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Chimica dell'ambiente Chimica ambientale Rita Giovannetti.

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1 Chimica dell'ambiente Chimica ambientale Rita Giovannetti

2 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … Con il termine piogge acide processo di ricaduta dallatmosfera di particelle, gas e precipitazioni acide. Se questa deposizione acida avviene sotto forma di precipitazioni (piogge, neve, nebbie, rugiade, ecc.) si parla di deposizione umida, in caso contrario il fenomeno consiste in una deposizione secca.

3 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … Le piogge acide sono causate essenzialmente dagli ossidi di zolfo (SOx) in parte minore, dagli ossidi d'azoto (NOx), presenti in atmosfera sia per cause naturali che per effetto delle attività umane. Se non entrano in contatto con delle goccioline dacqua, questi gas e soprattutto i particolati acidi che da loro si formano pervengono al suolo tramite deposizione secca.

4 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … Questa deposizione può avvenire secondo meccanismi differenti dettati principalmente: dalle dimensioni delle particelle (per impatto e gravità), dallo stato daria a contatto con la superficie ricevente dalla struttura chimica e fisica della superficie stessa.

5 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE: accelerano il decadimento dei materiali da costruzione e delle vernici; compromettono poi la bellezza ed il decoro degli edifici, delle statue e delle sculture patrimonio culturale di ogni nazione. Prima di raggiungere il suolo, i gas SOx e NOx e i loro derivati, solfati e nitrati, contribuiscono ad un peggioramento della visibilità con danni alla salute umana.

6 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … Precipitazioni significativamente più acide della pioggia normale, già di per se moderatamente acida per la presenza di CO 2 atmosferica disciolta che forma acido carbonico CO 2 + H 2 O (aq) H 2 CO 3 (aq) H 2 CO 3 (aq) H + + HCO 3 - pH = 5.6 pH < 5

7 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … Le due specie acide che predominano in una pioggia acida sono: Tali acidi si formano durante il trasporto della massa daria che contiene gli inquinanti primari. H 2 SO 4 (da SO 2 ) HNO 3 (da NO x )

8 Chimica dell'ambiente … LE PIOGGE ACIDE … SO x Normalmente gli ossidi di zolfo presenti in atmosfera sono: lanidride solforosa (SO 2 ) lanidride solforica (SO 3 ); questi composti vengono anche indicati con il termine comune SOx.

9 Chimica dell'ambiente SO 2 … Lanidride solforosa o biossido di zolfo è un gas incolore, irritante, non infiammabile, molto solubile in acqua e dallodore pungente. Dato che è più pesante dellaria tende a stratificarsi nelle zone più basse.

10 Chimica dell'ambiente … SO 2 … Deriva dalla ossidazione dello zolfo nel corso dei processi di combustione delle sostanze che contengono questo elemento sia come impurezza (come i combustibili fossili) che come costituente fondamentale. Rappresenta linquinante atmosferico per eccellenza essendo il più diffuso, uno dei più aggressivi e pericolosi e di gran lunga quello più studiato ed emesso in maggior quantità dalle sorgenti antropogeniche.

11 Chimica dell'ambiente SO 3 … Dallossidazione dellanidride solforosa si origina lanidride solforica o triossido di zolfo che reagendo con lacqua, sia liquida che allo stato di vapore, origina rapidamente lacido solforico, responsabile in gran parte del fenomeno delle piogge acide.

12 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI SOx … Le emissioni naturali di biossido di zolfo sono principalmente dovute allattività vulcanica (circa 20 milioni di tonnellate lanno). Le emissioni antropogeniche rappresentano più di 150 milioni di tonnellate allanno e sono dovute principalmente ai processi di combustione dei combustibili fossili e liquidi (carbone, petrolio, gasolio); oltre il 90% del biossido di zolfo viene prodotto nellemisfero Nord.

13 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI SOx … Il carbon fossile ha un contenuto di zolfo che varia dallo 0,1 al 6% e il petrolio greggio dallo 0,05 al 4,5%. Oltre il 90% dello zolfo presente nel combustibile viene trasformato in biossido di zolfo (lo 0,5-2% viene trasformato in anidride solforica ed il resto rimane nelle ceneri sotto forma di solfati).

14 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI SOx … Rilevanti sono anche le emissioni: nei processi di produzione dellacido solforico, nella lavorazione di molte materie plastiche, nella desolforazione dei gas naturali, nellarrostimento delle piriti, nellincenerimento dei rifiuti; lapporto inquinante dato dalle emissioni dei mezzi di trasporto appare invece trascurabile.

15 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI SOx … Lemissione di biossido di zolfo in Italia è approssimativamente dovuta: per il 5% al riscaldamento domestico, per il 40% ai processi industriali comprese le combustioni per il 50% alla produzione di energia elettrica ad opera delle centrali termoelettriche; insieme le altre sorgenti contribuiscono per un valore pari al 5%.

16 Chimica dell'ambiente NOx … Pur essendo presenti in atmosfera diverse specie di ossidi di azoto, per quanto riguarda linquinamento dellaria si fa quasi esclusivamente riferimento al termine NOx che sta ad indicare la somma pesata del monossido di azoto (NO) e del biossido di azoto (NO 2 ).

17 Chimica dell'ambiente NO … E prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi). La tossicità del monossido di azoto è limitata, al contrario di quella del biossido di azoto che risulta invece notevole. Lossido di azoto è un gas incolore, insapore ed inodore; è anche chiamato ossido nitrico.

18 Chimica dell'ambiente NO 2 … è un gas tossico di colore giallo-rosso, dallodore forte e pungente con grande potere irritante è un energico ossidante, molto reattivo altamente corrosivo. Esiste nelle due forme N 2 O 4 (forma dimera) e NO 2 che si forma per dissociazione delle molecole dimere. Lossido di azoto viene poi ossidato in atmosfera dallossigeno e più rapidamente dallozono producendo biossido di azoto.

19 Chimica dell'ambiente … NO 2 … Rappresenta un inquinante secondario dato che deriva, per lo più, dallossidazione in atmosfera del monossido di azoto. Svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico è lintermedio di base per la produzione di tutta una serie di inquinanti secondari molto pericolosi come: lozono, acido nitrico, acido nitroso, gli alchilnitrati, i perossiacetililnitrati.

20 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI NOx … Su scala globale si stima che le emissioni di ossidi di azoto naturali ed antropogeniche siano dello stesso ordine di grandezza (circa 200 milioni di tonnellate). Le sorgenti naturali sono costituite essenzialmente dalle decomposizioni organiche anaerobiche che riducono i nitrati a nitriti; i nitriti in ambiente acido formano acido nitroso che, essendo instabile, libera ossidi di azoto. Da segnalare anche lazione dei fulmini, gli incendi e le emissioni vulcaniche.

21 Chimica dell'ambiente FONTI INQUINANTI NOx … La principale fonte antropogenica di ossido di azoto è data dalle combustioni ad alta temperatura: quelle che avvengono nei motori degli autoveicoli: lelevata temperatura che si origina durante lo scoppio provoca la reazione fra lazoto dellaria e lossigeno formando monossido di azoto. La quantità prodotta è tanto più elevata quanto maggiore è la temperatura di combustione e quanto più veloce è il successivo raffreddamento dei gas prodotti, che impedisce la decomposizione in azoto ed ossigeno.

22 Chimica dell'ambiente Fonti e abbattimento di SO 2 la maggior parte della SO 2 atmosferica da fonti naturali –viene prodotta dai vulcani e dall'ossidazione dei gas contenenti zolfo prodotti dalla decomposizione del materiale vegetale morto. la concentrazione di questo gas prodotto da queste fonti naturali nell'aria non inquinata è piuttosto modesta. –viene in gran parte emesso negli strati più alti dell'atmosfera o lontano dai centri abitati.

23 Chimica dell'ambiente Fonti e abbattimento di SO 2 La principale fonte di SO 2 legata alle attività umane è la combustione effettuata soprattutto nelle centrali termoelettriche, del carbone, –un solido che a seconda delle miniere da cui viene estratto contiene tra1-5% di zolfo. Circa la metà di questo zolfo è intrappolato sotto forma di inclusioni che fanno parte del contenuto di minerali carbone; –se il carbone viene polverizzato prima della combustione, questo tipo di zolfo può essere allontanato meccanicamente. –l'altra metà dello zolfo si trova legato nella complessa struttura chimica del carbone e non può esserne allontanato senza sottoporre il carbone a costose lavorazioni.

24 Chimica dell'ambiente Fonti e abbattimento di SO 2 Lo zolfo è presente nel petrolio greggio –nella quantità di qualche punto percentuale, ma il suo tasso, in prodotti quali la benzina, viene ridotto al livello di soli pochi centesimi di ppm. L'industria petrolifera emette nell'aria il biossido di zolfo nelle operazioni di raffinazione del petrolio o di ripulitura del gas naturale prima immissione nella rete di distribuzione. –come SO 2 o come H 2 S Le notevoli quantità di solfuro di idrogeno ottenute dall'allontanamento di questo dal petrolio e dal gas naturale –spesso sono trasformate in zolfo elementare solido, una sostanza che non produce danni ambientali, grazie a un processo in fase gassosa noto come reazione di Claus:

25 Chimica dell'ambiente Fonti e abbattimento di SO 2 Altri gas contenenti zolfo in forma altamente ridotta sono emessi nell'aria come inquinanti dall'industria petrolchimica: CH 3 SH, (CH 3 ) 2 S e CH 3 SSCH 3. L'espressione zolfo ridotto totale –viene usata per indicare la concentrazione totale di zolfo contenuto in questi tre composti.

26 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico Il principale inquinante dell'aria, l'NO, non è particolarmente solubile in acqua e l'acido prodotto dal biossido di zolfo sciolto in acqua è debole; –quindi gli inquinanti primari, NO ed SO 2, di per sé non rendono l'acqua piovana particolarmente acida. Tuttavia, in un periodo variabile da ore a giorni, –alcuni di questi inquinanti primari vengono trasformati negli inquinanti secondari acido solforico, H 2 SO 4, e acido nitrico, HNO 3, acidi forti molto solubili in acqua. –la presenza di questi due acidi è responsabile di quasi tutta l'acidità contenuta nelle piogge acide.

27 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico Oltre che tramite le precipitazioni, –quantità rilevanti di acidi si depositano sul terreno attraverso la cosiddetta deposizione secca, Deposizione secca –un processo consistente nella deposizione di prodotti chimici non acquosi sulle superfici solide e liquide a livello del suolo, –si verifica quando l'aria contenente le sostanze passa su tali superfici depositandole come inquinanti.

28 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico Gran parte della SO 2 non viene mai ossidata nell'aria, –da dove si allontana con la deposizione secca prima che possa reagire trasformandosi in acido solforico. L'entità degli effetti sulla vita biologica delle precipitazioni acide in una data regione –dipende fortemente dalla composizione del suolo e delle rocce sottostanti. Aree fortemente colpite –sono quelle i cui le masse rocciose sono costituite da granito o quarzo, poiché il terreno associato a queste ha una modesta capacità di neutralizzare l'acidità.

29 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico nel caso in cui la roccia di base sia costituita da calcare o gesso, –l'acidità può essere efficacemente neutralizzata (tamponata) dato che tali rocce sono costituite da carbonato di calcio, CaCO 3 che agisce da base reagendo con l'acido: Le medesime reazioni sono responsabili del deterioramento delle statue e dei fregi di calcare e di marmo.

30 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico Lacidità delle precipitazioni causa il deterioramento del suolo. Quando il pH del terreno, si abbassa, –sostanze nutritive per le piante come i cationi potassio, calcio e magnesio si scambiano con gli ioni H+ e vengono quindi dilavati. È una caratteristica dei laghi acidificati la presenza di elevate concentrazioni di ioni alluminio, Al 3+, in soluzione. –L'alluminio proviene dal dilavamento delle rocce ad opera degli idrogenioni –in condizioni di pH neutro, gli ioni alluminio vengono immobilizzati nelle rocce grazie alla loro ridotta solubilità. gli scienziati ritengono che sia l'acidità di per sé, sia le elevate concentrazioni di alluminio siano responsabili della grave diminuzione della popolazione ittica che è stata osservata in molti bacini idrici acidificati.

31 Chimica dell'ambiente Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico Gli alberi sono sottoposti a un grave stress dovuto –sia dall'acidità delle piogge che cadono sulle foreste delle aree interessate, –sia dalla presenza dell'ozono e di altre sostanze ossidanti nell'aria cui sono esposti. Tale stress da solo non sarebbe sufficiente a ucciderli –ma essi divengono molto più vulnerabili quando lo stress da inquinamento si associa ad aridità, temperature estreme, malattie o attacco di insetti. L'ozono presente a livello dei suolo –effetto su alcune piante coltivate a causa della sua reattività chimica. –reagisce con l'etilene, un gas emesso dalla pianta, generando radicali liberi che danneggiano i tessuti vegetali. *

32 Chimica dell'ambiente I particolati nellinquinamento dellaria I particolati sono le minuscole particelle solide o liquide sospese nell'aria: –singolarmente, sono invisibili a occhio nudo –nel loro insieme, tuttavia, queste minuscole particelle formano una foschia che riduce la visibilità. non sono tutte delle stesse dimensioni e forma né hanno tutte la medesima composizione chimica –hanno dimensioni da circa 2 nm (le dimensioni di una molecola gassosa sono tra 0.1 e 1 nm) a 100 μm. è utile e convenzionale riferirsi a tutte le particelle come fossero sferiche.

33 Chimica dell'ambiente I particolati nellinquinamento dellaria Qualitativamente le singole particelle sono classificate come grossolane o fini: –particelle con diametro inferiore a 2,5 µm sono dette complessivamente particolato fine e solitamente rimangono nell'aria per giorni o settimane; –le particelle di diametro maggiore di 2,5 µm sono dette particolato grossolano e sedimentano piuttosto rapidamente o possono essere allontanate dall'aria anche per absorbimento nelle goccioline di pioggia.

34 Chimica dell'ambiente I particolati nellinquinamento dellaria Le particelle presenti nell'atmosfera sono indicate con molti nomi comuni: –«polvere» e «fuliggine» si riferiscono a particelle solide, –«caligine» e «nebbia» a particelle liquide Un aerosol –è un insieme di particolati (particelle solide e goccioline liquide) dispersi nell'aria. –Un vero aerosol è costituito da particelle molto piccole, con diametro inferiore a 100 μm.

35 Chimica dell'ambiente I particolati nellinquinamento dellaria Tutte le particelle dovrebbero finire per sedimentare velocemente depositandosi alla superficie del suolo per effetto della gravità, –ciò non è vero per le particelle più piccole. Secondo la legge di Stoke: η=viscosità aria ρ 1 =densità particella ρ 2 =densità aria la velocità, espressa come distanza percorsa per secondo, a cui le particelle sedimentano: –aumenta con il quadrato del loro diametro –le particelle più piccole cadono così lentamente che restano in sospensione nell'aria pressoché indefinitamente salvo se aggregano a formare particelle più grandi.

36 Chimica dell'ambiente I particolati nellinquinamento dellaria I particolati fini –di solito rimangono in sospensione nellaria per giorni e settimane quelli più grossolani –sedimentano più rapidamente. Oltre a questo processo di sedimentazione, –le particelle possono essere allontanate dallaria anche per adsorbimento sulle gocce di pioggia che cadono a terra.

37 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Le particelle atmosferiche –caratterizzate in base alla loro densità, forma, superficie, volume e composizione. Le dimensioni delle particelle costituenti il particolato atmosferico –coprono una gamma che si estende da pochi nanometri fino a valori di decine di micron. La dimensione di una particella può essere determinata –utilizzando un microscopio ottico o elettronico, dallo scattering della luce, dalla sua mobilità elettrica o dal suo comportamento aerodinamico.

38 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Le particelle atmosferiche spesso non sono sferiche le loro forme possono essere estremamente differenziate. – La caratterizzazione delle dimensioni del particolato atmosferico viene risolta utilizzando dei diametri equivalenti

39 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Diametri equivalenti: Diametro geometrico: –diametro di una particella sferica che ha la superficie identica a quella della particella in esame Diametro equivalente in volume: –diametro di una sfera che ha lo stesso volume della particella in questione

40 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Diametri equivalenti: –Diametro ottico: diametro di una particella sferica con lo stesso indice di rifrazione delle particelle utilizzate per la calibrazione dell'analizzatore ottico, –da cui si ricava la distribuzione dimensionale delle particelle, che diffonde la stessa quantità di luce nell'angolo solido misurato –Diametro aerodinamico: diametro di una particella perfettamente sferica di densità unitaria (1 gr/cm 3 ) che ha le stesse caratteristiche inerziali della particella in esame.

41 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata indice PM esprime la quantità di materia particolata presente in un dato volume di aria. la materia in questione di solito non è omogenea: –non può essere determinata per essa una specifica massa molare e le concentrazioni vengono espresse in termini di massa, anziché di numero di moli. – L'unità di solito utilizzata sono i microgrammi di materia particolata per metro cubo di aria, cioè µg/m 3. – Poiché le particelle più piccole hanno maggiori effetti nocivi sulla salute dell'uomo di quelle più grandi, di solito vengono raccolte e riportate solo le particelle con un diametro inferiore a un valore D diametro limite, espresso in µm, che viene specificato come pedice del simbolo PM.

42 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Definizione di particelle inalabili, toraciche e respirabili La proporzione del materiale particellare totale inalata nel corpo umano dipende: – dalle proprietà delle particelle, – dalla velocità e direzione di spostamento dell'aria vicino all'individuo, – dalla sua frequenza respiratoria – dal tipo di respirazione, nasale od orale.

43 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Le particelle inalate – si possono poi depositare in qualche punto del tratto respiratorio, – oppure possono essere esalate. Il punto della deposizione o la probabilità di esalazione – dipendono dalle proprietà delle particelle, – del tratto respiratorio, – dal tipo di respirazione e da altri fattori.

44 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Frazione inalabile la frazione delle particelle che entra nel corpo attraverso il naso e la bocca durante la respirazione. considerata importante agli effetti della salute, –le particelle si depositano ovunque nel tratto respiratorio. Non si prende, in considerazione le particelle sopra i 20 μm.

45 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Frazione toracica frazione delle particelle che può penetrare nei polmoni sotto la laringe. può essere messa in relazione con effetti sulla salute che nascono dal deposito di particolato nei condotti d'aria dei polmoni. Frazione respirabile frazione delle particelle inalabile che può penetrare in profondità negli alveoli polmonari. può portare ad effetti sulla salute dovuti al deposito di particelle nella regione alveolare dei polmoni. Il PM10 e il PM2,5 sono assimilabili rispettivamente alle frazioni toracica e respirabile.

46 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Le particelle solide di maggiori dimensioni, quali quelle che costituiscono la «polvere» –originano soprattutto da processi non chimici importanti esempi ne sono le fonti naturali: le eruzioni vulcaniche, e attività umane, quali la frantumazione delle pietre nelle cave dalla coltivazione dei campi, che causa la dispersione nell'aria delle particelle di terreno ad opera del vento. In confronto a quelle più piccole, le particelle di maggiori dimensioni non rappresentano un grave problema per la salute dell'uomo per una serie di ragioni..

47 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Anche gli inquinanti minerali rappresentano una parte del contenuto in particolati dell'aria. I particolati di maggiori dimensioni compaiono inizialmente come particelle ancora più grossolane prodotte soprattutto dalla disintegrazione di sistemi di maggiori dimensioni. i particolati fini sono prodotti in gran parte dalla coagulazione di particelle ancora più piccole, –a loro volta prodotte a partire da molecole gassose: –l'acido solforico si sposta nell'aria non come un gas ma come un aerosol di fini goccioline, poiché l'H 2 SO 4 ha una grande affinità per le molecole di acqua. –Molti degli effetti nocivi associati con la presenza di acidità nell'aria possono essere conseguenti la respirazione di questo aerosol altamente acido.

48 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Sia l'acido solforico che quello nitrico presenti nell'aria –finiscono spesso per reagire con l'ammoniaca liberata in conseguenza dei processi di decomposizione della materia organica che si verificano a livello del suolo. Attraverso una reazione acido-base tra acidi e ammoniaca –si ha la formazione dei sali solfato di ammonio e nitrato di ammonio. –inizialmente questi sali si formano in particelle acquose ma l'evaporazione dell'acqua porta alla formazione di particelle solide: gli ioni predominanti nelle particelle più fini sono il solfato (compreso lo ione idrogenosolfato, HSO 4 -) e l'ammonio, NH 4 +,

49 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Poiché la pressione di vapore dell'HNO 3 è molto maggiore di quella dell'H 2 SO 4 –l'acido nitrico tende a rimanere nello stato di vapore –la condensazione dellacido l'acido nitrico su particelle preesistenti è minore di quella dell'acido solforico. Gli aerosol in cui predomina lo ione SO 4 - spesso sono detti aerosol solfati.

50 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Particelle di diametro dell'ordine della lunghezza d'onda della luce visibile, cioè 0,4-0,8 μm, –possono interferire con la trasmissione della luce nell'aria riducendo la nitidezza della visione, la visibilità a lunga distanza e l'intensità della luce che raggiunge il suolo. Una elevata concentrazione nell'aria di particelle di diametro compreso tra 0,1 e 1 μm –produce una foschia. Una convenzionale tecnica di misurazione dell'entità dell'inquinamento da particolato in una massa di aria –è quella di determinarne la nebbiosità.

51 Chimica dell'ambiente Indici della qualità dellaria e caratteristiche della materia particolata Gli aerosol dello smog –contengono acido nitrico neutralizzato a formare sali come il nitrato di ammonio. In questi aerosol sono anche presenti prodotti a base di carbonio –che sono intermedi delle reazioni dello smog fotochimico che generalmente esistono come gas anziché condensarsi alla superficie delle particelle. molte particelle fini sospese nellaria delle città sono secondarie –il loro numero può essere controllato riducendo le emissioni dei gas inquinanti primari NO, COV, SO 2 dai quali esse vengono prodotte.

52 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati la concentrazione degli inquinanti vari significativamente da edificio a edificio, –i livelli dei comuni inquinanti dell'aria spesso sono maggiori all'interno che all'esterno degli edifici; –gli intervalli di concentrazione di numerose sostanze di larga diffusione più frequentemente riscontrati:

53 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Formaldeide Il più importante e controverso gas organico inquinante dell'aria all'interno degli edifici è la formaldeide, H 2 C=O. –una sostanza ampiamente diffusa in tracce nell'atmosfera: –si forma come intermedio stabile nell'ossidazione del metano e di altri COV la concentrazione di questa sostanza nell'aria esterna (circa 0,01 ppm, nelle aree urbane, eccetto durante gli episodi di smog fotochimico) –è di norma troppo ridotta per poter essere significativa, –i suoi livelli all'interno degli edifici spesso sono uno o più ordini di grandezza maggiori, raggiungono in media le 0.1 ppm e in certi casi superano il valore di 1 ppm.

54 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Formaldeide Le principali fonti di esposizione entro gli edifici –le emissioni contenute nel fumo delle sigarette –da materiali sintetici contenenti resine a base di formaldeide (un tipo di materiale plastico) –dai sistemi di isolamento con schiuma di urea e formaldeide –adesivi per la saldatura dei pannelli di compensato e di truciolato; –dalla tintura di tappeti e tessuti.

55 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Formaldeide Molte utili resine (materiali polimerici rigidi) –vengono prodotte combinando la formaldeide con un'altra sostanza organica. Nei primi mesi e anni dopo la loro produzione, questi materiali liberano piccole quantità di formaldeide gassosa; Molti produttori di materiali a base di legno pressato –hanno oggi modificato i loro processi produttivi per ridurre la velocità con cui viene liberata la formaldeide. Le resine contenenti formaldeide –anche nel trattamento di molti prodotti cartacei di largo impiego per migliorarne la rigidità quando sono bagnati.

56 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Formaldeide La velocità dellemissione di formaldeide da materiali sintetici –aumenta con la temperatura e con lumidità relativa –diminuisce con letà del materiale. La formaldeide ha un odore pungente con una soglia di sensibilità, nell'uomo, di circa 0,1 ppm –può causare irritazione agli occhi –allergie, asma e a infezioni respiratorie –in presenza di livelli di formaldeide molto superiori la respirazione si fa difficile. In esperimenti effettuati su animali, la formaldeide si è rivelata una sostanza cancerogena

57 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Biossido di azoto e monossido di carbonio Sia il biossido di azoto, NO 2, sia il monossido di carbonio, CO, sono gas liberati nei processi di combustione, –compresi quelli che si verificano nelle case e negli uffici ogniqualvolta vengono bruciati combustibili fossili. Il biossido di azoto –è solubile nei tessuti biologici ed è un ossidante: per questo i suoi eventuali effetti sulla salute sono a carico dell'apparato respiratorio.

58 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Biossido di azoto e monossido di carbonio Il monossido di carbonio –è un gas incolore e inodore –la concentrazione nelle case può aumentare considerevolmente in seguito alla incompleta combustione di combustibili a base di carbonio quali legno, carbone, benzina, cherosene e gas. Il maggiore pericolo collegato alla presenza del monossido di carbonio –deriva dalla capacità di questa sostanza, quando viene inalata, di complessarsi stabilmente con l'emoglobina del sangue riducendone la capacità di trasportare l'ossigeno alle cellule.

59 Chimica dell'ambiente Inquinamento dellaria in ambienti confinati Biossido di azoto e monossido di carbonio Il monossido di carbonio –è un gas incolore e inodore –la concentrazione nelle case può aumentare considerevolmente in seguito alla incompleta combustione di combustibili a base di carbonio quali legno, carbone, benzina, cherosene e gas. Il maggiore pericolo collegato alla presenza del monossido di carbonio –deriva dalla capacità di questa sostanza, quando viene inalata, di complessarsi stabilmente con l'emoglobina del sangue riducendone la capacità di trasportare l'ossigeno alle cellule. *

60 Chimica dell'ambiente EFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO PLANETARIO progressiva tendenza allaumento della temperatura media dellaria in conseguenza della massiccia immissione nellatmosfera di: biossido di carbonio e altri gas responsabili di tale fenomeno.

61 Chimica dell'ambiente MECCANISMI Il bilancio energetico della terra … Latmosfera e la superficie terrestre vengono riscaldati in primo luogo dallenergia proveniente dal sole. La componente quantitativamente più importante dellirradiazione solare è nellintervallo della luce visibile tra 400 nm (componente violetta) e 750 nm (componente rossa).

62 Chimica dell'ambiente Gran parte della luce ultravioletta solare ( < 400 nm) viene filtrata nella stratosfera riscaldando laria di tale regione piuttosto che il suolo terrestre. Oltre 750 nm (rosso), la radiazione solare contiene ancora la radiazione IR ( nm). … Il bilancio energetico della terra …

63 Chimica dell'ambiente Come qualsiasi corpo caldo, la terra emette energia. Affinché la sua temperatura resti costante, le quantità di energia assorbita ed emessa devono essere uguali. Lenergia emessa appartiene alla componente IR chiamata IR termico perché la sua energia si manifesta come calore. … Il bilancio energetico della terra …

64 Chimica dell'ambiente Poiché alcuni gas presenti nellaria possono assorbire provvisoriamente determinate lunghezze donda della radiazione IR termica, 4-50 µm non tutta la radiazione IR emessa dallatmosfera e dalla superficie terrestre sfugge nello spazio. … Il bilancio energetico della terra …

65 Chimica dell'ambiente Lassorbimento di radiazioni da parte di una molecola di gas provoca riemissione in tutte le direzioni in modo casuale questa radiazione IR in parte ritorna alla superficie terrestre dove viene assorbita andando a riscaldare la superficie e laria sovrastante. … Il bilancio energetico della terra …

66 Chimica dell'ambiente Il fenomeno del ritorno a terra della radiazione termica è detto effetto serra responsabile del fatto che la temperatura media della superficie terrestre è di 15°C anziché di –15°C (temperatura in assenza di atmosfera). E grazie alleffetto serra che il nostro pianeta non è ricoperto da una spessa lastra di ghiaccio. … Il bilancio energetico della terra …

67 Chimica dell'ambiente EFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO PLANETARIO

68 Chimica dell'ambiente I gas presenti nellatmosfera che in passato sono stati la causa della maggior parte del riscaldamento imputabile alleffetto serra sono H 2 O (2/3 delleffetto) CO 2 (1/4) In effetti, lassenza di H 2 O nellaria secca sopra le zone desertiche è la causa delle basse temperature notturne rispetto alle elevate temperature diurne dovute allassorbimento diretto dellenergia solare. … Il bilancio energetico della terra …

69 Chimica dell'ambiente … Il bilancio energetico della terra … La luce viene assorbita in modo più completo quando la sua frequenza è la stessa di quella di un moto interno delle molecole con cui questa interagisce. Nel caso di frequenze che cadono nella regione IR, i movimenti interessati sono quelli vibrazionali relativi degli atomi della molecola: Vibrazioni molecolari

70 Chimica dell'ambiente … Il bilancIo energetico della terra … GAS SERRA

71 Chimica dell'ambiente … Il bilancIo energetico della terra … GAS SERRA Il vapor dacqua è presente in atmosfera in seguito allevaporazione da tutte le fonti idriche (mari, fiumi, laghi, ecc.) e come prodotto delle varie combustioni. Lanidride carbonica è rilasciata in atmosfera soprattutto quando vengono bruciati rifiuti solidi, combustibili fossili (olio, benzina, gas naturale e carbone), legno e prodotti derivati dal legno.

72 Chimica dell'ambiente … Il bilancIo energetico della terra … GAS SERRA Il metano viene emesso durante la produzione ed il trasporto di carbone, del gas naturale e dellolio minerale, Grandi emissioni di metano avvengono anche in seguito alla decomposizione della materia organica nelle discariche alla normale attività biologica degli organismi superiori (soprattutto ad opera dei quasi 2 miliardi di bovini presenti sulla terra).

73 Chimica dell'ambiente … Il bilancIo energetico della terra … GAS SERRA Lossido nitroso è emesso durante le attività agricole ed industriali, come del resto nel corso della combustione dei rifiuti e dei combustibili fossili. Gas serra estremamente attivi sono i gas non presenti normalmente in natura, ma generati da diversi processi industriali: gli idrofluorocarburi (HFC), i perfluorocarburi (PFC) lesafluoruro di zolfo (SF6 ).

74 Chimica dell'ambiente In primavera ed in estate grandi quantità di CO 2 sono allontanate dallaria per effetto della fotosintesi clorofilliana delle piante. … GAS SERRA La decomposizione biologica dei tessuti vegetali che si verifica in autunno e inverno restituisce il CO 2 precedentemente utilizzato. CO 2 Il CO 2 intrappolato (fissato) nella forma polimerica), (CH 2 O) n ad opera del processo fotosintetico non può contribuire alleffetto serra.

75 Chimica dell'ambiente Circa ½ delle emissioni di CO 2 legate alle attività umane trovano normalmente un pozzo: gran parte di questa CO 2 è allontanata dallatmosfera sciogliendosi nellacqua di mare. … GAS SERRA CO 2 le acque marine più superficiali si mescolano molto lentamente con quelle più profonde: occorrono centinaia di anni affinché il CO 2 penetri in profondità e si depositi sui fondali come CaCO 3 insolubile.

76 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA CO 2 Una molecola di CO 2 rimane mediamente nellatmosfera per oltre un secolo!! sebbene gli oceani finiscono per sciogliere gran parte delleccesso di CO 2 dellaria, la scala dei tempi del processo è molto grande per cui il gas continua ad accumularsi nellatmosfera.

77 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Vapore acqueo Lacqua è il gas più responsabile delleffetto serra nellatmosfera sebbene, per singola molecola assorba meno efficacemente della CO 2. Le molecole dacqua, sempre abbondanti nellaria assorbono le radiazioni IR dellIR termico in conseguenza delle vibrazioni di flessione del legame H-O-H.

78 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario L'immissione, anche in tracce, nell'atmosfera di gas capaci di assorbire le radiazioni infrarosse (IR) termiche ha un effetto additivo sul fenomeno del riscaldamento planetario, cioè aumenta l'effetto serra. Particolarmente importanti, da questo punto di vista, sono i gas inquinanti che assorbono le radiazioni IR termiche nella regione finestra

79 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario Gran parte dei gas formati da molecole con tre o più atomi hanno importanza per quanto riguarda l'effetto serra: possiedono numerosi moti vibrazionali che le rendono capaci di assorbire le radiazioni infrarosse, alcune delle quali cadono nella regione dell'infrarosso termico.

80 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera Per stabilire l'impatto di qualsiasi sostanza ai fini dell'aumento dell'effetto serra: per quanto tempo essa può rimanere nell'atmosfera: più lungo è il tempo di permanenza tanto maggiore sarà l'effetto complessivo della sostanza.

81 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera Ogni gas presente nell'atmosfera in, o vicino a, condizioni di stato stazionario può essere caratterizzato da un tempo di permanenza, Tm: il tempo medio di permanenza di una di queste molecole nell'aria prima di esserne allontanata In termini di quantità atmosferica totale, C, e di velocità media, R, di immissione o allontanamento di una sostanza:

82 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera I valori di C e R possono essere espressi in termini di concentrazione invece che di quantità. se la concentrazione atmosferica di un gas è normalmente di 6,0 ppm e la sua velocità complessiva di immissione, (determinata dividendo la quantità immessa annualmente per il volume dell'atmosfera) è pari a 2,0 ppm per anno, il tempo di permanenza medio del gas è pari a 6,0 ppm/2,0 ppm, cioè tre anni. T m del biossido di carbonio, dell'ossido nitroso e dei CFC, tutti gas che influenzano l'effetto serra, è pari a oltre un secolo, Al contrario, il metano ha un tempo di permanenza di soli dieci anni.

83 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Metano Le vibrazioni di flessione che riguardano langolo di legame HCH assorbono nella regione IR per cui il CH 4 assorbe le radiazioni IR comprese in questa regione. Dopo la CO 2, lH 2 O il CH 4 è il terzo in ordine di importanza tra i gas responsabili delleffetto serra.

84 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Metano laumento delle molecole di CO 2 è 80 volte superiore a quello del CH 4 Poiché la frazione di fotoni assorbiti dalle molecole di CH 4 è maggiore rispetto a quella della CO 2, il CH 4 ha un effetto termico 23 volte superiore a quello della CO 2 ma risulta meno importante perché:

85 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Metano Laltro pozzo per il CH 4 è rappresentato dalle reazioni a terra e dalla diffusione nella stratosfera. Il pozzo del metano atmosferico che rende conto di circa il 90% del suo allontanamento dallaria è dato dalla reazione con i radicali OH·: CH 4 + OH· CH 3 · + H 2 O

86 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Metano Il CH 4 reagisce oltre che con lOH· anche con il cloro, bromo e ossigeno atomici: O* + CH 4 CH 3 ·+ OH· CH 4 + OH· CH 3 + H 2 O Il vapore acqueo presente nella stratosfera agisce in modo significativo come gas responsabile delleffetto serra.

87 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA N2ON2O E presente in tracce e contribuisce significativamente alleffetto serra. La vibrazione da flessione del legame del protossido di azoto assorbe le radiazioni IR

88 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA N2ON2O LN 2 O è 270 volte più efficace della CO 2 come causa del riscaldamento planetario. Le quantità crescenti di N 2 O accumulatesi nellaria a partire dallepoca preindustriale sono responsabili di circa 1/3 dellaumento di temperatura di cui si è ritenuto responsabile il metano.

89 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA N2ON2O Gran parte della produzione naturale di questo gas deriva dalla sua liberazione dagli oceani mentre la maggior parte del rimanente è prodotta attraverso processi che si verificano nei terreni delle regioni tropicali da fertilizzanti a base di nitrato di ammonio.

90 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA N2ON2O Il gas è il prodotto secondario del processo di denitrificazione biologica in ambiente aerobio del processo di nitrificazione in ambiente anaerobio.

91 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA N2ON2O La combustione dei combustibili fossili produce N 2 O solo quando lazoto è contenuto nel combustibile stesso (carbone e biomassa).

92 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA I CFC e loro sostituti sono, tra i gas presenti in tracce, quelli con il potenziale maggiore per gli effetti sul riscaldamento hanno grande persistenza e assorbono fortemente le radiazioni di lunghezza donda compresa tra 8 e 13 m (regione finestra).

93 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Ogni molecola di CFC per il suo assorbimento nella regione finestra può potenzialmente causare il medesimo effetto per quanto riguarda il riscaldamento planetario di decine di migliaia di molecole di CO 2.

94 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA I sostituti dei CFC, gli HCFC e HFC presentano una vita media più ridotta nellatmosfera e assorbono meno efficacemente nella regione finestra.

95 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Ozono Si forma nella troposfera a partire dagli atomi di ossigeno prodotti dalla dissociazione fotochimica di O 2 : Gas naturale capace di indurre effetto serra sebbene la sua permanenza nella troposfera sia ridotta. O + O 2 O 3 **

96 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Ozono la vibrazione da flessione di legame dellO 3 si verifica in prossimità di quella del CO 2 poiché il CO 2 assorbe la massima parte delle radiazioni di questa frequenza O 3 non contribuisce alleffetto serra. *** La vibrazione da tensione di legame di uno dei legami O-O ha una lunghezza donda che cade nella regione 9-10 m cioè nella regione finestra.

97 Chimica dell'ambiente … GAS SERRA Aerosol atmosferico Latmosfera che ci circonda non è unicamente costituita da gas ma contiene in forma dispersa anche particelle di dimensioni variabili, comunemente note come aerosol atmosferico. **

98 Chimica dell'ambiente Gli aerosol ricchi di solfato della troposfera prodotti dagli inquinanti dell'aria, soprattutto sopra le aree urbane nell'emisfero settentrionale, –riflettono la luce solare nello spazio più efficientemente di quanto la assorbano. Di conseguenza: –una minore quantità di radiazioni solari viene assorbita da parte del terreno e degli strati più bassi della tropo sfera e trasformata in calore. Gli aerosol contenenti solfato –non sono particolarmente efficaci nell'intrappolare le emissioni di radiazioni IR termiche dalla superficie terrestre –l'effetto netto degli aerosol è un raffreddamento degli strati di aria più vicini al suolo che maschera alcuni degli effetti del riscaldamento planetario indotti dai gas responsabili dell'effetto serra. * Aerosol atmosferico


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