A szmog csökkentésére irányuló módszer
2012/5. lapszám | VGF&HKL online | 6752 |
Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A levegőszennyezés kérdése mindennapos téma. A különböző médiáknak köszönhetően az emberek egyre inkább tájékozottak azokkal a szennyezőanyagokkal kapcsolatban, melyeket belélegeznek. A hírekben szinte naponta hallani a légszennyezők határérték fölé emelkedéséről. Mivel az épületgépészet jelentős mértékben érintett a témában, indokoltnak láttuk cikkünk megjelentetését.
Bizonyos körülmények között a lebegő szilárd részecskék és egyéb légnemű szennyezők feldúsulása szmogot okoz. A forgalmas helyeken gyakran kialakuló füstköd ellen kényszerintézkedéseket hozhatnak az önkormányzatok, például a forgalom korlátozása, illetve lakossági felhívás a szilárd tüzelés csökkentésére formájában. Ezek a megoldások időszakos légszennyezettség-csökkenést eredményezhetnek, de nem jelentenek megoldást a problémákra. Az általunk bemutatott eszköz, a kéményeffektust kihasználva, képes lehet a város egy szennyezett területének kiszellőztetésére. A szmog vagy más néven füstköd a fosszilis, illetve biomassza tüzelőanyagok elégetése során levegőbe kerülő légszennyezők miatt alakul ki. Okozója elsősorban a járművek és a szilárd tüzelés füstgáza. A szmogot legtöbben a nagyvárosokkal és a járművek kibocsátásával azonosítják, azonban ez csak részben igaz. A füstköd nem a 21. század jelensége, sőt nem is köthető kizárólag a környezetszennyező gépjárművek tömeges megjelenéséhez. 1952 decemberében négy napig tartó súlyos szmog lepte be Londont. Kialakulását arra vezették vissza, hogy a háztartásokban rossz minőségű (magas kéntartalmú) és nagy mennyiségű szenet tüzeltek el. Számosan vizsgálták a kialakult helyzet egészségügyi hatását, és általánosan bizonyítottá vált az a tény, hogy ez alatt az időszak alatt jelentősen emelkedett a lakosság légzőszervi, szív- és érrendszeri megbetegedésének, illetve az ehhez társítható haláleseteknek a száma.
Füstköd-típusok
A földrajzi és időjárási körülményektől, valamint a levegőben található szennyezőanyagoktól függően kétféle füstködöt különböztetünk meg. Elnevezésük oxidáló/redukáló hatásuk, illetve első észlelési helyük (London és Los Angeles) alapján történt. A London-szmog redukáló hatású, a fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkezik. Nagy mennyiségű korom kerül a levegőbe, amely a porrészecskékkel együtt kondenzációs magok kialakulásához vezet. Emellett nő a kén-dioxid levegőbeli koncentrációja is, amely savas esők kialakulásához vezet. Ha a szennyezők koncentrációja magas, a levegő kén-dioxid-tartalma reakcióba léphet OH gyökökkel, kénessavat képezve. Hazánkra leginkább ez a típusú füstköd a jellemző. Kialakulása télen a legvalószínűbb, amikor a járművek okozta károsanyag-kibocsátás mellé jelentős szennyező hatással társul a szilárd tüzelés okozta emisszió.
A Los Angeles-szmog oxidáló hatású. Fotokémiai szmogként is ismert jelenség, amely elsősorban nyáron, erős napsütés esetén alakul ki. Legveszélyesebb alkotója az ózon. Kialakulásának feltétele az erős ultraibolya sugárzás jelenléte, a közlekedési járművek által kibocsátott szennyezőanyagok nagy mennyisége és a levegőmozgás hiánya. Jellemzően nitrogén-oxidok, szénhidrogének feldúsulása esetén alakul ki. Kialakulásában a következő reakció játszik kulcsszerepet: a nitrogén-oxid nitrogén-dioxiddá oxidálódik. Az így keletkezett molekula elnyeli a napból érkező ultraibolya sugárzást, és ennek hatására felbomlik. A szabad oxigén napsugárzás hatására ózont képez a levegő oxigénjével.
Ezekkel párhuzamosan a következő reakció is lejátszódik (4):
O3 + NO < > NO2 + O2
Az utóbbi reakció mindkét irányban lejátszódhat, irányát a hőmérséklet és a sugárzás mértéke szabja meg. Erős sugárzás esetén ózon keletkezik, amely rövid expozíciós idő alatt is irritálja a szemet, az orr- és toroknyálkahártyát, köhögést és fejfájást okoz. Krónikus hatás esetén hozzájárul az asztma kialakulásához, és csökkenti a tüdőkapacitást. A nitrogén-oxidok továbbá reakcióba lépnek az emittált szénhidrogénekkel, így peroxi-acetil-nitrát (PAN) keletkezhet.
Ha a PAN koncentrációja tartósan magas (>0,02 ppm), az rövid idő alatt a vegetáció, az emberi egészség károsodásához, továbbá a katalizátorfémek és az épített környezet korróziójához vezet. A Los Angeles-szmog erőteljes nyálkahártya-izgató hatással rendelkezik, ami köhögést és könnyezést okoz. Légszennyezés esetén korlátozó intézkedéseket vezetnek be, ami legtöbbször a forgalom korlátozását jelenti. Los Angeles odáig jutott, hogy betiltották a kerti sütéseknél használatos grillgyújtó folyadékot, légszennyező hatása miatt. A fent említett kémiai reakciók csak a szmogalkotó szennyezők legjellemzőbb reakciói. A valóságban a levegőben lévő szennyezőanyagok ezernyi módon lépnek reakcióba egymással.
Füstköd kialakulása
Általános esetben a szennyezőanyagok a levegővel keveredve fokozatosan hígulnak, és a levegő áramlása miatt a forrástól nagy távolságra is eljuthatnak. A terjedéssel kapcsolatban a legfontosabb kérdés, hogy a forrástól távolodva a helytől és az eltelt időtől függően hogyan változik a szóban forgó anyag koncentrációja. Ezt az eloszlást egyrészt a forrás típusa és mérete, a forrásnál lévő koncentráció és a kiáramlott szennyezőanyag mennyisége határozza meg.
Másrészt az eloszlásra a meteorológiai és földrajzi körülmények is jelentős hatással vannak. A legfontosabb meteorológiai tényező a szél, hiszen iránya meghatározza a terjedés irányát, nagysága pedig a hígulás mértékét. Erős szél esetén gyorsan megtörténik a szennyezett levegő elszállítása, és így nem alakul ki szmogveszélyes helyzet. Ugyanakkor télen, ködös időjárási helyzetekben, borult ég és gyenge légmozgás esetén, a szennyezőanyag a talaj közelében összegyűlhet. A légkörbe bekerült anyagok különböző fizikai és kémiai folyamatok hatására távoznak is onnan. A fizikai folyamat általában ülepedést jelent. Ebben az esetben a talaj egy viszonylag nagy felületű részén oszlik el a szennyeződés. Kémiai reakciók során a légkörben lévő szennyező reakcióba lép az atmoszféra egyéb gázaival, és reakciótermékként új, ugyancsak szennyező hatású vegyületek jöhetnek létre, például kén-dioxidból kénessav. Előfordulhat olyan kémiai útvonal is, aminek eredményeképpen a szennyező ártalmatlanná válik, ilyen eset lehet például a szén-monoxid szén-dioxiddá oxidálódása.
1. kép: sárga füstgyertya a légmozgás megfigyelésére a kémény alján
A szmogképződés időjárási feltételei
A Föld légkörének legalsó, tehát legsűrűbb rétege a troposzféra. A légkör össztömegének 75-80%-a a troposzférára esik. A legtöbb időjárási jelenség (felhő- és csapadékképződés, szél stb.) a légkör legalsó rétegében zajlik le. Ennek az a magyarázata, hogy a troposzférában éles hőmérsékletkülönbségek jönnek létre, a napsugárzás ugyanis először a földfelszínt melegíti fel, a felszín adja át a hőt a troposzféra legalsó sávjának, ezért a hőmérséklet a troposzférában felfelé fokozatosan csökken, 100 méterenként átlagosan 0,6 °C-kal. Olyankor azonban, amikor a földfelszín tiszta, szélmentes időben nagy mennyiségű hőt sugároz ki éjszaka, és ezáltal erősen lehűl, a hajnali-reggeli órákban előfordul, hogy a levegő legalsó rétege hidegebb, mint a néhány száz méter magasan elhelyezkedő légrétegek. Ilyenkor tehát a szokásos hőmérséklet-eloszlás (nagyobb magasságban alacsonyabb hőmérséklet) megfordul, idegen szóval invertálódik – innen származik az inverzió elnevezés. Ezt az időjárási jelenséget kiválóan szemlélteti a 2-3. ábra.
Kísérlet a szennyezők eltávolítására
Az inverziós réteg gyakorlatilag bezárja a szennyezőket a talajközeli rétegbe. Ezt a hatást csökkenteni olyan intézkedésekkel lehet, melyek hatására csökken a kibocsátó források száma (pl. szilárd tüzelés csökkentése, forgalomkorlátozás). Légmozgás hiányában vagy gyenge légmozgás esetén a szennyező-koncentráció növekedhet is, és több napig is eltarthat, míg a szennyezés feloszlik. Kutatásunk célja egy olyan eszköz, amelynek segítségével a kialakult szmog koncentrációja csökkenthető.
Ennek eszköze lehet egy az inverziós réteget áttörő „kémény”. A konkrét megvalósításhoz egy gyorsan felállítható, könnyű szerkezetű kéményt készítettünk, amelynek az alja a füstködből indul, teteje pedig az inverziós réteg fölé nyúlik. Ilyen módon természetes vagy mesterséges áramlás révén a szennyezett levegő el tud távozni a felállítás helyéről, helyébe a távolabbi városrészekből érkezik a kevésbé szennyezett levegő. Természetesen a berendezést lehetőleg a város legszennyezettebb helyén kell felállítani. A Miskolci Egyetem területén volt lehetőségünk elvégezni a kísérleteinket. Egy megfelelő területen állítottuk fel 3 különböző alkalommal a kéményünket. A kémény palástját alkotó anyag vékony, könnyű műanyag, vagy vászon.
A cső teste moduláris, elsősorban a szállíthatóság és szerelhetőség miatt. A kísérletekhez összesen 5 darab, egyenként 10 méteres szegmenst használtunk. A kémény alján szélesedő csonka kúp-palást (az ún. szoknya) szolgált injektorként. A kísérleti kémény átmérője 2 m, míg a szoknya alsó átmérője 6 m volt. A szegmensek és a szoknya rögzítése tépőzárral és rögzítő karabinerekkel történt. A kémény néhány méterrel a talaj felett lebegett, a tetejéhez emelőballonokat erősítettünk. Ezek az egyenként 5, illetve 3 méter átmérőjű, héliummal töltött ballonok tartották a levegőben a kéményszerkezetet. A kísérlet során a szmogot füstgyertyákkal szimuláltuk. Célunk volt a szennyezőanyagok terjedésének megfigyelése az áramlás beindulása esetén. Az 1. ábrán a kémény alja látható a szoknyarésszel, amint a füstgyertyából származó sárgás füst kitölti azt.
2-3 kép: Normál esetben (2) és inverziós réteg kialakulása esetén (3) a légköri hőmérsékletelosztás
Mivel a kísérleti kémény 50 méteres magasságával nem tudta áttörni az inverziós réteget (nem volt konkrét információnk az inverziós réteg elhelyezkedéséről), ezért nem alakult ki számottevő áramlás. Viszont a kivitelezés és tervezés során gyűjtött tapasztalatok nagyon hasznosak voltak, rámutattak a szerkezet gyenge pontjaira, ötletet adtak a továbblépéshez. Összességében a kezdeti kísérletek sikeresnek mondhatók, azonban ahhoz, hogy az eszköz gyakorlati alkalmazhatóságáról érdemi véleményt tudjunk mondani, további vizsgálatokat kell végezni. Ennek keretében részletes laboratóriumi modellkísérletekre van szükség a stabilitási, illetve konstrukciós kérdések megválaszolásához, valamint numerikus szimuláció segíthet a levegőtisztaság szempontjából reális méretek, sebességviszonyok meghatározásához. A törekvéseink reálisak, nem a valóságtól elrugaszkodottak.
Ennek bizonyítására Klaus S. Lackner és kollégái tanulmányára hivatkozom. Számításaik alapját egy 300 méter magas és 115 méter átmérőjű Heller-forgó jellegű torony képezi, amelynek a tetejére pumpált vizet radiális irányba permetezik, ezzel hűtve az ott lévő levegőt. A hőmérsékletcsökkenés miatt lefelé irányuló áramlás indukálódik a toronyban. Ilyen paraméterekkel naponta 15 km³ levegő áramlik át a tornyon. Az idézett szakirodalom szén-dioxid-csökkentési célú, a bemutatott torony elvben vagy a légkörből történő szén-dioxid-kivonásra, vagy villamos energia (3-4 MW) termelésére használható.
Számításaik szerint a fenti méretekkel rendelkező torony naponta 9500 tonna szén-dioxid megkötését tenné lehetővé. Tekintettel arra, hogy a jelen cikkben vázolt torony magassága körülbelül megfelel a Lackner-féle torony magasságának, a tervezett átmérője azonban csak 20 méter, a várható áramlási sebesség kisebb kell, hogy legyen a Lackner-torony esetén feltételezhetőtől. 5 m/s átlagos áramlási sebességet fel- tételezve a „szmogkémény” légszállító térfogatáramát várhatóan kb. 5,5 millió m³/órára becsüljük. Ebből következik, hogy a kémény óránként 1 km² területről 5,5 méter vastagságú légréteget mozgat át. Amennyiben e számításokat a gyakorlati mérések is igazolják, úgy az itt bemutatott eszköznek gyakorlatban is hasznosítható, lokális szennyezettség-csökkentő hatása lehet.
Nemes Alex, Palotás Árpád Bence
2-3. kép Normál esetben (2) és inverziós réteg kialakulása esetén (3) a légköri hőmérsékletelosztás
1. kép Sárga füstgyertya a légmozgás megfigyelésére, a kémény alján
Forráslista:
|
1. Andy Whittaker, Kelly Bérubé, Tim Jones, Robert Maynard, Roy Richards: 2. D.T. Mage, E.M. Donner: 3. Smog formation. 4. Thermal Inversions and Photochemical Smog. 5. The effects of ozone pollution. 6. J. B. Zhang, Z. Xu, G. Yang, and B. Wang: 7. Barbecue Rule Adopted to Take a Bite Out of Smog. 8. Időjárás és környezet. 9. Budai Tamás, Czigány Szabolcs: 10. Lackner, Klaus S., Grmies, Patrick és Ziock, Hans-J.: |
