Környezeti kémia II. - unideb.hu

Környezeti kémia II.

Alapfogalmak

2015.09.18.

Alapfogalmak

• Környezet: egy élettér valamennyi tényezőjének összessége, melyek az ott található élőlényekre hatnak, és azzal anyag-, energia- és információcsere kapcsolatban állnak

• Környezeti kémia:

– a természeti környezetben lejátszódó kémiai reakciókat vizsgálja, leírja és modellezi

– azok termodinamikai és kinetikai törvényszerűségeit felderíti – reakciók mechanizmusát vizsgálja

Kémiai reakciókkal, fizikai kémiai törvényszerűségekkel leírhatók a

folyamatok, változások

természeti környezet = reakciótér

Dózsa L.: A környezeti kémia alapjai, Db. 1993

Technoszféra

Az ember biológiai, társadalmi és technikai tevékenységi köre.

Környezeti kémia: a technoszféra és a többi szféra közti spontán kémiai kölcsönhatások vizsgálata

Univerzum = Rendszer + Környezet

A vizsgálat tárgya Minden más

• Litoszféra

• Atmoszféra

• Hidroszféra, bioszféra

Példa: Pentaklorofenol (PCP) fa konzerváló anyag, növényvédőszer gyártása

Rendszer PCP gyártása, reakciók optimalizálása gyártási folyamat, stb

Környezet Ipari folyamat hatása, PCP kibocsátás, melléktermék (dioxin) kibocsátás Dioxin lebomlása, terjedése, reakciói a talajban hatása az élővilágra

Mit értünk környezet alatt?

~ 50 km vastag réteg a felszínen ill. afölött képezi a környezeti kémia tárgyát

A környezetben (levegő, talaj, víz) megtalálható kémiai anyagok eredetének, reakcióinak, transzportfolyamatainak, hatásainak és lebomlásának, valamint az emberi tevékenység befolyásoló hatásának vizsgálata.

Interdiszciplináris tudomány,

részét képezi a légkör-, víz- és talajkémia ,

részben az analitikai kémiára épül,

szoros kapcsolatban áll a környezettel kapcsolatos egyéb tudományterületekkel.

Tudományterületek

Környezeti kémia

Geokémia

Analitikai kémia Szervetlen kémia

Szerves kémia

Biokémia

Hidrokémia

Fizikai kémia

Alkalmazott kémia

Orvostudomány

Biológia

Geológia

Agrártudomány

Műszaki tudományok

Környezettudomány

Feladatai

1. Környezetanalízis: • Hol?

• Milyen koncentrációban? (toxikus?) Milyen formában?

• Okoz problémát?

környezetbe jutó természetidegen anyagok kimutatása, kvantitatív meghatározása

természetes anyagok globális, regionális és lokális koncentráció változása antropogén hatásra

(101-10-12 g/l koncentrációtartomány)

Célszerű analitikai módszerek

Komplex monitorozó rendszerek

Pl: O3, NOx meghatározása a sztratoszférában….

Pl: Tallium •„Alkáli fém”, általában tallium(I) •Vegyületei:

•tallium(I)- hidroxid vízben oldható, erős bázis.

•( tallium(III) vegyületek könnyen hidrolizálnak; ilyen alakban

kevéssé aktív, a tallium(III)-oxid alig bázisos )

•Toxikus: K helyére beépül metabolizmus zavarok, (enzimek , koenzimek gátlása) (vízi élővilág, ember, emlősök)

•Hol milyen koncentrációban normális a jelenléte? •Földkéreg: ~0.7 mg/kg •Hidroszféra: ~10ng/l •Szenyezett területeken:

•Szén bányák közelében (Kanada): ≥20µg/l •Felhagyott aranybánya salakjában: 3.5 mg/kg •Talliumban gazdag kőzetek feletti talajrétegben (Kína): 20 mg/kg

Speciáció

Speciesz: •Az olyan kémiai komponensek, melyek izotóp eloszlásukban, szerkezetükben, oxidációs állapotukban, töltésükben vagy komplexeik és kovalensen kötött vegyületeik tulajdonságaiban különböznek . (Templeton, 2000) BIOLÓGIAI HATÁS!!!!

Speciáció: •Egy elem meghatározott specieszei szerinti eloszlása egy adott rendszerben.

Eloszlási diagram: •Analitikai adatok (koncentrációk, egyensúlyi állandók) •pH vagy más elemkoncentráció fv.-ben •Mennyire hozzáférhetőek az adatok? Termodinamikai egyensúlyi rendszerről van szó?

Pl: Tallium: vízben általában Tl(I) (oldható, mobilis), DE Tl(III) kolloid formában van jelen, így egy része kiülepszik az üledékbe

Tengervíz: [Cl-] = ~0.56 mol/l Ivóvíz: [Cl-] = ~9.5 ppm

Vízben: szervetlen forma, 0, +1, +2 oxidációs állapot Halakban: metil-higany , üledékben képződik mikrobiológiai folyamatokban

2. Ökotoxikológia:

környezetbe jutó kémiai anyagok hatásának következményei, ökoszférában való átalakulásuk (lebomlás, feldúsulás, terjedés, stb.)

Toxicitást jelző paraméterek

Veszélyességi kritériumok

(koncentráció és veszélyességi tulajdonság)

3. Biogeokémiai körfolyamatok:

Globális antropogén hatás!!!!

• környezeti szempont

(környezetszennyezés)

• emberi szempont

(pl: nyersanyag, energia)

nooszféra

fogyasztási

hulladék

fogyasztás

elosztás termék

termelés

recirkuláció

ember

bioszféra

növény

állat levegő

geoszféra

talaj

víz

gyártási

hulladék nyersanyag

Papp-Kümmel: Környezeti kémia , Bp. 1992, p.180.

Kémiai folyamatok •Rendszer alkotóelemei között fizikai, kémiai és biológiai folyamatok

•Környezeti folyamatok megismeréséhez reakciók ismerete!!!

•4 elem: atmoszféra, hidroszféra, szárazföldi környezet, bioszféra

ezeken belül és ezek között reakciók, kémiai folyamatok

Pl: víz

Tartózkodási idő:

τ = állandó mennyiség/fluxus

Víz tartózkodási ideje az atmoszférában???

Antropogén hatások a környezetben

1. Katasztrófa szerű rövidtávú hatás Pl: 1984. Bhopal (India)

• 40 tonna metil-izocianát került a levegőbe, 3800 halott

• CH3-N=C=O : karbaril peszticid gyártásának kiindulási anyaga, hűtött földalatti tárolóban tartották

• levegőnél 2x nehezebb, reaktív, mérgező, gyúlékony, színtelen szúrósszagú folyadék

http://www.ehjournal.net/content/4/1/6

(1) monometil-amin

(2) foszgén

(3) metil-izocianát

(4) 1-naftol

(5) karbaril

At 25°C, in excess water, one-half of the MIC is consumed in 9 minutes, if the heat is not efficiently removed from the mixture, the rate of the reaction will increase and rapidly cause the MIC to boil.

If MIC is in excess, 1,3,5-trimethylbiuret is formed along with carbon dioxide (Union Carbide Corporation "Methyl Isocyanate" Product Information Publication, F-41443, November 1967. )

•egy hibás szelepen 1t, a belső csövek tisztítására használt víz került a rendszerbe, elegyedve a MIC-tal.

•exoterm reakció, nyomás és hő nő

•hűtési rendszer + egyéb hibák miatt (bizonyos biztonsági rendszerek, kéménygáz-mosó üzemen kívül)

•egy 33m magasan lévő csőből jutott ki a MIC

•Nincs jelentősebb meteorológiai megfigyelés, stabil légköri körülmények

•Nagyon enyhe ÉNy-É-i szél

•Keveredési réteg magassága 200m (Új Delhiben mért érték alapján)

Növények károsodása alapján

DK

Nehezebb a levegőnél

Gravitáció szerepe nem jelentős (a gyár közvetlen közelében pusztított volna leginkább)

Ok: jól elegyedik a levegővel, nem tud ülepedni

Boybey, Raman, Zanetti: Numerical investigation of possible role of local meteorology of Bhopal gas accident, Atmospheric Environment Vol. 29, No. 4, pp. 479496, 1995

http://bioterrorism.slu.edu/pulmonary/quick/methyliso.pdf

An experiment on human exposure revealed no irritation at levels of 0.4 ppm, while exposure at 2 ppm produced bronchial irritation and lacrimation, and exposure at 21 ppm was unbearable. Based on these and other data, an 8-hour threshold limit value of 0.02 ppm has been set.

Mekkora mennyiség? Milyen koncentráció?

•néhány óra alatt

•40-42 t MIC

•mekkora területen ?

•…

Mi befolyásolhat még:

• Az enyhe szél iránya

• Helyi mikroklíma: városi hősziget (kis időre megreked a város felett)

• Tó felett hűvösebb idő

• Gázkiáramlás sebessége (88 m s-1 ), csőátmérő: 0,2m

Boybey, Raman, Zanetti: Numerical investigation of possible role of local meteorology of Bhopal gas accident, Atmospheric Enuironment Vol. 29, No. 4, pp. 479496, 1995

Modellezés, szimuláció

2003 októberére 15 248 haláleset miatt és 554 895 sérülés vagy rokkantság

• a legújabb vizsgálatok bebizonyították, még mindig nagyon magas a méreg koncentrációja Bhopal környékén a talaj- és ivóvízben, a növényekben, az állatokban és az emberek szervezetében

• bebizonyították, hogy a levegőbe kerülő metil-izocianát idegrendszeri, máj- és vesekárosodást okozott akkor, és szörnyű hatását még napjainkban is kifejti

• Bhopalban és környékén nagyon sok gyermek születik örökletes betegségekkel

• még mindig jelentős mennyiségű kloroform mutatható ki a kismamák tejében

• gázszivárgás több növényfajtára hatással volt

• tavakban a halak elpusztultak vagy megbetegedtek

• néhány növényfaj elsorvadt

• a háziállatok közül a hivatalos adatok szerint 790 bivaly, 270 marha, 483 kecske, 90 kutya és 23 ló pusztult el

• 1999-ben a helyi talajvíz és kútvíz vizsgálata a baleset helyszínének közelében a várhatónál 20 000 – 6 milliószor magasabb higanyszinteket tárt fel

• rákot és agykárosodást, valamint születési rendellenességeket okozó vegyi anyagokat is találtak a vízben

• a triklór-etén (a magzati fejlődést bizonyítottan károsító vegyi anyag) szintje 50-szer volt magasabb, mint az amerikai Környezetvédelmi Ügynökség biztonsági határa

2. Közép- és hosszútávú hatás Pl: globális felmelegedés

3. Hatások vizsgálata összetett:

Pl: szennyvíz iszap kihelyezése mg-i területre, Cd koncentráció kérdése

Talajban: 0,8 ug/g

Szennyvíziszapban: 80 ug/g

Határérték kihelyezett szennyvíziszapra: 10 mg/kg

Kihelyezett iszap mennyisége?

Egyes folyamatok hogyan befolyásolják egymást?

Környezet változásakor marad-e az egyensúly?

legtöbb

„A természet az általa létrehozott anyagok lebontására ugyanolyan gondot fordít, mint előállításukra. A termelés

örömétől elragadtatott ember még nem tart itt.” Frederic Vester

4. Környezeti/ökológiai szempontú kémiai technológiák:

• Hulladékszegény és hulladékmentes technológiák kifejlesztése és alkalmazása

• Nyersanyagok visszanyerése, szennyező anyagok ártalmatlanítása (pl: termálvízhasznosítás, ivóvíztisztítási iszap ártalmatlanítása)

• Anyagelválasztás, dúsítási technológiák (pl: határfelületi és membránfolyamatok…)

Green chemistry / „Zöldkémia” = Fenntartható kémia

Green chemistry, also called sustainable chemistry, is a philosophy of chemical research and engineering that encourages the design of products and processes that minimize the use and generation of hazardous substances. Green chemistry seeks to reduce and prevent pollution at its source.

In 1990 the Pollution Prevention Act was passed in the United States. It aims to avoid problems before they happen.

Hatékonyan használja fel a (lehetőleg megújuló) nyersanyagokat, kiküszöböli a hulladék keletkezését, elkerüli a mérgező és veszélyes reagensek és oldószerek alkalmazását.

A ZÖLD KÉMIA TIZENKÉT ALAPELVE Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Oxford, 1998. Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55, 173.

A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása.

1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni.

2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális

felhasználására (atomhatékonyság)

3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és keletkező anyagok nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak.

4. Kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások teljesítése mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen.

A ZÖLD KÉMIA TIZENKÉT ALAPELVE

5. Segédanyagok (oldószerek, elválasztást elősegítő reagensek, stb.) használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek „zöldek” legyenek.

6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni.

7. Megújuló nyersanyagokból válasszuk a vegyipari alapanyagokat.

8. A felesleges származékkészítést kerülni kell.

9. Reagensek helyett katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni.

10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen.

11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük.

12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (kémiai anyagok kibocsátása, robbanás, tűz) valószinűségét .

Vége