Hidroszféra kémiája Papp S. Kümmel, Környzeti kémia,1991 C. Baird, M. Cann, Environmental Chemistry, 2005 S. E. Manahan, Environmental Chemistry, 2005

A víz szerepe A víz kereken 1,38·1018 t (7,65·1022 mol) összes tömegével a földfelület leggyakoribb molekuláris vegyülete. A Föld felső rétegében a víz tömege 8%-ot tesz ki. Kétségbevonhatatlan, hogy a Földön bármilyen, az életjelenségekkel kapcsolatos folyamatot a víz határozza meg. A tiszta ivóvíznek stratégiai jelentősége van.

Föld vízkészletének megoszlása

Víz körforgása

A víz átlagos tartozkodási ideje különböző közegekben A legnagyobb anyagforgalom, évi 423 000 km3 az elpárolgásból és a csapadékképződésből ered. Ennek a vízcserének közel 9 %-a (37000 km3/év) a szárazföld és az óceán között zajlik le

Ivóvíz szükséglet előrejelzése Ivóvíznek ma már stratégiai jelentősége van. 1 milliárd ember kénytelen szennyezett ivóvizet fogyasztani, és évente 5 millió gyermek hal meg víz okozta fertőzés következtében.

Víz tulajdonságai

Víz szerkezete A víz az oxigén atomok szabad elektronpárja és a hidrogénatomok elektronhiánya miatt hidrogénhidat képez A víz számos molekulából (2-150) szerkezettel rendelkező asszociátumokat képez.

A szél csak a sekély tavak anyagcseréjét határozza meg

Víz átalakulásai A víz fagyáskor kitágul (jég feszítő ereje) Nyomásra megolvad (gleccserek vándorlása) Nagy fázisátalakulási energiákkal rendelkezik (párolgáshő). Áramlás az édesvízi tavakban

A víz oldóképessége A víz bonyolult szerkezetéből és specifikus sajátságaiból adódóan más molekulákkal változatos kölcsönhatásra képes. A nagy dipólusmomentum és dielektromos állandó (ε = 78,54 25 °C-on) értékekből várható, hogy a víz elektromosan töltött részecskéket és dipólusmolekulákat stabilizálni, ellentétes elektromos töltéseket pedig szétválasztani képes. Az oldószerpolaritás empirikus skálái azt mutatják, hogy a víz olyan közeg, amely kationokat, anionokat és poláris nemelektrolitokat egyformán képes szolvatálni. A víz önmaga rossz vezető, de az oldott sók jó vezetőképességű oldatokat eredményeznek.

Vízben oldott részecskék mérete

A víz autoprotolízise, pH H2O↔ H+(aq) + OH–(aq) ahol aH+, a OH–, illetve aH2O a disszociációs reakcióban részt vevő részecskefajták aktivitását jelenti. Kellő mértékben hígított oldatokban aH2O = 1 pH< 7 = savas a közeg

Óceánvíz pH-jának változása a mélységgel

Savak-bázisok erőssége Az erősebb sav a gyengébbet sójából kiszorítja

A CO2 és a Ca kölcsönhatása

Széndioxid oldódása pH függvényében pH-tól és a nyomástól függően rakodik ki a mészkő (cseppkő), vagy oldódik fel (barlang). A szén-dioxid(0,038 tf% száraz levegőben) parciális nyomása: 3,68×10–4 atm, ezért az esővíz pH=5,63 értékű.

A folyók és óceánok iontartalmának összehasonlítása A tengervíz sótartalma mintegy 3,5%-ra tehető. A sók szárazföldről mosódtak be.

Vizek keménysége Állandó keménység Változó keménység Vízlágyítás szódával

Gázok oldódása vizekben A vízben oldott gázok jelenléte vagy hiánya meghatározó a vízi élőlények életfeltételei szempontjából. A halaknak oldott oxigénre van szüksége, és szén-dioxidot bocsátanak ki, míg a vízi növényeknek a fotoszintézishez szén-dioxidra van szükségük és oxigént termelnek

Vizek szennyeződése

Különböző vizek szennyezésének jellemzői Tengervíz: hatalmas pufferkapacitás, de lassú tisztulás Felszini víz: Gyors hatás, de könnyű mentesíthetőség is, nagy öntisztulási készség Felszínalatti víz:Késői felismerések, rossz öntisztulás Esővíz: gyors csere (öntisztulás) közvetlen kapcsolat a légtérrel

Savas esők USA-ban A savas eső erdők kipusztulását okozza bizonyos gombafajok elszaporodása miatt.

Savas esők Európában

Hulladéktípusok a vízben fertőzők (baktériumok, vírusok, véglények) oxigént fogyasztó anyagok eutrofizációt okozó szennyezések szerves és szervetlen vegyületek olajszennyeződés szuszpendált szilárd anyagok (pl. nehézfém) radioaktív hulladékok a felszíni vizek hősszennyezése.

Vizek szennyezése és jellegzetes kémiai reakciók

Idő és térbeli terjedés függése oldódástól Folyamatosan triklóretilén (TCE), tetrakloretilén (PCE) és klorid-ion tartalmú folyadék szivárog

Szennyezések időbeli hatása A szennyezés terjedése és az öntisztulás vonatkozásában lényeges különbségek tapasztalhatók a felszíni és a felszín alatti vizek között. A felszíni vizek esetében a szennyezés múlékony, tartóssága néhány nap, legfeljebb néhány hét. A felszín alatti vizek szennyezése ellenben tartós, időtartama évtizedekre esetleg évszázadokra tehető.

DDT koncentrációk (µg/g zsír) Balti tengeri állatokban Perzisztens szennyezők sokáig nem bomlanak el, vízoldhatóságuk, bioavialabiliy-jük ált. csekély

Fogalmak A trofitás (termőképesség) a vízi ökoszisztéma elsődleges szervesanyag termelésének a mutatója. Mértékét a klorofilltartalmú növényzet (alga, hínár), a víz szervetlen növényi tápanyagtartalma (foszfor és nitrogén), továbbá a fényviszonyok határozzák meg. Növényi anyagok növekvő primer produkciója az édesvíz oligotróf, mezotróf, eutróf, politróf és hipertróf állapotát jelzi. A trofitás növekedése a vízi növényzet elszaporodásával (főleg algák) jár, ami fokozott eutrofizációt okoz.

Fogalmak A szaprobitás a vízi ökoszisztéma szervesanyag-lebontó képességeit jelenti, amely a trofitással szemben energiaveszteséggel jár. A nagy szervesanyag szennyezés esetén a szerves anyag lebontására képes mikroorganizmusok szaporodnak el, amelyek felhasználják a víz oldott O2-készletét. Jellemzésére a vizek biológiai (BOI) és kémiai (KOI) oxigénigénye, a szerves szén, szerves nitrogén, továbbá a szaprobiológiai elemzés (szaprobitásfok, szaprobitásindex) alkalmas.

Szaprobitás jellemzők

Víz tápanyag szennyezések Eutrofizáció (nagy N-, P-tartalmú tápanyag beáramlása révén)  felgyorsult növekedés (pl. algavirágzás)  oxigénhiány, anaerob bomlás: mocsár, kiszáradás Egy átlagos biomasszában a C : N : P-tömegarány megközelítőleg 100:17:1 Eredet: műtrágya, kommunális szennyvíz

Fogalmak A toxicitást a vízi ökoszisztémák élőlényeinek életműködését zavaró vagy az élőlényeket elpusztító mérgező anyagok jelenléte határozza meg. A mérgező anyag jelenlétét ismert mérgek esetén kémiai, ismeretlen mérgek esetén biológiai vizsgálati módszerekkel határozzák meg. A vízbe került anyagok toxicitásának mértékét a tesztegyedek 50%-ának halálát okozó hatás (L50).

Foszfor hatásai Természetesen a foszfát kiválhat rosszul oldódó vas(III)- vagy alumínium-foszfát formájában is. Az előbbi különösen jelentős lehet a foszfát üledékekből való remobolizációja szempontjából is. A tápanyag és szennyezők által terhelt felszíni vizekben az üledékhez közeli vízrétegekben anoxikus (redukáló) körülmények között és viszonylag savas oldatban a FePO4(s) + H+ + e-  Fe2+(aq) + HPO42-(aq) reakciónak megfelelően a foszfát visszaoldódhat. Tekintettel arra, hogy a vizekben az ugrásszerűen megnövekedő biomassza-termelést (eutrofizációt) a foszfátkoncentráció szabályozza, a folyamat határozottan negatív hatásokra vezet. A legnagyobb gond, hogy az üledékekből a foszfátot nem, vagy nagyon költségesen lehet eltávolítani.

A víz oldott oxigénjét fogyasztó szennyezések Szerves vegyületek  táplálék a baktériumok számára: C (a szerves vegyületben) + O2(vízben oldott)  CO2 4 H(a szerves vegyületben) + O2(vízben oldott)  2 H2O  túlságosan lecsökkenhet az oldott O2 koncentrációja Pl.: 3 ppm C 9 ppm O-t fogyaszt  1csepp olaj C-je 5 liter víz O-jét fogyasztja Eredet: emberi/állati hulladék, ipari (élelmiszer-, papír-, bőrgyár) szennyvizek  algák pusztulása további szennyeződés

Biokémiai Oxigénigény (BOI, BOD) Szerves szennyezések bakteriológiai oxidációjához általában 20-30 nap szükséges, de a kísérlethez 5 nap: BOI5 Pl.: (BOI5) Friss víz: 1 ppm Városi szennyvíz: 100 – 400 ppm Állattartó telep: 100 –103 ppm Élelmiszeripari sz. v.: 100 – 104 ppm

Kémiai oxigényigény (KOI,COD) Oldott szerves vegyületek okozta szennyeződés Gátolja az oxigénfelvételt és evvel CO2 ürítését az élőlényekből Védekezés: levegő buborékoltatás, mészhozzáadás, ülepítés. Mérés COIMn, COICr A szerves anyagokat még a TOC értéke is mutatja, de ez gyakran a humintartalom miatt magas.

Oxidatív körülmények változása a mélységgel A kialakult redukáló körülmények között keletkező (pl. fém-)vegyületek oldhatósága rendszerint nagyobb, így könnyebben mobilizálódnak üledékekből, ásványokból

Vizek öntisztulása Természetes vizek aerob vagy anaerob állapotát mindenekelőtt az jelzi, hogy a szerves anyagok mineralizációja során keletkező végtermékekben az egyes elemek milyen oxidációfokkal szerepelnek. A természetes édesvizek öntisztulási potenciálja általában véve korlátozott.

A téli és nyári körülmények változása meghatározza a vizek oxidatív állapotát Nyáron általában oxidatívak a körülmények

Vizek szennyezésének hatása Hg példáján bemutatva A Hg idegméreg, akkummlációra hajlamos, halakban dúsul Maximum megengedhető napi dózis: 0,1 μg/kg (testsúly) Aneorob körülmények közt a Hg metileződik az üledékben és nagyságrendekkel mérgezőbb lesz. Tengeri halakban koncentrációja kiemelkedő. Régebben csávázószerként használták a mezőgazdaságban. Ipari felhasználása széleskörű (aranymosás,elektromos csatlakozás, fogászat)

Ólom lerakódása üledékben

Olaj terjedése

Lehatárolás úszógáttal Vízfelszínről fel lehet itatni az olajt (perlit, cancell, gyapjú.

Döglött madarak az olaj miatt Az olaj a zsírt leoldja a madarak tolláról, és elzárja a tenger oxigén utánpótlását

Szennyezések időbeli elhúzódása Egy télen levonuló olajszennyezés jelentős mennyisége megkötődhet a folyó medrében lévő üledéken. Ez nyáron felszabadulva a víz felszínére kerülhet és jelentősen gátolhatja a vízbe irányuló oxigénátadást és a magasabb hőmérséklet következtében egyébként is alacsonyabb oldott oxigén olyan mértékben lecsökkenhet, hogy a vízi élővilág pusztulásához is vezethet.

Ivóvíz tisztítás A csápos kutaknál nagy szerepe van a folyó mederben lévő biofilternek

Klórozás során káros melléktermékek képződhetnek Kloroform: rákkleltő méreg Klórozott alkilfenolok: hormonháztartást megzavaró hatás Oxidált PAH-ok: rákkeltő, mutagén hatás