnizate consumatorului individual sau public, fiind întâlnite în sectoarele de alimentare cu apă, epurarea apelor uzate si managementul deşeurilor;

• impozite fiscale de mediu, care au drept scop principal creşterea veniturilor (producerea unor venituri substanţiale peste cele cerute prin alte reglementari de mediu, iar modificarea comportamentului ar putea avea loc, dar nu este conform intenţiei iniţiale).

Cheltuielile guvernamentale ale statelor membre pentru cercetare şi dezvoltare în domeniul energetic au scăzut între 1990 şi 2000, însă s-au concentrat în continuare pe energia nucleară. Procentul bugetului de cercetare şi dezvoltare dedicat surselor de energie regenerabile şi conservării energiei a crescut, însă în termeni absoluţi a cunoscut o oarecare scădere. Sunt necesare date mai recente pentru a determina dacă aceste modele de subvenţii au continuat.

Preţurile energiei au scăzut între 1985 şi 2001, cu excepţia preţurilor la motorină şi benzină fără plumb. Această evoluţie a reflectat tendinţa internaţională în ceea ce priveşte preţurile combustibililor fosili şi orientarea către pieţe liberalizate de gaz şi electricitate, care au stimulat concurenţa preţurilor. Reducerile au survenit în pofida creşterilor impozitelor pe energie, în afara energiei electrice industriale, pentru care impozitele au fost reduse.

În lipsa unui cadru politic adecvat, care să urmărească internalizarea completă a costurilor externe pentru mediu şi în lipsa unui management mai bun al cererii de energie, este probabil că reducerea preţurilor la energie va descuraja investiţiile pentru economisirea energiei şi va încuraja consumul de energie.

Instrumentele economice reprezintă elemente esenţiale pentru o dezvoltare durabilă de mediu. Fără să aprofundăm discuţia şi să abordăm vasta literatură de specialitate, [2], care se ocupă cu înţelesuri variate şi sensuri posibile ale termenului „dezvoltare durabilă”, se poate spune că ideea de dezvoltare durabilă pune trei probleme fundamentale ale alocării optime, distribuţiei optime şi proporţiei optime, urmărind principiile de durabilitate, suficienţă, echitate şi eficienţă.

Alocarea optimă reprezintă împărţirea resurselor între folosinţele bunurilor alternative, dând oamenilor ceea ce vor şi pentru care pot plăti: instrumentele pentru atingerea eficienţei într-o economie de piaţă sunt preţurile relative.

Distribuţia optimă reprezintă împărţirea resurselor în produsele lor finale între oameni, se găseşte în interiorul limitelor de echitate şi suficienţă, iar instrumentul politic este transferul plăţilor şi limitarea inegalităţilor.

Proporţia optimă nu a fost recunoscută în mod tradiţional de către teoria şi politica economică, iar astăzi nu există instrument politic disponibil.

Instrumentele economice facilitează internalizarea costurilor de mediu, astfel încât, atât costurile sociale, cât şi cele private să fie încorporate. Se cunoaşte


că activitatea economică produce bunuri şi servicii care au un preţ (costuri private). Ca efect secundar al activităţii economice, pot apărea şi alte costuri de folosire a mediului. În realitate, asemenea costuri sociale de folosire a mediului, numite costuri externe, sunt parţial sau nu sunt deloc incluse în preţurile plătite de către producători sau consumatori. Cu cât alinierea între costurile totale sociale şi cele de producţie şi consum private este mai strânsă, cu atât preocupările de mediu reprezintă componente esenţiale ale procesului decizional economic. Ca instrumente pentru internalizare, instrumentele economice corectează omiterea costurilor sociale în luarea deciziei private şi reface preţurile relative care reflectă adevăratele limitări ale resurselor lipsă şi exprimă mai corect semnalele de piaţă. În absenţa internalizării, subevaluarea unor bunuri şi supraevaluarea altora transmit semnale şi stimulente eronate şi conduc la folosirea ineficientă şi risipirea resurselor.

O formă severă de eroare a pieţei, datorată externalităţilor necalculate, poate fi observată, de exemplu, la arderea combustibilului fosil, la centralele electrice pe cărbune. Arderea cărbunelui duce la emisii de: a) poluanţi locali, cum ar fi CO, NOx şi particule în suspensie, care pot afecta sănătatea omului; b) poluanţi regionali, cum este SO2, care poate afecta agricultura şi construcţiile datorită ploilor acide şi c) poluanţi globali, cum este CO2 care contribuie la încălzirea globală. Costurile ocazionate de astfel de pagube nu sunt incluse în preţul plătit de producătorii sau consumatorii de energie, în schimb acestea sunt în final plătite de societate sau indivizi care nu beneficiază direct de centrala electrică. Asemenea preţuri furnizează semnale incorecte de piaţă, încurajând producerea energiei sub nivelul eficienţei economice pentru economie în ansamblu şi descurajează dezvoltarea, transferul şi adoptarea unor tehnologii de producţie eficiente din punctul de vedere al energiei, al proceselor şi echipamentelor de control şi reducere a poluării şi a alternativelor utilizând mai puţin combustibilul poluant. Dacă producţia de cărbune este subvenţionată peste costurile externe neîncorporate, acest lucru îndepărtează economia de la politicile necesare unei energii durabile.

Alt exemplu este oferit de cel al costurilor externe neîncorporate privind folosirea autovehiculelor. Preţurile maşinilor şi ale benzinei nu includ costurile de folosire a terenului pentru construirea drumurilor, costurile generate de poluarea aerului şi cea sonoră, costurile provocate de accidente, costurile care apar datorită timpului pierdut în blocările de trafic etc. Întrucât asemenea externalităţi nu sunt incluse în preţuri, ele creează mari distorsiuni pe piaţă, prin încurajarea activităţilor care pot fi foarte costisitoare pentru societate, chiar dacă beneficiază utilizatorul individual al maşinii. Bineînţeles că este o activitate dificilă de a estima valoarea economică a externalităţilor, iar anumite externalităţi nici nu pot fi evaluate, ca de exemplu, pierderea unei vieţi într-un accident de maşină. Cu toate acestea, estimările recente ale costurilor externe ale transportului rutier în Uniunea Europeană le arată ca fiind în medie 4.2 % din PIB în fiecare an, [3].

În cazul soluţiilor de comandă şi control pentru controlul poluării, se


preconizează ca toţi poluatorii să-şi reducă poluarea în aceeaşi măsură (de exemplu corespunzător unui aceluiaşi standard impus), fără a ţine seama de costurile lor pentru realizarea acestui lucru. Cu toate acestea, un instrument economic permite fiecărui poluator să decidă dacă este mai ieftin să suporte cheltuielile poluării impuse de instrument sau să plătească pentru reducerea poluării. În consecinţă, instrumentele economice au un potenţial de a minimiza costul total al realizării unui control al poluării date, dacă poluatorii cu costuri de reducere marginale mai scăzute îşi vor micşora emisiile mai mult decât poluatorii care se confruntă cu costuri mai ridicate (“eficienţă statică”). Mai mult chiar, întrucât poluatorii se confruntă cu un preţ pe fiecare unitate a emisiilor care rămân, există un stimulent permanent pentru reducerea poluării şi pentru dezvoltarea tehnicilor de control mai eficiente („eficienţă dinamică”).

Un exemplu de eficienţă dinamică este oferit de taxele pe produs (de exemplu pe fertilizatori, pesticide, baterii, combustibili) unde taxele măresc preţul relativ al acestor produse, furnizând astfel un stimulent permanent pentru folosirea şi fabricarea celor mai puţin poluante (de exemplu combustibili cu conţinut scăzut de sulf în comparaţie cu cei cu conţinut ridicat). Instrumentele economice se autoreglează, în sensul că ele permit agenţilor economici să se adapteze semnalelor de piaţă în modul cel mai eficient.

Instrumentele economice susţin principiile “Poluatorul plăteşte” şi “Utilizatorul plăteşte”. Principiul Poluatorul Plăteşte (PPP) stabileşte că poluatorii trebuie să suporte întreaga responsabilitate financiară pentru reducerea poluării. PPP este una dintre pietrele de temelie ale politicii de mediu atât în UE, cât şi în OECD, recent fiind adoptat de majoritatea ţărilor europene şi din fosta URSS. Este în general acceptat că scopul responsabilităţii financiare impuse de PPP constă în conformarea cu legislaţia de mediu. De notat că respectarea instrumentelor de “comandă şi control” reprezintă, de asemenea, aplicarea PPP, dacă poluatorii nu primesc subvenţii. De fapt, PPP a fost la început introdus pentru împiedicarea folosirii subvenţiilor de mediu. Subvenţiile pot intra în contradicţie cu PPP şi pot denatura competiţia. Posibilele excepţii pentru aplicarea subvenţiilor fără violarea PPP sunt definite atât în documentele OECD, cât şi în cele ale UE, [4]. Elementul comun al acestor excepţii este acela că subvenţiile trebuie să fie aplicate temporar şi îndreptate spre problemele specifice de mediu pentru a fi acceptate.

Acest concept a evoluat, prin perfecţionări şi definiţii introduse în documentele de politică de mediu ale OECD şi UE. Principiul poluatorul plăteşte, a început ca un principiu economic şi s-a dezvoltat treptat în unul legislativ. El a devenit parţial, nu încă în totalitate, identificat cu internalizarea totală a tuturor efectelor externe ale poluării. Instrumentele economice sunt recunoscute ca o cale, dar nu singura, de realizare a acestei integrări, [5].

O extensie a PPP este principiul mai larg Utilizatorul plăteşte (PUP). Deşi PUP beneficiază de puţină recunoaştere în documentele politice şi legislative, deja a început să fie aplicat de facto în multe ţări prin intermediul unor instrumente ca


taxele utilizatorului (apa, deşeuri) şi taxele şi impozitele pe resursele naturale. PUP se vor extinde prin accentul pus pe dereglementarea şi privatizarea în sectoarele de alimentare cu apă, furnizare a energiei şi management al deşeurilor în multe ţări, rezultând astfel necesitatea luării în considerare a politicilor bazate pe costuri totale (prezente şi viitoare, interne şi externe).

Dată fiind incertitudinea efectelor multor substanţe chimice şi altor produse asupra omului şi mediului, orice creştere a ecoeficienţei care încurajează instrumentele economice poate ajuta la implementarea Principiului Precauţiei. În linii mari, principiul precauţiei cere ca, dacă o activitate sau substanţă comportă un risc semnificativ în ceea ce priveşte deteriorarea mediului, aceasta nu ar trebui nici să fie produsă, nici să fie folosită, sau ar trebui să fie adoptată numai la un nivel minim şi cu maximum de protecţie.

În contrast cu reglementările de comandă şi control, care nu generează venituri şi care adesea reprezintă cheltuieli suplimentare efectuate de către agenţiile de reglementare guvernamentale, taxele şi impozitele de mediu generează venituri

publice suplimentare pentru un cost suplimentar redus. În cazul taxelor de recuperare a costului, cum ar fi taxele utilizatorului pentru epurarea apei uzate, energie, drumuri şi accesul în parcuri, folosirea apei şi managementul deşeurilor solide, veniturile colectate ajută utilităţile să furnizeze servicii de calitate, favorabile mediului şi permit recuperarea totală a costurilor dacă taxele sunt stabilite la un nivel destul de ridicat.

Veniturile din taxe şi impozite pot fi folosite pentru finanţarea programelor guvernamentale de sprijinire şi ecofinanţare prioritară a investiţiilor de mediu, sau pentru alte cheltuieli guvernamentale independente de cheltuielile de mediu.

Instrumentele economice sunt compatibile cu tendinţele priorităţilor actuale din reformele de reglementare şi fiscale, care au ca obiective principale îmbunătăţirea competiţiei de piaţă, îmbunătăţirea eficacităţii intervenţiei guvernului (inclusiv punerea în aplicare), respectarea cu mai multă atenţie a cerinţelor consumatorului, reducerea costurilor şi promovarea inovaţiilor tehnologice.

Eco-impozitele ar trebui să fie considerate în contextul altor priorităţi fiscale ale guvernelor, cum ar fi reducerea deficitului, crearea de locuri de muncă şi cheltuielile de sănătate. Problema este dacă există potenţial pentru reforma eco-impozitelor deoarece, în majoritatea ţărilor cu economie în tranziţie (cazul României), ponderea totală a impozitului este deja ridicată; evaziunea fiscală este importantă; există puţine impozite de mediu care să contribuie la schimbarea veniturilor; practicile actuale de alocare a taxelor de poluare sunt în contradicţie cu schimbarea venitului.

Instrumentele economice pot avea efecte pozitive asupra inovaţiilor şi a competitivităţii prin preţurile mai ridicate pentru poluare sau resurse, care încurajează noi procese, tehnologii şi produse. Un exemplu sunt impozitele pe CO2

sau pe energie din punct de vedere al mediului în ţările scandinave care stimulează


dezvoltarea unor tehnologii mai curate de producere a energiei. De notat că acest rezultat este mărit prin cheltuirea totală sau a unor părţi din veniturile pe proiectele de eficienţă ale energiei şi pe proiectele care au ca scop dezvoltarea surselor de energie regenerabilă şi comercial viabile, etc. Un alt exemplu este impozitul SUA asupra CFC, care încurajează dezvoltarea substituenţilor chimici care sunt apoi exportaţi.

Prin urmare, prin creşterea preţului poluării şi resurselor, instrumentele economice ajută economia să se îndrepte spre o folosire mai “eco-eficientă”, a resurselor. În concordanţă cu Consiliul Afacerilor Mondiale pentru o Dezvoltare Durabilă (WBCSD), ecoeficienţa se referă la eficienţa cu care sunt folosite resursele de mediu pentru a satisface nevoile umane. OECD defineşte: “Eco-eficienţa este atinsă la distribuirea la un preţ competitiv a bunurilor şi serviciilor care satisfac nevoile umane şi determină calitatea vieţii, odată cu reducerea progresivă a impactului ecologic şi intensitatea resurselor pe tot parcursul ciclului vieţii, la un nivel cel puţin aliniat la capacitatea portantă estimată a pământului”.

Un instrument economic care este proiectat să aibă un impact stimulativ şi va forţa poluatorul să aleagă, dacă evită costurile impuse de instrument, investind în măsuri care sunt mai puţin poluante sau suportă acele costuri. Datorită acestei funcţii de stimulare, instrumentele economice proiectate în mod adecvat, influenţează alegerea şi comportamentul poluatorului pe termen lung.

Cheia instrumentelor economice este capacitatea lor de a utiliza puterea pieţei şi interesul individului, prin schimbarea stimulentelor economice faţă de producători şi consumatori.

Problemele de mediu care îşi au originea în sursele de poluare difuză, cum sunt emisiile de la transport, deşeurile de la anumite produse specifice şi agrochimicalele, sunt dificile şi costisitor de abordat prin intermediul instrumentelor de comandă şi control. Instrumentele economice, ca de exemplu taxele pe produs, garanţiile de rambursare şi licenţele de poluare, pot atinge şi controla surse dispersate şi minore mult mai uşor şi la un cost eficace. În cazul surselor la scară mică şi surselor de poluare difuză, măsurile de sprijinire, de tipul campaniilor de informare, pot fi de asemenea importante.

Documents

Impactul CTE asupra mediului (curs)