Atmosfera e inquinamento atmosferico

Atmosfera e inquinamento atmosferico

L'atmosfera è un involucro gassoso che circonda il pianeta Terra ed è appunto costituita da un miscuglio di gas detto aria.

L'atmosfera per il 78% è costituita da azoto, per il 21% da ossigeno, per lo 0,9% da Argon, per il 0,04 % da anidrite carbonica ed infine per lo 0,03% da altri tipi di gas.
La distribuzione di questi gas non omogenea poiché salendo di altitudine i gas divengono rarefatti ossia hanno una pressione minore.
L'atmosfera è molto importante poiché svolge differenti funzioni tra cui :
Filtra le radiazioni solari
Partecipa al ciclo dell'acqua insieme all'idrosfera
Distribuisce in maniera omogenea il calore così che non ci siano grandi differenze di temperatura tra le varie zone del pianeta.
Contiene azoto, diossido di carbonio e ossigeno, indispensabili per la vita sulla terra
ed infine protegge la superfice terrestre dai corpi celesti.

L'atmosfera è suddivisa in strati che hanno differenti temperature e densità decrescente, salendo di quota troviamo:
-La troposfera che è lo stato più vicino a noi in cui avvengono i fenomeni atmosferici
-stratosfera
-mesosfera
-termosfera
-esosfera

Cos'è e a cosa serve la stratosfera

La stratosfera è uno strato che circonda la terra fino ad un altezza di 50 km. Il suo nome è dovuto dal fatto che è costituita da diverse stratificazioni di gas in base ai loro pesi specifici. La temperatura dell'aria fino ai 20 km decresce e poi dai 20 ai 50 km aumenta, questo aumento della temperatura è dovuto dal fatto che si incontra uno strato di ozono chiamato anche ozonosfera. L'ozonosfera ha il compito di assorbire le radiazioni solari, assorbe i raggi ultravioletti B e C e trasforma la loro energia in calore , mentre invece i raggi UV-A riescono a passare oltre lo stato di ozono e raggiungono la superficie terrestre e sono poi quei raggi ultravioletti che vengono a contatto con la nostra pelle.

Anche L'aria come le altre matrici ambientali può essere inquinata e l'inquinamento Atmosferico è dovuto alle emissioni di gas, pulviscolo e fumo che rendono l'aria nociva per gli esseri qualsiasi forma di vita e per l'ambiente e dannosa per le infrastrutture.
L'inquinamento Atmosferico ha diverse fonti sia antropiche che naturali.
Tra le fonti di inquinamento di tipo antropico troviamo l'utilizzo di combustibili fossili per la produzione di energia, l'utilizzo di mezzi di trasporto, l'industria, l'allevamento intensivo, l'agricoltura e l'utilizzo di solventi nell'industria chimica e mineraria.
Tra le fonti di inquinamento di tipo naturale troviamo le eruzioni vulcaniche la spuma del mare e polveri aereodiffuse.
Possiamo avere:
inquinanti primari che sono quelle sostanze inquinanti che si trovano già in atmosfera SO2,NO, CO,PM10
inquinanti secondari che provengono dagli inquinanti primari che in atmosfera vengono trasformate in altre sostanze più complesse e quindi in inquinanti secondari. N02, O3
Inoltre l'inquinamento che viene rilevato in ambienti esterni è chiamato OUTDOOR e l'inquinamento che viene rilevato in ambienti chiusi è chiamato INDOOR.
Gli inquinanti possono essere distinti in:
-Macroinquinanti come ad esempio Biossido di Zolfo SO2, monossido e biossido di azoto NO e NO2, ed OZONO O3. I macroinquinanti sono le sostanze più diffuse ed a concentrazioni maggiori e la loro misurazione è più semplice ed il monitoraggio dei macroinquinanti permette la caratterizzazione dello stato generale dell'aria e ad essi si riferisce la maggior parte delle prescrizioni normative.
I microinquinanti sono ad esempio il Particolato PM, il benzene C6H6, la formaldeide ed acido nitroso HNO2 ed il perossiacetilnitrato PAN e sono sostanze a minor concentrazione che hanno bisogno di misure più complesse e sono le più nocive.

Gli ossidi di zolfo SOx

Sono anch'essi sostanze inquinanti e possiamo trovarle già in atmosfera come ad esempio ANIDRIDE SOLFOROSA SO2 che è molto solubile in acqua, irritante incolore, l'ossidazione dell'anidride solforosa porta alla formazione di ANIDRITE SOLFORICA S03 che in atmosfera reagendo con l'acqua porta alla formazione di ACIDO SOLFORISCO H2SO4 che è un inquinante in quanto partecipa al fenomeno delle piogge acide.
Le emissioni di ossidi di zolfo possono essere di tipo naturale e di tipo antropico:
-le emissioni di tipo naturale sono le eruzioni vulcaniche
-le emissioni di tipo antropico sono la combustione dei combustibili fossili, la produzione di acido solforico e la desolforazione di gas naturali.

Ossidi di azoto

Sono anch'esse sostanze inquinanti e possiamo avere ad esempio:
-Il monossido di azoto No che un gas incolore inodore insapore
-Il Biossido di azoto NO2 che invece un gas color giallo-rosso, irritabile con un odore forte e pungente e tossico.
Le emissioni degli ossidi di azoto possono essere di tipo naturale ed antropico:
-Le emissioni di tipo naturale sono dovute dalle combustioni ad alte temperature e dalla decomposizione naturale anaerobica
Le emissioni di tipo antropico provengono dall'utilizzo e dalla produzione di fertilizzanti azotati.

Monossido di carbonio C0

Il monossido di carbonio è un gas inquinante, incolore, inodore ed insapore ed è tossico.
Il monossido di carbonio proviene dalla combustione incompleta delle sostanze organiche, infatti termina tutto l'ossigeno e la combustione risulta incompleta e non si forma anidride carbonica ma monossido di carbonio che, in piccole concentrazione da pochi problemi come mal di testa e giramenti di testa mentre ad alte concentrazioni può causare la morte.
Le emissioni di monossido di carbonio possono essere di tipo naturale ed antropico:
-Le emissioni di tipo naturale provengono dalle eruzioni vulcaniche dagli incendi boschivi e dall'ossidazione di idrocarburi.
-Le emissioni di tipo antropico provengono dall'utilizzo di combustibili fossili, dalla conversione nel settore siderurgico e dalla produzione di sostanze chimiche nell'industria petrolchimica.

Il benzene

Il benzene è un idrocarburo aromatico che possiede 3 atomi di C e 3 atomi di H ed ha una forma ad anello esagonale ed è una struttura molto semplice.
A temperatura ambiente lo troviamo sotto forma di un liquido incolore con un odore pungente ed è molto infiammabile ed inoltre è carcinogeno ossia provoca la leucemia.
Il benzene viene utilizzato nella produzione di Benzine, gomme, lubrificanti, coloranti e viene utilizzato per produrre altre sostanze chimiche.
Le emissioni di benzene provengono da attività naturali come ad esempio le eruzioni vulcaniche e gli incendi boschivi
mentre le emissioni di tipo antropico provengono dalla produzione di gomme coloranti ecc..
Le principali fonti di esposizione al benzene sono:
Il fumo di tabacco
combustione incompleta di petrolio e carbonio
gas esausti dei veicoli a motore
vapori provenienti da composti contenenti benzene
emissioni industriali.

Particolato atmosferico

Per particolato atmosferico si intendono tutte quelle particelle presenti allo stato liquido o solido nell'atmosfera ed essendo particelle molto piccole restano nell' aria per un periodo più o meno lungo.
Il particolato atmosferico è la fonte di inquinamento maggiore nelle aree urbane e ciò ha portato le autorità competenti a disporre il blocco del traffico.
L'inalazione del particolato atmosferico reca danni alla salute umana poiché le particelle si insidiano fino alle vie respiratorie più profonde e quindi fino agli alveoli polmonari, queste sostanze si sciolgono e disperdono elementi tossici nel sangue.
Il particolato atmosferico viene distino in base al diametro aereodinamico e l'unità di misura è il micrometro.
Abbiamo il PM10 che rappresenta tutte quelle particelle fino ai 10 micrometri di diametro ed abbiamo anche il PM2,5 che rappresenta invece tutte quelle particelle con un diametro fino ai 2.5 micrometri.
La concentrazione del particolato dipende dal tipo di sostanza dal quale proviene e viene espresso in microgrammi per metro cubo di aria.
Il PM proviene da attività naturali come le eruzioni vulcaniche, l'erosione delle rocce, dalle piante, dal polline e dalle spore e proviene anche da resti di insetti
Inoltre può provenire da attività antropiche come ad esempio dalle industrie o dalle automobili e si possono sollevare particelle dal manto stradale.

Ozono troposferico

E' un gas tossico di colore bluastro ed è costituito da 3 molecole instabili di ossigeno, è un forte ossidante e demolisce sia molecole organiche che inorganiche.
Possiamo trovarlo nella stratosfera e ne rappresenta il 90% ed è prodotto dall'ossigeno molecolare per effetto dei raggi ultravioletti.
Lo troviamo anche nella troposfera in cui è presente a basse concentrazioni e rappresenta un inquinante secondario insidioso ed prodotto da scariche elettriche e dalla circolazione atmosferica.

Lo smog fotochimico

Sarebbe una generazione di brown carbon e ozono troposferico tramite una reazione tra idrocarburi come ad esempio il terpene e il propene e gli ossidanti atmosferici come ad esempio l'ozono, gli ossidi di azoto e i radicali liberi. Questa reazione può avvenire solamente in presenza di luce attiva in modo che si possa formare ozono e radicali liberi. L'ozono in queste reazioni è presente sia come prodotto che come reagente. Alla fine di questa reazione otterremo nano e micro particelle carboniose che costituiscono lo smog fotochimico e lo smog fotochimico insieme al PM secondario rendono l'aria ancora più nociva.

I catalizzatori

Per ridurre le emissioni inquinanti vengono utilizzati convertitori catalitici, sistemi fisici, chimici e microbiologici.
Convertitori Catalitici
I convertitori catalitici servono per ridurre le emissioni del traffico veicolare.
Nei motori a scoppio la combustione del carburante produce anidrite carbonica, acqua ed energia termica mentre invece nei motori a combustione interna oltre che anidride carbonica ed acqua vengono prodotti idrocarburi incombusti e monossido di carbonio, sostanze molto inquinanti. Inoltre all'interno del cilindro non avviene solamente la combustione del carburante ma anche dell'azoto molecolare che si trova in atmosfera e tramite la combustione viene trasformato in ossidi di azoto. Il monossido di carbonio, gli ossidi di azoto e gli idrocarburi incombusti sono quindi le sostanze inquinanti che vengono emesse dalle sostanze di scarico e per ridurre queste emissioni vengono utilizzate le marmitte catalitiche che trasformano questi inquinanti in sostanze meno inquinati. I convertitori catalitici tramite reazioni di ossidazione sono in grado di ridurre il 98% delle sostanze inquinanti.

I catalizzatori ossidanti

I catalizzatori possono essere ossidanti e riducenti. Nei sistemi ossidanti i catalizzatori sono il palladio, platino e rodio e sono posti sulla superficie della marmitta ossidante che tramite ossidazione trasforma le sostanze inquinanti in sostanze meno inquinanti e questa reazione avviene a circa 300 gradi che normalmente a questa temperatura non avverrebbe.
Vediamo ora l'utilizzo dei convertitori ossidanti sui sistemi a diesel che lavorano in abbondanza di ossigeno. Questa caratteristica del ciclo diesel si traduce in abbondanza di ossigeno nei gas di scarico e ciò permette ai catalizzatore di lavorare in maniera efficace trasformando gli idrocarburi incombusti e il monossido di carbonio in anidride carbonica ed acqua. Quindi il catalizzatore ossidante agisce su 2 inquinanti e per questo è chiamato anche catalizzatore a 2 vie.

Catalizzatori a tre vie

Sono costituiti da un involucro in acciaio inox ed da un corpo realizzato in 2 modi: 1 con un blocco di marmo con delle incanalature ed a forma di nido di ape oppure può essere realizzato con dei fogli di metallo molto sottili che ripiegati uno sopra all'altro formano le incanalature dove vengono depositati i catalizzatori ossia il palladio, platino e rodio. Il rodio favorisce la reazione di riduzione strappando gli O agli ossidi di azoto trasformandoli in azoto molecolare.
Successivamente l'ossigeno partecipa alla reazione di ossidazione innescata da Platino e Palladio e gli idrocarburi incombusti e il monossido di carbonio vengono trasformati rispettivamente in anidride carbonica ed acqua.
In presenza di molto ossigeno è favorita la seconda reazione e sfavorita la prima e viceversa quando c'è meno ossigeno.
Per questo motivo le incanalature devo essere abbastanza spaziose in modo che gli inquinanti e i catalizzatori siano più a lungo in contatto.

Emissioni industriali

Le centrali termoelettriche producono energia ma oltre che produrre energia emettono ossidi di azoto e per ridurre queste emissioni ci sono differenti sistemi come ad esempio la diminuzione della temperatura nella combustione e il ricircolo di parte di gas nella zona di combustione.
Un altro modo per ridurre le emissioni di azoto è la combustione a stadi e gli stadi sono due:
Nel primo stadio la combustione avviene a temperature elevate e viene fornito poco ossigeno in modo da non far reagire l'azoto.
Nel secondo stadio viene fornito invece l'ossigeno necessario per terminare la combustione che avviene però a temperature minore in modo da produrre meno ossidi di azoto.
Un'altra alternativa è quella di utilizzare dei catalizzatori di notevoli dimensioni chiamati anche selettivi che impiegano l'ammoniaca NH3 che viene aggiunta ai gas raffreddati e si combina con gli ossidi di azoto formando azoto molecolare.

Composti dello zolfo e piogge acide

Dalle industrie termoelettriche viene emessa anidride solforosa che è inquinante, ciò avviene poiché utilizzano il carbonio che è fortemente legato allo zolfo. Può avvenire una ripulitura del carbonio pre-combustione che non è però così tanto conveniente poiché appunto il carbonio è fortemente legsto allo zolfo. Avviene quindi una ripulitura post- combustione dove l'effluente gassoso viene fatto passare attraverso una sospensione di calcare che assorbe l'anidrite solforosa e si produce carbonato di Calcio.
Anche dalla raffinazione del petrolio greggio provengono delle emissioni come ad esempio H2S ossia acido solfidrico che è molto più inquinante dell'anidrite solforosa. Infine anche nell'industria petrolchimica vengono emesse sostanze contenenti zolfo.

Rimozione per adsorbimento

L'adsorbimento consiste nell'accumulo di particelle disperse nei gas su una superficie solida adsorbente
Nelle industrie l'effluente gassoso viene fatto passare su un letto di materiale poroso adsorbente che trattiene gli inquinanti volatili e li elimina dal flusso in atmosfera.
I materiali adsorbenti più utilizzati sono la zeolite sintetica e il carbone attivo e sono i più utilizzati a causa della loro porosità ed eliminano circa il 90/95% di inquinanti volatili.

Biofiltrazione

La biofiltrazione sfrutta le attività metaboliche degradative dei microrganismi ed in particolare dei batteri che sono immobilizzati su substrati in cui formano un sottile biofilm. I batteri sono in grado di ossidare i contaminanti contenuti nell'effluente gassoso. L'inquinamento passa dallo stato aeriforme allo stato liquido passando per il bio-filtro dove i batteri si nutrono e degradano le sostanze contaminanti e producono acqua anidride carbonica nuova biomassa e sostanze inorganiche. I batteri più utilizzati sono i mesofili poiché permettono di operare a intervalli termici tra i 20 e i 40 gradi come ad esempio i pseudomonas, bacillus, streptomyces e i funghi come ad esempio il penicillium el mucor e il cephalosporium.
Nelle industrie ci sono due tipi di biofiltrazione:
-Quelle che utilizzano Bio filtri standard il cui sostegno è vegetale come ad esempio il compost o la corteccia
-Quelle che utilizzano i filtri a gocciolamento in cui avviene una costante fornitura di liquido nutritivo.

Abbattimento per mezzo di condensazione

La condensazione dei vapori inquinanti avviene per aumento della pressione o per diminuzione della temperatura. La condensazione di questi vapori permette il loro allontanamento dai loro gas effluenti e quindi permette l'eliminazione o il riutilizzo.
Abbiamo diversi sistemi per la condensazione:
-Dispositivi di abbattimento che utilizzano acqua o aria per arrivare a temperature di 4 gradi. Se al posto dell'acqua utilizziamo una soluzione salina di possono raggiungere temperature di -15 gradi
-Condensatori refrigeranti che utilizzano refrigeranti compressi che permettono di raggiungere temperature inferiori ai -60 gradi
Condensatori criogenici che fanno abbassare la temperatura dell'affluente utilizzando azoto liquido o fluidi criogenici.

Combustione

Quando non è possibile o non è conveniente il riutilizzo dei contaminanti contenuti nell'effluente gassoso si procede alla loro combustione tramite l'ossidazione di una fiamma per rimuovere aerosol. Quando le sostanze sono costituite solamente da carbonio e idrogeno dalla combustione otterremo solamente anidrite carbonica ed acqua mentre se vengono combuste sostanze più complesse dalla combustione otterremo ossidi di azoto e PM.
Da sostanze contenenti invece zolfo. Cloro e fluoro otterremo sostanze inquinanti come acido cloridrico, fluoridrico e S02.
Inoltre dalla combustione incompleta potremmo ottenere sostanze dannose come ad esempio chetoni aldeidi esteri ecc.. e quindi c'è bisogno di effettuare una post-combustione in modo da ossidare ulteriormente queste sostanze inquinanti.