Hidroszféra kémiája Papp S. Kümmel, Környzeti kémia,1991

Az előadások a következő témára: "Hidroszféra kémiája Papp S. Kümmel, Környzeti kémia,1991"— Előadás másolata:

1

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

3 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.

4 Föld vízkészletének megoszlása

5 Víz körforgása

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

7 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.

8 Víz tulajdonságai

9 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.

10 A szél csak a sekély tavak anyagcseréjét határozza meg

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

12 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.

13 Vízben oldott részecskék mérete

14 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

15 Óceánvíz pH-jának változása a mélységgel

16 Savak-bázisok erőssége
Az erősebb sav a gyengébbet sójából kiszorítja

17 A CO2 és a Ca kölcsönhatása

18 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.

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

20 Vizek keménysége Állandó keménység Változó keménység
Vízlágyítás szódával

21 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

22 Vizek szennyeződése

23 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

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

25 Savas esők Európában

26 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.

27 Vizek szennyezése és jellegzetes kémiai reakciók

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

29 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.

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

31 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.

32 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.

33 Szaprobitás jellemzők

34 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

35 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).

36 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.

37 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

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

39 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.

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

41 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.

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

43 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)

44 Ólom lerakódása üledékben

45 Olaj terjedése

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

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

48 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.

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

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