آلودگی هوا

ساختار اتمسفر تقسیم بندی اتمسفر بر حسب چگونگی روند دما اختلاف چگالی تغییرات فشار تداخل گازها ویژگی های الکتریکی

ساختار اتمسفر تروپوسفر استراتوسفر مزوسفر ترموسفر اگزوسفر

تروپوسفر (Troposphere) ارتفاع 7 تا 18 کیلومتر تجمع کل بخار آب پدیده های جوی (ابر، باران و برف، مه و رعد و برق) با افزایش ارتفاع، دما کم می شود

استراتوسفر (Stratosphere) با افزایش ارتفاع دما زیاد میشود (به علت جذب انرژی پرتوهای فرابنفش)

مزوسفر (Mesosphere) دمای تا 160- درجه سانتی گراد سرعت باد حدود 720 کیلومتر در ساعت

ترموسفر (Thermosphere) ارتفاع 50 تا 480 کیلومتری افزایش دما به علت جذب مستقیم پرتوی فرابنفش

اگزوسفر (Exosphere) حفظ قابلیت الکتریکی گازها چگالی بسیار کم هوا ارتباط دهنده جو به فضای کیهانی

اثر آلودگی هوا بر شرایط جوی تغییرات در مقیاس محلی کاهش قابلیت دید (پراکنش ذرات 2.5 تا 10 میکرن) بارندگی گرمایش جزیره ای تغییرات درمقیاس منطقه ای و جهانی اثر گلخانه ای

مکانیزم پخشیدگی آلاینده ها در هوا انتشار یا رقیق شدن آلاینده ها در اثر جریان های افقی یا عمودی هوا تغییر در فشار اتمسفر اثر رطوبت و بارندگی بر حل کردن، سنگین کردن و جذب سطحی آلاینده ها تغییرات دما در هوای مرطوب از هوای خشک کمتر است جریان های هوا تحت تأثیر تغییر دانسیته هوا، فشار هوا، حرکت هوا در نزدیکی سطح زمین از محل گرمتر به سرد تر قرار دارد.

جریان های عمودی یک بسته هوای گرم و خشک که در اتمسفر رها می شود به طرف بالا حرکت می کند و فشار در اطراف بسته کم می شود. به ازاء هر 100 متر ارتفاع 1 درجه سانتی گراد کاهش دما بوجود می آید (در هوای مرطوب 0.6 درجه سانتی گراد) تا هنگامی که بسته هوای گرم باز شده و مولکولهای آن رها شوند و به تدریج سرد شوند. به این حالت اتمسفر با شرایط خنثی می گویند. اگر تغییرات دما نسبت به ارتفاع صفر باشد به آن ایزوترمال می گویند اگر تغییرات دما نسبت به ارتفاع افزایشی باشد به آن ترمال اینورژن می گویند

جریان های عمودی در شرایط اتمسفر خنثی اگر دود خیلی گرم تر از هوای اطراف باشد، به حرکت خود ادامه می دهد اگر اختلاف دمای دود و محیط اطراف کم باشد، موازی هم حرکت می کنند در حالت اینورژن، دود خیلی زود با محیط اطراف همدما شده و دیگر صعود نمی کند معمولا حالت اینورژن در ارتفاع 50 تا متری سطح زمین اتفاق می افتد

توسعه مخروطی اگر دود وارد هوای پایدار خنثی شود، به صورت متقارت توسعه خواهد یافت که به آن توسعه مخروطی (Coning) می گویند

توسعه حلقوی در صورتیکه شرایط جوی ناپایدار باشد، حرکات توده های هوا باعث توسعه حلقوی (Looping) جبهه دود می شود

توسعه بادبزنی درصورتیکه هوا بسیار پایدار باشد از پراکنش دود به صورت عمودی جلوگیری شده و به صورت افقی حرکت می کند که به آن توسعه بادبزنی (Fanning) می گویند

توسعه مه درصورتیکه وارونگی هوا بر جو حاکم باشد، دود پس از کمی صعود به سمت پایین رانده می شود که به آن توسعه مه (Fuming) می گویند. در این حالت با افزایش حرکت افقی هوا، غلظت مواد آلاینده در سطح افزایش می یابد

توسعه بالا رونده هنگامی که جبهه دود بالاتر از لایه وارونه قرارگیرد، پخش به سمت بالا بدون محدودیت انجام می شود و از حرکت رو به پایین جبهه دود جلوگیری می شود که به آن توسعه بالا رونده (Lofting) گفته می شود.

استانداردهای آلودگی هوا استانداردهای اولیه: رعایت آنها برای حفظ سلامتی عمومی جامعه (صرف نظر از مسائل اقتصادی و تکنولوژیکی) الزامی است. استانداردهای ثانویه: حفاظت ساختمانها، محصولات و دامها و منسوجات و ... نیز مد نظر قرار گرفته است.

استاندارد هوای پاک حداکثر غلظت یک ماده آلوده کننده که در یک فاصله زمانی مشخص در هوا می تواند وجود داشته باشد و اثر نامطلوبی بر سلامتی انسان نداشته باشد.

شاخص استاندارد مواد آلاینده (Pollutants Standard Index) استانداردی است که برای گزارش روزانه کیفیت هوا مورد استفاده قرار میگیرد بر اساس میزان حضور پنج آلاینده CO, O3, NO2, SO2, PM10 تعریف می شود غلظت آلاینده ها به یک مقیاس عددی بین صفر تا 500 تبدیل می شود. در هر مقیاس دستورالعملهای مدیریتی خاصی اعمال می شود تنها هنگامی که اندازه گیری مربوط به هر پنج آلاینده دارای مقدار شاخص کمتر از نصف مقدار استاندارد مربوطه باشند، کیفیت هوا خوب است.

PSI 0-50 = خوب تا 100 = قابل قبول تا 200 = آلودگی متوسط تا 300 = آلودگی زیاد تا 400 = آلودگی شدید تا 500 = غلظت خطرناک

شاخص کیفیت هوا (Air Quality Index) به طور کلي شاخص کيفيت هوا (AQI) شاخصي جهت پيش بيني روزانه کيفيت هوا است. اين شاخص مردم را از کيفيت هوا (پاک بودن يا آلوده بودن آن) آگاه مي سازد و ميزان ارتباط آن با سطوح سلامت را ارايه مي کند. به عبارت ديگر ميزان تاثير هواي آلوده بر سلامت انسان را نشان مي دهد و درک آن را توسط عموم مردم آسان مي سازد.

AQI شاخص کيفيت هوا AQI ، کيفيت هوا را در شش دسته قرار مي دهد که هر دسته را به سطوح مختلف سلامت انسان مربوط مي سازد. اين شش دسته بشرح زير است: خوب: (1) ميزان AQI در اين حالت بين 0 و 50 است. کيفيت هوا رضايتبخش است و آلودگي هوا بي خطر يا کم خطر است. اين حالت را با رنگ سبز نشان مي دهند. متوسط: (2) ميزان AQI در اين حالت بين 51 تا 100 است. کيفيت هوا قابل قبول است اگرچه بعضي از آلاينده ها ممکن است براي تعداد بسيار کمي از افراد با ملاحظات بهداشتي خاص همراه باشد به عنوان مثال کساني که نسبت به ازن حساسيت ويژه اي دارند ممکن است علائم تنفسي از خود بروزدهند. اين حالت را با رنگ زرد نشان مي دهند. ناسالم براي گروه هاي حساس: (3) ميزان AQI در اين حالت بين 101 و 150 است. بعضي از افراد گروههاي حساس ممکن است اثرات بهداشتي خاصي را تجربه کنند. براي مثال مردمي که داراي بيماري ريه هستند نسبت به عموم مردم خطرات بيشتري را از مواجهه با ازن متحمل مي شوند اما مردمي که بيماري ريوي يا قلبي دارند خطر بيشتري را از مواجهه با ذرات معلق متحمل مي شوند. ولي وقتي آلودگي هوا در اين سطح قرار دارد عموم مردم تحت تاثير قرار نمي گيرند. اين حالت را با رنگ نارنجي نشان مي دهند. ناسالم: (4) هر فردي ممکن است اثرات بهداشتي AQI بالا را زماني که مقدار آن بين 151 و 200  است، تجربه کند. اعضاي گروههاي حساس بيش از سايرين اثرات جدي را بر سلامت خود تجربه مي کنند. اين حالت را با رنگ قرمز نشان مي دهند. خيلي ناسالم: (5) در اين حالت AQI بين 201 تا 300 قرار دارد و هشداري براي سلامتي بحساب    مي آيد و بدين معني است که هر کسي ممکن است اثرات جدي تري را بر سلامت خود تجربه کند اين حالت را به رنگ بنفش نشان مي دهند. خطرناک: (6) AQI در اين وضعيت از 300 بالاتر است و اخطاري جدي براي سلامت انسان و اعلام وضع اضطراري است. در اين وضعيت احتمالا تمام افراد جامعه تحت تاثير قرار مي گيرند. اين حالت را با رنگ ارغواني نشان مي دهند.

محاسبه AQI کيفيت هوا بوسيله تعيين غلظت آلاينده هاي اصلي در ايستگاههاي سنجش اندازه گيري مي شود. اين ايستگاهها بسته به جمعيت شهر و وسعت آن ممکن است متعدد باشند. داده هاي خام بدست آمده از سنجش آلاينده ها با استفاده از رابطه 1 به AQI تبديل مي شوند. پارامترهاي مورد استفاده در رابطه از جدول 2 که نقاط شکست براي AQI  را نشان مي دهند، بدست مي آيد. که در اين رابطه : Ip = شاخص کيفيت هوا براي آلاينده P Cp = غلظت اندازه گيري شده آلاينده P BPHi = نقطه شکستي که بزرگتر يا مساوي Cp است BPLO = نقطه شکستي که کوچکتر يا مساوي CP باشد IHi = مقدار AQI منطبق با BPHi ILo = مقدار AQI منطبق با BPLo

محاسبه AQI در يک ايستگاه سنجش آلودگي هوا غلظت ازن يکساعته   ppm156/0، غلظت ا زن 8 ساعته ppm130/0 و غلظت 10PM معادل μg/m3 210 اندازه گيري شده است. AQI  را براي آلاينده هاي نامبرده محاسبه کنيد. حل: نقطه شکست براي 10PM معادل μg/m3 210 را از جدول 2 تعيين مي کنيم. μg/m3210  در رديفي قرار دارد که کمترين مقدار آن μg/m3 155 و بيشترين مقدار آن μg/m3254 است و با  AQI 101 تا 150 مطابقت دارد. بنابراين AQI براي 10PM با داده هاي زير قابل محاسبه است.

شاخص کیفیت هوا برای ازن O3 مقدار شاخص سطوح مرتبط با سلامتي دستورالعمل احتياطي 50-0 خوب ندارد 100-51 متوسط افراد خيلي حساس بايد فعاليتهاي طولاني يا خيلي سنگين را در خارج از منزل كاهش دهند  150-101 ناسالم براي گروههاي حساس كودكان فعال و بزرگسالان و افرادي كه به بيماري ريوي نظير آسم مبتلا هستند لازم است فعاليتهاي طولاني يا خيلي سنگين خارج از منزل را كاهش دهند.  200-150 ناسالم كودكان و بزرگسالان فعال و افرادي كه مبتلا به بيماري ريوي نظير آسم هستند بايد از فعاليتهاي طولاني يا خيلي سنگين خارج از منزل اجتناب كنند. هر شخصي بويژه كودكان فعال بايد فعاليتهاي طولاني يا خيلي سنگين خارج از منزل را كاهش دهند. 300-201 خيلي ناسالم كودكان و بزرگسالان فعال و همچنين افرادي كه به بيماريهاي ريوي نظير آسم مبتلا هستند بايد مطلقا" از منزل خارج نشوند. هر فردي، بخصوص كودكان بايد از فعاليتهاي طولاني يا خيلي سنگين خارج از منزل اجتناب كنند. 500-301 خطرناک همه افراد بايد از فعاليتهاي فيزيكي خارج از منزل اجتناب نمايند.  

داده ها و اطلاعات آلاینده های هوا فهرست انتشار فهرست خروجی های آلاینده، یک لیست کمی از مقادیر و انواع آلاینده هایی است که از طریق همه منابع آلاینده و در یک نقطه معین، در حال ورود به هوا هستند. این داده ها در شبیه سازی فرایند تشکیل و انتقال آلاینده ها، تخمین غلظت بالقوه آلاینده، تخمین میزان تأثیر گذاری آلاینده و الزامات کاهش خروجی ها کاربرد دارند. ضریب انتشار مقدار آلودگي توليد شده از منبع را با وزن آلودگي به واحد وزن مواد خام مصرفي يا محصول توليدي بيان مي كنند و به آن «ضريب انتشار» مي گويند. تعیین انتشار در مدت طولانی نه پیک ها نوع منبع، فرایند و مواد خام ورودی مشخص باشد داده های استفاده شده به روز باشد EPA ضرایب انتشار را از A تا E بر اساس قابلیت اعتماد پذیری رده بندی کرده است

نمونه برداری و اندازه گیری غلظت آلاینده ها در هوا ذرات ذراتی که به دلیل اندازه و وزن ظرف مدت کوتاهی (1 ساعت) ته نشین می شوند (Setelable Particles) اندازه گیری با سیستم (Dust Fall Jar): ظرفی با یک قیف در بالای آن یک ماه در ارتفاع یک متری از زمین و بدور از ساختمانها و موانع طبیعی قرار می گیرد و در آزمایشگاه به صورت وزن ذرات ته نشین شونده در واحد سطح در ماه گزارش می شود. حجم ظرف و سطح مقطع قیف با توجه به غلظت ذرات انتخاب می شود.

نمونه برداری و اندازه گیری غلظت آلاینده ها در هوا ذرات ذراتی که از چند ساعت تا چند روز می توانند در هوا معلق بمانند (Suspended Particles پمپهای مکش با حجم زیاد (High Volume Sampler): جریان آنها بر حسب متر مکعب در دقیقه بیان می شود: نمونه برداری از هوای آزاد ارتفاع یک متر، پمپ، تایمر، صفحه نگهدارنده فیلتر، فیلتر 24 ساعت کار می کند، ذرات مکش شده روی فیلتر توزین می شوند بر حسب وزن ذرات در حجم هوا گزارش می شود هر 6 روز یکبار در تمام مدت سال اندازه گیری شده تا میانگین سالانه بدست آید پمپهای مکش با حجم کم (Low Volume Sampler): جریان آنها بر حسب لیتر در دقیقه بیان می شود.

نمونه برداری و اندازه گیری غلظت آلاینده ها در هوا ذرات ذراتی که از چند ساعت تا چند روز می توانند در هوا معلق بمانند (Suspended Particles پمپهای مکش با حجم کم (Low Volume Sampler): جریان آنها بر حسب لیتر در دقیقه بیان می شود. پمپهای دستی است (Drager) با هر پالس 100 سی سی هوا وارد پمپ می شود برای نمونه برداری از منابع (کوره ها، آسیاب ها، دستگاههای برش، اگزوز خودروها و...) کاربرد دارد

نمونه برداری و اندازه گیری غلظت آلاینده ها در هوا گازها برای نمونه برداری از هرنوع گاز از جاذب مخصوص آن استفاده می شود Impingment عبارت از حل یا جذب گاز در حلال دستگاه اندازه گیری را Impinger می نامند هوای ورودی در محلول به صورت حباب جاری شده، ذرات گاز توسط جاذب جذب شده و هوای تمیز خارج می شود روش دیگر، جذب در ستون جامد با استفاده از لوله های آشکار ساز (Detector Tube) است. برای برخی ذرات می توان از ایمپینجر استفاده کرد (مثلا سرب در اسید نیتریک)

کنترل آلودگی هوا و مکانیزم های کنترل کنترل آلاینده ها به صورت طبیعی انتقال و پراکندگی آلاینده های هوا: جریان هوا باعث دور شدن و رقیق شدن آلودگی می شود. بارش و حذف تر: Rain out: ذرات در لایه های ابر به عنوان هسته های میعان از طریق جذب سطحی رطوبت سنگین شده و ریزش می کنند Wash out: قطرات آب، ذرات را یا به طریق محبوس کردن یا به صورت جذب سطحی ذره با خود به پایین می آورند. اشعه خورشیدی: پرتوها باعث تبدیل آلاینده ها به مواد غیر آلاینده می شوند. (البته امکان ایجاد آلاینده های ثانویه هم هست) جذب (Absorption): جذب گازها توسط یک جاذب مثل برگ درختان، آبهای سطحی، خاک و ... جذب سطحی گازها توسط ذرات (Adsorption) Impaction: چسبیدن ذرات به سطوح جامد یا مایع در اثر فشار هوا

کنترل آلودگی هوا و مکانیزم های کنترل کنترل آلاینده ها به صورت مصنوعی کنترل ذرات اتاقکهای ته نشینی ثقلی (Gravity Settling Chambers) جداکننده های سیکلونی (Cyclone Separation) جمع کننده های مرطوب (Wet Collectors) فیلترهای پارچه ای (Fabric Filters) ترسیب دهنده های الکترواستاتیکی (Electrostatic Precipitators)

کنترل ذرات (اتاقکهای ته نشینی ثقلی) برای ذرات بزرگتر از 50 میکرن با چگالی پایین یا ذرات 10 میکرن با چگالی بالا ذرات کوچکتر برای ته نشینی مسافت بیشتری لازم دارند و حجم اتاقک بیشتر برای پیشگیری از ورود مجدد ذرات باید سرعت گاز یکنواخت و کمتر از 30 سانتی متر در ثانیه باشد راندمان آن حدود 50 درصد است

کنترل ذرات (جداکننده سیکلونی) برای حذف ذرات 10 میکرن و بزرگتر استفاده می شود هوا از بالای یک استوانه وارد شده و در یک سیستم دورانی بر اثر نیروی گریز از مرکز ذرات از آن جدا میشوند یا در اثر وزن ته نشین می شوند یا با استفاده از جریان آب ذرات را می شویند یا با قرار دادن صفحاتی Impaction ذرات را افزایش می دهند راندمان آن حدود 90 درصد است

کنترل ذرات (جداکننده های مرطوب) در یک جدا کننده مرطوب، یک مایع (معمولا آب) جهت به دام انداختن ذرات گرد و غبار بکار می رود. سه نوع اصلی جمع کننده های مرطوب عبارتند از: اسکرابرهای اتاقک اسپری (با یا بدون ایمپینجمنت) اسکرابرهای سیکلونی (سیکلونهای مرطوب) اسکرابرهای ونتوری می توانند با هدف دوگانه جذب آلاینده های گازی و ذرات استفاده شوند معایبی دارند حمل و دفع لجن مرطوب یخ زدگی در هوای سرد خوردگی

کنترل ذرات (فیلتراسیون) مکانیزم آن Impaction و Filtration است. جنس فیلتر متنوع از کتان تا الیاف مصنوعی است ذرات تا حدود کمتر از 1 میکرن را جمع آوری میکند یکی از انواع متداول آنها Bag House است چون فیلترها به طور متوالی در یک محفظه قرار می گیرند به شکل یک کیسه وارونه است که هوا از دو سطح عبور می کند یکی دیگر از انواع متداول فیلترهای پارچه ای قابل تمیز شدن است راندامان 99 تا 99/99 درصد برای ذرات 0.5 میکرومتر مقادیر زیادی از ذرات 0.01 میکرومتر هم می توانند با این فیلتر حذف شوند

کنترل ذرات (فیلتراسیون) فیلترهای کاغذی توانایی تصفیه گازهای مرطوب را ندارند گازهای داغ منجر به نابودی آنها می شود راندمان خوبی برای ذرات کمتر از 1 میکرن دارند فیلترهای HEPA قادر به حذف ذرات 0.3 میکرنی با راندمان 99/97 درصد هستند

کنترل ذرات (ترسیب دهنده های الکترواستاتیک) مکانیزم عمل بر اساس جذب متقابل بین ذرات با یک بار الکتریکی و الکترود جمع آورنده با قطب مخالف است. راندمان بالا حتی برای ذرات با اندازه زیر میکرن نیاز به فشار کم و مصرف انرژی پایین و توانایی بهره برداری با گازهای با درجه حرارت نسبتا بالا اساس کار با جریان الکتریسیته با ولتاژ بالاست. ذرات با پرتوی بنفش باردار می شوند و توسط یک میدان الکتریکی قوی از جریان هوا جدا می شوند و بسوی یک الکترود حرکت کرده و با از دست دادن بار خود روی یک بستر مناسب ته نشین می شوند. این روش گران قیمت است، منحصرا قادر به حذف ذرات است و نیازمند ولتاژ بالای الکتریسیته و نیروی متخصص است.

کنترل آلودگی هوا و مکانیزم های کنترل کنترل آلاینده ها به صورت مصنوعی کنترل آلاینده های گازی کاهش غلظت آلاینده در اتمسفر رقیق سازی : با استفاده از دودکشهای بلند (Gas Stacks) کنترل آلاینده ها در منبع تولید آنها جایگزین کردن منبع انرژی تغییر فرایند :جایگزینی کوره باز با کوره اکسیژنی کنترل شده یا کوره های الکتریکی کاهش غلظت با محدود کردن کمیت آلاینده در فرایند شیمیایی اولیه جداسازی آلاینده های گازی از هوا جذب روی سطوح جاذب جامد جذب توسط حلالهای مایع سوزاندن در شعله مستقیم اکسید شدن به شیوه کاتالیستی چگالش بیوفیلتراسیون

جدا سازی آلاینده های گازی از هوا (جذب در مایعات) تماس گاز خروجی کثیف با مایع شستشو دهنده این فرایند به کمک وسیله ای به نام اسکرابر انجام می شود حلال مورد استفاده می تواند آب، روغنهای معدنی، آب آهک و ... باشد گازهای قابل حذف شامل HCl, SO2, H2SO4, HCN, H2S, NH3, Cl2 بخارهای آلی مانند فرمالدئید، اتیلن و بنزن است. امکان تصفیه گازهای داغ خروجی از صنایع وجود دارد

جدا سازی آلاینده های گازی از هوا (جذب سطحی) بر پایه توانایی جامدات خاص در حذف ترکیبات گازی از یک جریان است. جذب می تواند به کمک مواد جاذبی مانند کربن فعال انجام شود. موادی مانند ترکیبات آلی، گازهای آلاینده و ترکیبات مولد بو می توانند در این فرایند حذف شوند. از لحاظ اقتصادی برای تصفیه گازهایی که حاوی مقادیر کم آلاینده بوده و تمیز سازی آنها با روشهای دیگر به صرفه نیست استفاده شود فرایند جذب سطحی به صورت فیزیکی و شیمیایی قابل طبقه بندی است.

جدا سازی آلاینده های گازی از هوا (چگالش) در این روش با کاهش دما، مواد آلاینده را از حالت گاز به مایع تبدیل میکنند دمای کم و فشار بالا به فرایند چگالش کمک می کند

جدا سازی آلاینده های گازی از هوا (سوزاندن) در دمای بالا مواد آلی به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند به دلیل هزینه بالای تولید حرارت می بایست برنامه ریزی برای بازیافت انرژی در نظر گرفته شود برای انجام احتراق خوب موارد زیر ضروری است زمان ماند دمای مناسب اختلاط کامل

جدا سازی آلاینده های گازی از هوا (بیوفیلتراسیون) سازگاری بالا با محیط زیست دارد قادر به حذف انواع آلاینده ها با غلظتهای بسیار کم است