49
9. predavanje: Transport zagađujućih supstanci (migracija POPs-a) Hemodinamika zagađujućih supstanci

supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

  • Upload
    others

  • View
    8

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

9. predavanje: Transport zagađujućih

supstanci (migracija POPs-a)

Hemodinamika zagađujućih supstanci

Page 2: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport polutanata između

delova životne sredine

Životna sredina se sastoji od sledećih sfera:

• Atmosfera

• Hidrosfera

• Pedosfera

• Litosfera

• Biosfera

Ovi delovi se mogu podeliti u poddelove –

npr. hidrosfera:

• okeani

• reke

• podzemne vode

• lednici

Transport polutanata u/kroz

delove životne sredine

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Kruženje – cirkulacija - ciklusi

Page 3: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Prirodni ciklusi u životnoj sredini

Prirodni ciklusi elemenata

• Ciklus ugljenika

• Ciklus azota

Ciklusi jedinjenja

• Geohemijski ciklus

• Biohemijski ciklus

Ciklusi u delovima životne sredine

• vodi

• zemljištu

Globalni antropogeni ciklus

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Ciklusi - transport

Page 4: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mehanizmi transporta polutanata u životnoj sredini

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 5: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport polutanata

u životnoj sredini

Pollutant Water

Atmosphere

Soil

Biota

dry

an

d w

et d

ep

osi

tio

n

vola

tiliz

atio

n

bio

accu

mu

lati

on

rele

ase

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Raspodelu diktira fugasnost.Ravnoteža se tesko postiže.Benzin isparava sa površine, uticaj vetraHerbicid molinat na poplavljenim poljima

Page 6: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Brzina disipacije molinata iz polja pirinča na 26°C prikazana:

(A)krivom disipacije

(B) kao zavisnost prvog reda. C0 je početna koncentracija a C koncentracija u vremenu t

(Soderquist i sar., 1977).

grafik funkcije ln(C0/C) u zavisnosti od vremena je prava linija čiji je nagibkonstanta brzine prvogreda k1

ln(C0/C) = k1t

t1/2 = ln 2/k1 = 0.693/k1

Page 7: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

• Karakteristika grafika funkcije kinetike prvog reda je da vreme potrebno da polovina preostale hemikalije nestane na bilo kommestu, poznato kao vreme poluživota t1/2 ostaje konstantno.

• U našem primeru, polovina molinata se rasipe (pređe) iz vode u vazduh, sediment, i biotu u roku od 3 dana, narednih 25% se izgubi tokom sledećih 3 dana, 13% ostaje posle 9 dana, a daljesmanjivanje se vrši po jednačini.

• Provera pokazuje da je rasipanje molinata zaista blizu kineticiprvog reda.

• Kad molekuli molinata napuste površinu vode, oni bivaju odnesenivazdušnim strujama. Kretanje vazduha, vode i zemljištaneprekidno pomera ravnotežu hemikalija između delova životnesredine.

Page 8: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Modeli hemijskog transporta – najmanje 8 glavnih mehanizama

Mokro i suvo taloženje (A), isparljivost iz vode (B),

advekcija pare i čestica u vazduhu (C),

kretanje u rastvoru i na suspendovanim česticama (D), oticanje (E),

isparavanje sa biljaka i zemljišta (F), filtriranje kroz zemljište (G) i

kretanje podzemnim vodama (H).

Kao što se vidi na Slici, hemikalije se kreću sa površinskim vodama, prodiru u zemljište i podzemne vode, i prelaze u atmosferu i kreću se kroz nju.

Page 9: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport unutar jednog dela

životne sredine

Mehanizam transporta: 1. Molekulska difuzija

Prvi Fick-ov zakon difuzije:𝐽 = −𝐷

𝜕𝐶

𝜕𝑥Gde jeJ … fluks difuzije (količina supstance po jedinici površine i jedinici vremena, mol m-2 s-1)

D … koeficijent difuzije (difuznost) [dužina2 vreme−1], m2 s-1

C … koncentracija [količina supstance po jedinici zapremine], mol m-3

x … rastojanje koje su molekuli prešli (m)dC/dz predstavlja promenu koncentracije sa rastojanjem

𝜕𝐶

𝜕𝑡= 𝐷

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2t … vreme (s)Ostali simboli kao iznad

• Spontani transport koji se odvija u pravcu: viša koncentracija ka nižoj koncentraciji

Drugi Fick-ov zakon difuzije:

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Ovaj izraz Fikovog zakona važi za difuziju samo u jednoj dimenziji, ali se može jednostavnoproširiti na realnije trodimenzionalne situacije

Page 10: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mehanizam transporta: 1. Difuzija

Difuznost u vazduhu:

23131

21

75.1

3

11

10VVP

mmT

D

air

air

A

+

+

= − [cm2 s-1]

Gde je:T – temperatura [K]mair – prosečna molekulska masa vazduha [28.97 g mol-1]m – molekulska masa jedinjenja [g mol-1]P – pritisak gasovite faze [atm]Vair – prosečna molarna zapremina gasa u vazduhu [~ 20.1 cm3 mol-1]V – molarna zapremina jedinjenja [cm3 mol-1]

Transport unutar jednog dela

životne sredine

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 11: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Za mnoga jedinjenja:

Dm = 2.7 x 10-4/M0.71 cm2/s

gde je M molekuska masa.

Pošto je Dm obrnuto proporcionalan kvadratnom korenu molekulske

mase, Dm može biti izračunat donjom jednačinom kada su vrednosti za

slična jedinjenja poznata.

Dm za etilbenzen (e) je 0.81 x 10-5 na 20 °C, a M = 106.2;

Dm za butilbenzen (b), čija je M = 134.2, može biti izračunat sa tačnošću

od ±10% jednačinom :

Dmb/Dme = Me0.5/Mb

0.5

• Dmb = (0.81 x 10-5)(10.3/11.6) = 0.72 x 10-5

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 12: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mehanizam transporta: 1. Difuzija

Difuznost u vodi:[cm2 s-1]

589.014.1

51026.13

VDW

=

Gde je: … viskoznost na datoj temperature [cPoise = 10-2.g.cm-1.s-1]V – molarna zapremina jedinjenja [cm3.mol-1]

Transport unutar jednog dela

životne sredine

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 13: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Turbulentna difuzija se uglavnom odnosi na mešanje.

• Ona se takođe pokorava Fikovom zakonu, ali je mnogo brža od

molekulske difuzije.

• U mirnoj vodi, Dm je obično oko 10-5 cm2/s

• U turbulentnoj vodi, koeficijent turbulentne difuzije Dt, koji je

veoma promenljiv, često može biti 1000 puta veći.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 14: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mehanizam transporta: 2. Advekcija

Advektivni transport predstavlja kretanje određene količine supstance pod uticajemukupnog kretanja fluida (npr. rekom ili vazduhom)

𝐹𝑎𝑑𝑣 = 𝐶 ∙ 𝑣

gde jeFadv … fluks advekcije (količina supstance transportovane po jedinici površine i

vremena, mol m˗2 s˗1)C … koncentracija supstance [količina supstance po jedinici zapremine], mol m-3

V … brzina toka [m s-1]

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Transport unutar jedne sfere životne

sredine

Ako se pollutant rastvara u površinskoj vodi, njegov transport biće identičan transport vode.Polutanti koji se ne mešaju sa vodom potonuće na dno ili plutati na površini u zavisnostiod specifične težine polutanta

Page 15: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport within one compartment

Mehanizam transporta: 2. Advekcija

Ukoliko je brzina protoka konstanta, tada vreme advekcionog transporta tadv može biti izračunato kao:

Gde je L … distanca advekcije [m]V … brzina protoka [m.s-1]

Konvekcija se obično definiše kao ukupan transport koji se vrši i difuzijom i advekcijom.

𝒕𝒂𝒅𝒗 =𝑳

𝒗[ s ]

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 16: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport polutanata između vode i

vazduha

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

• Henrijev zakon i particioni koeficient H’ povezuju

koncentraciju polutanta u vodenom graničnom sloju sa

koncentracijom u atmosferskom graničnom sloju, koji se nalazi

iznad vodenog.

• Henrijev zakon opisuje ravnotežno stanje, ali ne govori ništa o

brzini isparavanja.

Page 17: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport polutanta iz vode dubine

Z u atmosferu

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

J = KL (Cw – Ca/H') (mol/cm2/s)

1/KL = 1/kl + 1/H'kg (h/cm)

KL = koeficijent ukupnog prenosa mase,

kl = koeficijent prenosa mase u tečnoj fazi,

kg = koeficijent prenosa mase u gasnoj fazi,

H’ = bezdimenzionalna Henrijeva konstanta.

Molekuli krećući se iz vode u vazduhnailaze na otpor ostalih molekula u obefaze.Moraju da prođu vodeni granični slojbrzinom kl cm/s, izađu sa površine, i kreću se kroz atmosferski granični sloj nabrzinom kg cm/s .Brzina kojom prelaze iz vode u vazduh se predstavlja koficientom transfera mase, KL.Ovi koeficienti su povezani jednačinomputem njihovih recipročnih vrednosti:

Fuks, J, iz vode u vazduh je povezan sa KL

jednačinom, gde su Ca i Cw koncentracije u vazduhu i vodi.

Page 18: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Pošto hemikalije isparavaju iz vode brzinom prvog reda (isključujučiadvekciju), njihovo vreme poluživota može da pruži važne informacije.

Ako je dubina vode Z (cm), koncentracija C u bilo kom vremenu t je povezana gornjom jednačinom sa početnom koncentracijom C0 a jednačinom 10 sa vremenom poluživota.

Brzina vetra, kretanje vode i temperatura utiču na isparavanje

Ova Slika nudi pogodan i praktičan način da se proceni brzina isparavanja koja zavisisamo od H’. Ako je H’<10-5 hemikalije su manje isparljiveod vode (H’ = 2.5 x 10-5 na 25°C) i postaćekoncentrovanije pošto voda isparava brže. Kada je H’ od 10-5 do 5 x 10-4, kg dominiratransportom i isparavanje je sporo. Kada je H’ između 5 x 10-4 i 5 x 10-2, i kg i kl

utiču i isparavanje je umereno. Kada je otpor vodene faze kontrolisan iznad5 x 10-2 isparavanje će biti brzo. Henrijevakonstanta kao mera isparljivosti hemikalijaiz vode

Henrijeva konstanta kao mera isparljivosti

hemikalija iz vode

Page 19: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport između delova životne

sredine

• Mokra depozicija gasova i čestica

• Depozicija gasova na površinu (zemljište, voda, vegetacija)

• Reemisija iz vode, zemljišta i biote

• Suva depozicija čestica

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 20: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Atmosferska depozicija

predstavlja transport supstanci iz vazduha u vodu i/ili zemljište usled:

• Mokre atmosferske depozicije:

– Nukleacioni skavendžing (čestice aerosola iniciraju nastanak čestica

oblaka, a kasnije i kapi kiše)

– Skavendžing u oblaku (rain-out)

• čestice (npr. unutar magle)

– Skavendžing snegom (sneg koji pada “uklanja" supstance koje se nalaze

u vazduhu)

– Precipitaciono čišćenje (skavendžing ispod oblaka) (wash-out)

• kišne kapi u sudaru sa česticama

• Suve atmosferske depozicije:

– Depozicija aersola nakon adsorpcije gasova na površini čestica

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 21: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Atmosferska depozicija

Atmosferski unos = Ukupan fluks = = (Suvo uklanjanje + Mokro uklanjanje) – (resuspenzija + volatilizacija)

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Mokaatmosferskadepozicija

Mokaatmosferskadepozicija

Suva atmosferskadepozicija

Page 22: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Atmosferska depozicija

Fazna distribucija semivolatilnih polutanata

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 23: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport polutanta na česticama

• Hemikalije se ransportuju na ili u suspendovanim česticama.

• Mogu putovati kilometima adsorbovane na površinu čestica ili

apsorbovane u poroznom matriksu.

• Čestice se javljaju u širokom opsegu veličina, od glina sa prečnikom

od <1 µm do mulja i finog peska sa prečnikom od 1-200 µm i

konačno do grubog peska sa prečnikom do 1 mm ili više.

• Pošto brzina kojom se čestice sležu, vs, varira sa kvadratom njihovih

prečnika r samo manje čestice putuju veoma daleko.

• vs = 0.22 gr2(dp/dw – 1)/ηk = 344 r2

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 24: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Gustina čestica, dp, je prosečno 2.6 g/cm3; gustina vode gw je blizu

1.0 g/cm3; kinematička viskoznost vode ηk (viskoznost podeljena

gustinom na istoj temperaturi) je 0.0101 cm2/s na 20°C; i

gravitaciono ubrzanje g je blizu 980 cm/s2.

• Prema tome čestice peska sa prečnikom 200 µm će pasti 1 m za 29 s

pri temperaturi vode od 20 °C, dok će čestice gline prečnika 1.0 µm

padati 1.17 miliona sekundi (13.5 dana) duž iste distance.

• U stvari, zbog prečnika koji je mali, turbulencija a čak i Braunovo

kretanje može zadržati glinu suspendovanu neograničeno dugo.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 25: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Viskoznost je važna u kretanju vode i difuziji rastvorene supstance

kao i u taloženju i disperziji čestica nošenih vodom.

• Predstavlja otpor protoka fluida, i njena mera je puaz, 1 din/cm2 ili 1

g/cm/s. centipuaz (cp) je najzastupljenija jedinica i jednaka je 0.01

puaz ili 1 mPa s.

• Viskoznost vodenih rastvora i organskih i neorganskih jedinjenja

povećava se sa povećanjem molekulske mase i polarnošću, a opada

sa povećanjem temperature.

• Apsolutna viskoznost čiste vode je 0.89 cp na 25 °C (1.00 cp na 20

°C), dok je viskoznost 35 ‰ morske vode 0.96 cp, što znači da je

morska voda ''gušća '' i da će suspendovane čestice tonuti

sporije nego u slatkoj vodi.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 26: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Atmosferska depozicija

• Rain-out (skavendžing u oblaku), wash-out (skavendžing ispodoblaka) i depozicija: jednosmerni advektivni proces transporta.

• Adsorpcija gasa na površini zemljišta/apsorpcija u vodi: reverzibilniprocesi, smer zavisi od realnih uslova (fugasnost jedinjenja u obefaze na konkretnom mestu)

Fugasnost: parcijalni pritisak kod idealnih gasova: 𝒇𝑨 = 𝑨 ∙ 𝒙𝑨 ∙ 𝑷

gde je:

fA … fugasnost jedinjenja A

A … koeficijent fugasnosti jedinjenja A

xA … molarna frakcija jedinjenja A u smeši

P … ukupni pritisak

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 27: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Suva atmosferska depozicija

Brzina depozicije vd je obrnuto proporcionalna zbiru tri različita

otpora (analogno prolasku električne struje)

𝑣𝑑 =1

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 𝑅𝑐

Gde je:Ra = atmosferski otporRb = otpor laminarnog slojaRc = otpor površinskog sloja

Ra , Rb – zavise od stabilnosti atmosfereRc – zavisi od hemijskog sastava i fizičke strukture

površine recipijenta i deponovanog materijala

[m.s-1]

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 28: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Model otpornika kod suve

atmosferske depozicije

• Aerodinamički otpor (Ra) - wholly determined by atmospheric properties (predominantly turbulent exchange)

• Otpor laminarnih granica (Rb) accounts for pollutant transfer in the vicinity of receptor surfaces which is affected by the molecular diffusivity

• Otpor zastora ili površine (Rc) combines the consequences of all uptake processes involving individual elements of the surface into a single number that is characteristic of the pollutant in question and the surface at the site under consideration

• Gravitaciono sedimentacioni factor (Vg) is needed for larger (more dense) particles where the settling velocity is not negligible. Vg is a function of the particulate density and diameter.

𝑣𝑑,𝑡𝑜𝑡 =1

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 𝑅𝑐 + 𝑅𝑎𝑅𝑏𝑉𝑔+ 𝑉𝑔

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 29: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Suva atmosferska depozicija

Fluks suve depozicije Fsd može se izraziti kao:

𝐹𝑠𝑑 = 𝑣𝑑 ∙ 𝐴 ∙ 𝐶𝐴 ∙ 𝐹𝑅𝐴

Gde je:vd … brzina depozicije [m.s-1]A … površina dodirne površine vazduha/vode ili vazduha/zemljišta [m2]CA … atmosferska koncentracija jedinjenja A [mol.m-3]FRa … frakcija jedinjenja A asosovanog sa aerosolom

[mol.s-1]

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 30: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mokra atmosferska depozicija

– Precipitacioni skavendžing (bellow-cloud scavenging)

• kapi kiše se sudaraju sa česticama

– In-cloud scavenging

• čestice aerosola se sudaraju sa vodenim kapima u oblacim

(npr. unutar magle)

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 31: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Mokra atmosferska depozicija

• Fluks mokre atmosferske depozicije Fmd može se opisati sledećom

jednačinom:

𝑭𝒎𝒅 = ∙ 𝑨 ∙ 𝒛𝑨 ∙ 𝑪𝑨 [mol.s-1]

where: … ukupni skavendžing koeficijent [s-1]A … površina dodirne površine vazduha/vode ili vazduha/zemljišta [m2]zA … visina sloja vazduha [m]CA … atmosferska koncentracija jedinjenja A [mol.m-3]

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 32: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Sedimentacija

• Predstavlja tendenciju čestica u suspenziji da se talože, sedimentiraju

iz fluida pod dejstvom gravitacije

• Transportni mehanizam čestica u vodenom telu

Sedimentacioni transportni mehanizmi:

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 33: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Re-suspendovanje

Mogući putevi polutanata nakon re-suspendovanja

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 34: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport POPs-a kroz životn

sredinu

Zajednička svojstva perzistentnih organskih zagađujućih materija:1. perzistentnost:- otpornost na hemijsku, biohemijsku, fotohemijsku degradaciju - degradacija u životnoj sredini je spora ili praktično zanemarljiva.- sposobnost da ostane u životnoj sredini godinama.2. (Bio) akumulativne supstance:- akumulacija u abiotskom okruženju (interakcija sa organskom materijom u zemljištu i sedimentima)- akumulacija u masnim tkivima živih organizama (biokoncentracija, bioakumulacija)3. Toksičnost:- negativan uticaj na žive organizme u maloj koncetraciji- sposobnost transformacije u jedinjenja koja pokazuju toksične efekte4. Sposobnost transporta na velike udaljenosti:- Fizičke osobine jedinjenja5. Proizvodnja u značajnim količinama

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 35: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• 127 zemalja obuhvaćeno “Štokholmskom konvencijom"

• 2001. godine odlučeno je da se zabrani ili ograniči upotreba 12 vrsta

POPs-a, podeljenih u tri kategorije.

• Njihova specifična imena:

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 36: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• S obzirom da je “Štokholmska konvencija" stupila na snagu 2004.

godine, svaka zemlja potpisnica ima obavezu da kontroliše i

smanjuje pomenutih 12 vrsta POPs-a (nazvani “dirty dozen").

• Poslednjih godina, otkrivaju se nove zagađujuće supstance, kao

bromovani usporivači gorenja, perfluoro jedinjenja itd.

• Na Štokholmskoj konvenciji održanoj 2009. godine u Ženevi,

odlučeno je da se u Konvenciju doda još devet vrsta novih hemijskih

supstanci: perfluorooktan sulfonska kiselina i njene soli,

perfluorooktan sulfonil fluorid, komercijalni pentabromodifenil,

difenil etar, oktabromodifenil etar, hlordekon, lindan,

pentahlorobenzen, α-BHC (benzen heksahlorid (BHC)), β-BHC i

heksabromodifenil.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 37: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

POPs u životnoj sredini

Fizičko-hemijska svojstva organskih polutanata

relevantna za njihovu distribuciju u životnoj sredini

Svojstvo Svojstvo

Molekulska masa Napon pare

Struktura Henrijeva konstanta

Polarnost Kvoda/vazduh

Reaktivnost Kčestica/vazduh

Rastvorljivost u vodi Kčestica/voda

Rastvorljivost u lipidima Kvoda/zemljište

KOW distribucioni koeficijent BCF (Biokoncentracioni faktor)

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 38: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Dugodometni atmosferski transport

POPs jedinjenja

Klasifikacija POPs jedinjenja na osnovu mehanizma dugodometnog transporta:

1. Single-hop jedinjenja: • Neispraljiva,

• U vodi nerastvorna,

• Transportuju se česticama u

vazduhu i vodi.

• Jedinjenje se emituje u atnosferu,

transportuje i podleže depoziciji

na površinu tla i nikada se ne

vraća ponovo u atmosferu

O

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 39: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Dugodometni atmosferski transport

POPs jedinjenja

Klasifikacija POPs jedinjenja na osnovu mehanizma dugodometnog transporta:

2. Multi-hop jedinjenja: • Srednje isparljiva, distribuiraju se

između gasovite i kondenzovane

faze

• Jedinjenje ponovo ulazi u

atmosferu nakon inicijalne

depozicije na površinu tla, može

da putuje na veća udaljenje tokom

subsekventnih višestrukih

atmosferskih “skokova”; zove se

još i “efekat skakavca”

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 40: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Dugodometni atmosferski transport

POPs jedinjenja

Klasifikacija POPs jedinjenja na osnovu mehanizma dugodometnog transporta:

3. Non-hop jedinjenja: • Jedinjenja relativno rastvorna u

vodi

• Glavni Dugodometni transport je

kroz vodu

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 41: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Migracioni procesi POPs

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 42: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Globalna destilacija POPs

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 43: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport kroz zemljište

• U zemljištu postoji:

• Nezasićena zona, šupljine ili pore između čestica

predstavljaju 20-40% ukupne zapremine zemljišta i obično su

popunjene vodom i vazduhom.

• Ispod toga leži zasićena zona, obično sastavljena od peska i

šljunka čije su šupljine kompletno ispunjene vodom.

• Još dublje je nepropusni sloj.

• Polutanti se kreću kroz nezasićenu zonu po najmanje tri

mehanizma: u rastvoru, kao para i adsorbovane na čvrstim

česticama.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 44: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Vertikalno i bočno filtriranje vodenih

rastvora, verovatno najčešći mehanizam

transporta

• Često primoran pritiskom kiše ili vode za

navodnjavanje, rastvor filtriran zemljištem je

u bliskom kontaktu sa adsorbujućom

površinom, i ovakva forma hromatografije

rezultira odvajanjem rastvorenih supstanci u

zavisnosti od njihovih adsorbcionih

koeficienata.

• Distanca luženja, relativno rastojanje

koje polutant pređe, je obrnuto

proporcionalna koeficijentu raspodele za

zemljište, Kd

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Odnos distance luženja i

koeficienta raspodele na

zemljište Kd za nekoliko

pesticida (McCall i sar.

1981).

Page 45: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Hidrofobne hemikalije kao što je DDT, koje imaju veoma visok

Kd ili Koc, ostaju skoro na površini zemljišta, dok druge

migriraju proporcionalno dublje.

• Prvenstveno zbog karboksilnih grupa svoje organske frakcije,

ukupno naelektrisanje zemljišta je negativno, tako da se

anjonske supstance kao što su kiseli herbicidi ne vezuju i

putuju gotovo nesmetano, dok se katjoni kao što je parakvat

čvrsto vezuju za čestice.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 46: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Relativna pokretljivost hemikalija često se meri u laboratoriji

tako što se propušta rastvor kroz vertikalnu kolonu napunjenu

zemljištem određenog sastava i detektuje se koliko su prešle

hemikaliije u trenutku kada izađe prva kap vode ili se meri

vreme potrebno da hemikalija prođe kroz kolonu u odnosu na

vreme druge supstance poznate pokretljivosti.

• Međutim, još uobičajenija metoda je tankoslojna

hromatografija kada se pločica oblaže zemljištem, nanese

hemikalija na početnu tačku na pločici, i stavi pločica u vodu

koja se kreće kapilarnim silama uz površinu pločice, i detektuje

koliko je hemikalija migrirala

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 47: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

• Isparljive hemikalije migriraju u obliku pare kroz pore zemljišta.

• Ovo je glavni način migracije hemikalija koje pokazuju visok napon

pare i relativno slabu adsorpciju, kao što su metilbromid i

etilendibromid.

• Čak i u nezasićenoj zoni, voda konkuriše za sorpciona mesta, a

adsorbovane hemikalije mogu biti raseljene velikim viškom vode

usled kiše ili navodnjavanja.

• Na primer, analiza trifluralina (koji je inkorporiran u zemljište) u

atmosferi iznad tretirane oblasti pokazala je niske nivoe, ali odmah

nakon kratkotrajne kiše koncentracija je povećana 500 puta pošto je

herbicid bio isteran iz zemljišta (Soderquist i sar., 1975).

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Page 48: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Transport podzemnim vodama

• Prodiranje polutanata kroz površinu zemljišta i nezasićenu

zonu u podzemne vode smatralo malo verovatnim.

• migracija često veoma spora

• Jedan od prvih znakova ovog problema je bilo detektovanje

veoma isparljivog i toksičnog insekticida aldikarba u plitkim

podzemnim vodama, gde je verovatno prodro u vidu pare kroz

peskovito zemljište.

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković

Pesticidi i druge hemikalije se sada rutinski otkrivaju u podzemnim vodama iz bunaraOne uglavnom koje pokazuju visoke H' i niske Koc.

Page 49: supstanci (migracija POPs-a)nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2709/9. Transport...Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković Brzina disipacije molinata iz polja pirinčana

Literatura

• E. Mehmetli, B. Koumanova: The Fate of Persistent Organic Pollutants in the Environment. Springer 2008

• S. Harrad: Persistent Organic Pollutants. John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-1-40-51693-0

• R. Lohmann, K. Breivik, J. Dachs and D. Muir: Global fate of POPs: Current and future research directions. Environmental Pollution 150/1 (2007) 150-165

• M. Scheringer: Long-Range Transport of Organic Chemicals in the Environment. Environmental Toxicology and Chemistry 28/4 (2009) 677-690

• B. Xing, N. Senesi, P. Ming Huang: Biophysico-Chemical Processes of Anthropogenic Organic Compounds in Environmental Systems. Wiley 2011, ISBN 978-0-470-53963-7 (cloth), 978-0-470-94447-9 (e-Book), 978-0-470-94446-2 (e-PDF)

Hemodinamika zagađujućih supstanci - T. Anđelković