Poluarea aerului Filtre electrostatice pentru controlul poluării poluării aerului
Atmosfera este învelişul gazos care înconjoară pământul. În atmosferă, aerul ocupă 96% din volum, restul de 4% revenind vaporilor de apă. Aerul uscat este un amestec de gaze format din: 78% azot, 21% oxigen, din cantităţi mici de bioxid de carbon (0,03% in aerul normal) şi gaze rare (argon, neon, heliu).
Poluarea atmosferei este determinată de deversarea şi acumularea în aer a unor substanţe străine care afectează în măsură mai mare sau mai mică compoziţia acestuia, determinând variaţii ale proprietăţilor atmosferei. Prezenţa unor astfel de substanţe este nocivă deoarece afectează şi poate chiar distruge echilibrele ecologice şi implicit viaţa omului. Substanţele nocive eliberate în aer se dispersează în atmosferă şi sunt răspândite la distanţe foarte mari, ca urmare a deplasării ap a din precipitaţii prin intermediul căreia maselor de aer. O mare parte sunt preluate ulterior de apa ajung în apele de suprafaţă (râuri, lacuri, mări şi oceane) sau în sol. Poluarea provine din surse naturale si antropice. Sursele naturale de poluare atmosferică pot fi: - solul, din care se elimină particule solide (praf), gaze și vapori de apă; - plantele și animalele, care elimină polen, spori, păr, pene, etc.; erupțiile vulcanice, din care rezultă praf, gaze, vapori de apă; - cutremurele, generatoare de praf pentru aer și uneori, prin crăpăturile scoarței apărute, posibilități de eliminări de gaze; - praful cosmic și meteoriții.
Sursele antropice de poluare atmosferică sunt de fapt activitățile umane desfășurate în industrie, transporturi, agricultură și cele menajere. O altă clasificare a surselor de poluare cuprinde sursele fixe și sursele mobile de poluare atmosferică. Sursele fixe sunt constituite din: - dispozitivele de combustie industriale și menajere, menajere , care emit pulberi, oxizi de carbon, de sulf,
de azot, etc. Cu cât combustibilul este de calitate mai scăzută, arderea decurge cu randament mai mic și se elimină cantități mai mari de poluanți. Astfel, cărbunii inferiori (lignitul, cărbunele brun, turba, şistul bituminos) lasă la ardere cantităţi mari de d e cenuşă, CO, CO2, SO x, NOx. Păcura elimină CO, CO2, SOx, iar gazul metan (combustibil superior) numai CO2 şi urme de CO; - Instalaţiile industriale din chimie, metalurgie, materiale de construcţii etc. elimină oxizi de Fe, Mn, Cr, Ni, Zn, Pb, Cd, Cu, SiO2, CO2, C, etc.; - Vulcanii, apele stătătoare (bălţi, mlaştini) emit diverse gaze, vapori ; de pe sol, animalele şi plantele în putrefacţie - Rezidiile de orice provenienţă, de pe
constituie tot atâtea
surse fixe de poluare atmosferică. Sursele mobile de poluare împrăştie la distanţe mult mai mari decât sursele fixe, diverşi poluanţi. In această a ceastă categorie intră: vântul, păsările, apa, mijloacele de transport rutier, pe calea ferată, naval şi aerian. Imprăştierea poluanţilor depinde şi de starea de agregare, a gregare, iar la particulele solide şi lichide şi de mărimea particulelor. Astfel, particulele solide vor cădea mai repede, cu cât diametrul şi densitatea lor sunt mai mari, cele lichide vor cădea la distanţă mai mare, diametrul mare favorizând căderea, iar gazele vor fi transportate la distanţa cea mai mare poluând o arie mult mai mare
Poluanţii atmosferici produc efecte directe, imediate cât şi efecte indirecte, pe termen lung. Un exemplu de efect direct este fenomenul de smog (fum, ceaţă) datorat gazelor de eşapament şi compuşilor organici incomplet arşi care reacţionează fotochimic formând peroxiacetilnitrat. Efectul de smog are efecte multiple: reduce vizibilitatea pe arterele de
circulaţie, determină afecţiuni respiratorii, erodează clădirile, determină degradarea spaţiilor verzi, etc. Dintre efectele indirecte, pe termen lung, cele mai importante sunt efectul de seră, distrugerea stratului de ozon și ploile acide, cauzate de acumulările de dioxid de carbon, freoni, oxizi de azot, de sulf, etc.
Efectul de seră a produs creşterea temperaturii medii anuale pe glob de la 1 4°C în anul °
°
°
1880, la 15 C în 1980, previziunile pentru anul 2050 fiind de minim 17 C, maxim 20 C. Consecinţele efectului de seră s-ar concretiza în: topirea gheţarilor şi creşterea nivelului apelor mărilor şi oceanelor cu 1-2 m, inundaţii, schimbări climatice (în regimul precipitaţiilor, al vânturilor), deplasarea zonelor climatice şi de vegetaţie. Vor fi în pericol teritoriile litorale joase din: Olanda, Thailanda, statele insulare, oraşul Cairo, unele delte importante (pe Gange, Nil), etc. Presupunând o topire totală a calotelor de gheaţă numai din Antarctica s-ar ridica nivelul marin
cu 6 m, fără a lua în calcul ceilalţi gheţari din Arctica şi din munţi. Sunt posibile migrări masive ale populaţiei. Va fi afectată puternic şi situaţia alimentaţiei mondiale, deoarece vegetaţia naturală are nevoie de câteva secole pentru adaptare la noile condiţii de climă. Pădurile aflate la latitudini medii îşi vor strânge aria. Grosimea stratului de ozon. La 35 km altitudine există un strat de câţiva mm grosime de ozon, care are rolul de a reţine parţial radiaţiile ultraviolete din radiaţia solară. La concentraţii mai mari, pe plante apar mai întâi dungi argintii, după care urmează uscarea prematură. La concentraţii mai reduse, radiaţiile ultraviolete produc arsuri la plante, sau pe dermă, afecţiuni ale ochilor. La expuneri îndelungate, în timpul verii, în special între orele 13 - 15, la oameni pot
apărea afecţiuni de la înroşirea dermei la cancer de piele, iar la ochi, iritaţii, cataractă. Ploile acide. Oxizii de sulf şi de azot prezenţi în concentraţie mare în atmosferă, proveniţi din creşterea consumului de combustibili fosili, industria chimică, metalurgică, erupţii vulcanice, sau procese de oxidare a unor materiale biologice, în contact cu apa de ploaie produc ploi acide,
deci soluţii diluate de acid sulfuric şi azotic. Aceste ploi au o sumă de efecte negative: - distrug vegetaţia, în special pădurile de conifere, prin distrugerea directă a clorofilei; - dizolvă sărurile de calciu şi magneziu din sol, producând carenţa în aceste elemente, acidifierea solului şi carenţe în nutriţia plantelor; - dizolvă stratul protector de ceară de pe frunze, copacii devenind mai puţin rezistenţi la acţiunea dăunătorilor; - suprafertilizează solul, plantelele crescând foarte repede, prematur; - acidifiază lacurile, dispărând peştii. Sunt afectate mai mult lacurile vulcanice. Ploile acide se manifestă la distanţă mare de locul emiterii agentului poluant, uneori şi la sute de kilometri. Acţiunea lor este mai puternică în regiunile reci, în care conţinutul de amoniac din aer (ce le-ar putea neutraliza) este redus.
Ecotehnologii de purificare a aerului poluat
Aerul poluat rezultat din procese industriale, arderi etc. se evacuează în atmosferă la înălţime mare faţă de sol, pentru ca poluanţii să fie antrenaţi de curenţii de aer şi diluaţi, astfel încât la sol să nu se depăşească concentraţiile maxim admise de le ge. Coşurile industriale trebuie să corespundă următoarelor criterii: - să fie mai înalte de cel puţin 2,5 ori faţă de orice denivelare
a solului, sau decât clădirile existente în apropiere, pentru a se evita turbulenţa ce poate provoca o poluare intensă; - viteza de ieşire a gazelor trebuie să fie de 20 - 30 m/s, pentru a fi împrăştiate la distanţă mare; - înălţimea coşului trebuie să asigure la sol o concentraţie doar de 0,01 - 0,1 % din concentraţia aerului evacuat. Coşurile industriale pot avea 250 - 350 m înălţime. In cele mai numeroase cazuri, aerul poluat se purifică mai întâi, după care se evacuează în atmosferă. Procedeele de purificare a aerului urmăresc reducerea concentraţiilor de poluanţi sub limitele legale, stabilite prin standard. In practică se utilizează procedee: - fizice, pe cale uscată sau umedă; - procedee chimice. Procedee fizice de purificare a aerului
Prin procedee fizice se îndepărtează substanţele solide de diferite dimensiuni, substanţele lichide şi unele gaze conţinute în aer. Principalele procedeele utilizează ca principii de funcţionare: - sedimentarea; - schimbarea direcţiei gazelor; - filtrarea şi electrofiltrarea . Substanţele solide se pot separa din aer în camere de depunere din zidărie, în care gazele îşi micşorează viteza, cu sau fără schimbarea direcţiei de mişcare. Particulele solide cu diametrul mediu de 150 - 200 μm nu mai sunt antrenate de aer, greutatea lor devine mai mare decât forţa de antrenare şi se depun. In calea gazelor se pot aşeza şi şicane care schimbă direcţia gazelor, accelerând depunerea prafului (fig. 1).
a)
b)
Fig. 1. Camere de depunere a – simplă; b – cu șicane
sunt utilaje pentru desprăfuirea aerului industrial, în care aerul pătrunde tangenţial, are o mişcare turbionară până la baza ciclonului, după care schimbă direcţia, ridicându-se şi ieşind central pe la partea superioară. Praful se depune la schimbarea direcţiei gazelor şi se colectează pe la baza ciclonului (fig. 2). Cicloanele
Fig. 2. Ciclon
sunt utilaje ce conţin saci din material textil prin care aerul încărcat cu suspensii este obligat să treacă. Materialul filtrant reţine o parte din praf, care se colectează prin scuturare la intervale de timp. Din aceste prafuri industriale se pot valorifica substanţe valoroase, Filtrele cu saci
ca de exemplu oxizi de vanadiu, de aluminiu, de fier, crom, etc. (fig. 3). Sacii textili se pot
confecţiona din fibre naturale (bumbac, lână), sintetice (poliamide, PNA, poliesterice) şi minerale (sticlă siliconizată şi vată de zgură), care se aleg în funcţie de temperatura gazelor.
Fig. 3. Filtru cu saci
Filtrele electrostatice (denumite curent electrofiltre) , realizează separația prafului prin ionizarea gazelor purtătoare a particulelor de cenusă și prin urmare, tensiunea de lucru a acestora este ridicată. Filtrele electrostatice lucrează prin încărcarea prafului cu ioni și apoi colectarea particulelor ionizate pe o suprafață colectoare, de formă tubulară sau plată, care este de obicei curațată prin răzuire. La tensiune ridicată, peste 30 kV curent continuu, se stabilește un câmp electric între bobina electrodului central și suprafața de colectare. Orice aerosol care intră în acest spațiu liber este încărcat și bombardat de acești ioni, astfel că migrează spre suprafața colectoare sub efectul atracției electrice și al bombardării, cum se observă și din figura 4. Când particulele ajung pe suprafața colectoare, își pierd sarcina electrică și aderă la aceasta datorită forței de atracție, unde vor rămâne fixate pâna la întreru perea curentului și îndepărtarea fizică prin răzuire, curățare sau vibrații.
Fig. 4. Schema de principiu a unui electrofiltru. b - distanta dintre electrozii de ionizare (-) si cei de depunere (+) w - viteza de migrare a particulelor de praf spre electrozii de depunere ν - viteza de curgere a gazelor continand praf prin electrofiltru
Dupa forma electrozilor, filtrele electrostatice sunt tubulare sau cu plăci. La filtrele tubulare electrodul de depunere este un tub cilindric sau hexagonal, iar electrodul de ionizare o sârmă întinsă în lungul axei tubului. Aceste tuburi au diametrul de 150÷300 mm și o lungime de 3000÷4000 mm. Electrozii de ionizare sunt confecționați din sârmă de oțel cu diametrul de 1.5÷2 mm. Uneori sârma este prevazută cu țepi sau muchii pentru a mări posibilitatea de străpungere locală a câmpului. Filtrele cu plăci, prezentate în figura 5, sunt de fapt niște condensatori plani alcătuiți dintro serie de plăci paralele, ce constituie de fapt electrozii de depunere, iar între plăci sunt situați electrozii de ionizare, sub forma unor sârme la jumă tatea drumului dintre două plăci. Electrozii de ionizare sunt izolați de pământ, fiind legați la polaritatea (-), iar plăcile sunt legate la pamânt, formând polaritatea (+). Tensiunea aplicată este, în general, de ordinul U = 60100 kV c. c. Electrozii de ionizare se construiesc cu diametrul de 12 mm, eventual cu muchii și
vârfuri, pentru a produce o descărcare cât mai intensă. Particulele de cenusă din gaze se încarcă cu sarcini electrice și, datorită forțelor electrostatice, se deplasează cu viteza w spre electrozii de depunere. Viteza de mișcare a particulelor, w, în câmpul electrostatic depinde atât de caracteristicile mecanice și electrice ale purtătorilor, cât și de intensitatea câmpului electric.
Fig. 5. Schema unui electrofiltru cu plăci
La filtrele electrostatice umede are loc o stropire cu apa a amestecului impur de aer sau gaze, continând praf. Acest sistem este utilizat mai putin pentru retinerea particulelor solide de praf si mai mult pentru retinerea combinata a prafului si altor substante gazoase nocive.
electrostatice umede pentru picături și vapori sunt esențiale pentru procesul de eliminare a umidității gazelor. In figura 6 se prezintă un precipitator cu curățare umedă cu electrozi colectori tubulari. Irigarea suprafeț ei colectoare se face pe la partea superioară a Filtrele
tuburilor.
Fig. 6. Filtru electrostatic umed
Avantajele comparative ale utilizării filtrelor electrostatice în raport cu alte aparate colectoare de particule sunt: posibilitatea utilizării la temper aturi ridicate ale gazelor purtătoare (200÷250 °C) și prin urmare, se pot utiliza și furnale și generatoare de abur; au o extrem de mică cădere de presiune (10÷15 Pa), astfel încât, costurile cu energia electrică consumată de ventilatoare este minimă; eficiența colectării este extrem de mare (94÷99,5 %), dacă utilizarea este adecvată tipului de praf, însă dacă proprietățile prafului nu sunt bine cunoscute, această eficiență scade la 92÷95 %; pot acoperi un larg domeniu de mărimi de particule și concentrații de praf, dar cel mai eficiente sunt pentru particule mai mici de 10 microni; costurile de întreținere și reparare sunt mult mai mici decât pentru oricare alt tip de sistem de colectare.
Dezavantajele electrofiltrelor, care limitează într -o oarecare măsură folosirea lor, sunt: cost inițial ridicat; necesitatea unui spațiu de instalare mare; nu pot capta particule de praf combustibile, ca de exemplu praful de lemn; sunt inadecvate pentru variații brutale ale rezistivității prafului și debitului de gaze.
Măsuri de prevenire a poluării atmosferice
Metodele de prevenire a poluării atmosferei sunt cu mult mai avantajoase decât metodele de purificare. Aceste metode vizează sursele de poluare, deci activităţile umane din industrie, transporturi, agricultură şi domeniul casnic. Metodele de prevenire a poluării atmosferice pot pleca de la alegerea materiilor prime,astfel încât să rezulte cât mai puţini produşi neutilizabili, deci poluanţi. Etapa următoare este stabilirea variantei tehnologice, care trebuie să aibe în vedere şi criteriile ecologice. Amplasamentul întreprinderilor puternic poluante va fi în afara zonelor urbane. In timpul
funcţionării instalaţilor trebuie asigurată supravegherea permanentă, prin sisteme de automatizare, pentru evitarea accidentelor şi pierderilor de diferite substanţe în mediu. Transportul urmează să contribuie la reducerea poluării atmosferice, dar şi în alte medii, prin modificări constructive la motoare, la căile de rulare, sistemele de semnalizare, carburanţi etc.
Agricultura trebuie să utilizeze substanţele poluante şi în special pesticidele în cantităţi corect dozate, să combată eroziunea solului, să utilizeze mai mult metodele biologice etc. Activităţile casnice trebuie să reducă consumul de combustibil inferior, prin utilizarea sistemelor centralizate de pr oducere a căldurii şi curentului electric, să colecteze deşeurile de orice natură în zone cu această destinaţie, etc. Conflictele armate crează o puternică poluare atât atmosferică, cât şi a apelor şi solului. In atmosferă se împrăştie substanţe halogenate, toxice, radioactive, compuşi cu azot, hidrocarburi, particule de carbon, se distruge stratul de o zon etc. Evitarea acestor conflicte contribuie nu numai
la reducerea poluării, dar şi la distrugerea elementelor de civilizaţie umană şi a vieţilor omeneşti.
