Zanieczyszczenie amoniakiem - Ammonia pollution
.jpg)
Zanieczyszczenie amoniakiem to zanieczyszczenie chemiczne amoniakiem (NH 3 ) – związkiem azotu i wodoru, który jest produktem ubocznym rolnictwa i przemysłu. Typowe formy obejmują zanieczyszczenie powietrza gazowym amoniakiem emitowanym przez gnijące fabryki gnojowicy i nawozów, podczas gdy źródła naturalne to płonące kopalnie węgla w Jharia , żrące jezioro Natron i guano kolonii ptaków morskich. Gazowy amoniak reaguje z innych substancji zanieczyszczających w powietrzu tworząc drobne cząstki o amoniowe sole, które wpływają na ludzkie oddychania. Gazowy amoniak może również wpływać na chemię gleby terenu, że osadza się i będzie, na przykład, pogorszyć warunki wymagane przez mech torfowiec i wrzosów z torfowisk .
Wykrywanie amoniaku jest ułatwione dzięki zastosowaniu wkładów filtracyjnych i denuderów tkanin (separator gazów). Wykorzystywane są również techniki, takie jak obrazowanie satelitarne i analiza wody deszczowej . Nadal wiele nie wiadomo na temat wpływu zanieczyszczenia amoniakiem, ale rosnące wskaźniki emisji niepokoją naukowców. Poziom amoniaku w atmosferze był w 2010 roku ponad dwukrotnie wyższy niż w 1940 roku. Amoniak jest obecnie uznawany przez wiele krajów za główne zanieczyszczenie, a niektóre z nich podjęły kroki w celu ograniczenia emisji.
Źródła
Poniższa tabela przedstawia źródła zanieczyszczenia amoniakiem i ich procentowy udział w globalnej emisji amoniaku. Źródła są również klasyfikowane jako antropogeniczne (pochodzące od ludzi) lub naturalne.
| Źródło | Opis | Procent globalnych emisji | Rodzaj |
|---|---|---|---|
| Rolnictwo |
1. Odpady hodowlane zawierają duże ilości azotu, ponieważ rolnicy używają pasz o dużej zawartości składników odżywczych. Prawie 80% tego azotu trafia do odchodów zwierzęcych w postaci amonu (NH 4 + ), który w wyniku ulatniania się przekształca się w amoniak (NH 3 ) :
Około połowa NH 4 + jest przekształcana w gazowy amoniak, który następnie dostaje się do atmosfery lub rozpuszcza się w spływie. Ulatnianie jest zwiększone w wilgotnym, ciepłym i kwaśnym środowisku. 2. Stosowanie nawozów sztucznych, takich jak gnojowica, ma wysoką zawartość składników odżywczych. Obejmuje to związki na bazie azotu, takie jak amon (NH 4 + ), który podobnie jak obornik jest uwalniany w postaci amoniaku w wyniku ulatniania się (do atmosfery lub spływu). |
Ponad 70%
(⅔ z żywego inwentarza) (⅓ z nawozu) |
Antropogeniczny |
| Oceany | Rozkład odpadów w oceanie uwalnia amon do wody morskiej. Poziomy powierzchni mogą uwalniać to do atmosfery poprzez ulatnianie się, które nasila się wraz z wzburzonymi falami, silnymi wiatrami, wysoką kwasowością i wysokimi temperaturami. | 15% | Naturalny |
| Pożary | Spalanie biomasy (materii organicznej) powoduje uwolnienie wielu chemikaliów, które czasami zawierają amoniak. Różne biomasy powodują różne emisje. Spalanie biomasy lasów tropikalnych, takich jak dorzecze Amazonki , uwalnia największą ilość amoniaku. | 10% | Antropogeniczny i naturalny |
| Samochody | Te katalizatory w silnikach zmniejsza szkodliwą emisję chemiczną ale powoduje również do uwolnienia amoniaku jako produktu ubocznego. Powoduje to działanie katalizatora trójdrożnego. Nowsze pojazdy zmniejszyły emisje amoniaku poprzez modyfikacje, takie jak obniżenie temperatury spalin i zwiększenie stosunku powietrza do paliwa. | < 2% | Antropogeniczny |
| Procesy przemysłowe | Zakłady produkcyjne mogą uwalniać amoniak jako produkt uboczny poprzez spalanie chemiczne lub w strumieniach ścieków. | < 2% | Antropogeniczny |
| Inny | Odchody ludzkie, dzikie zwierzęta i rozkład przyczyniają się do emisji amoniaku poprzez ulatnianie się. | < 1% | Antropogeniczny i naturalny |
Efekty
Amoniak zmniejsza bioróżnorodność ekosystemów lądowych i wodnych, a także tworzy aerozole w atmosferze, które w przypadku wdychania mogą powodować komplikacje zdrowotne.
Bioróżnorodność
Emisje gazowego amoniaku dostają się do gleby i wody na drodze mokrej i suchej depozycji . Inną formą tego związku jest wodny amoniak, który może przenikać bezpośrednio do gruntu lub do ekosystemów wodnych. Zanieczyszczenie amoniakiem zarówno lądowym, jak i wodnym zmniejsza bioróżnorodność głównie poprzez proces nitryfikacji .
Skutki naziemne
W warunkach lądowych amoniak zwiększa kwasowość gleby (obniżone pH) i powoduje eutrofizację (nadmiar składników odżywczych). Oba te zjawiska występują bezpośrednio w wyniku nitryfikacji. W tym procesie amoniak jest przekształcany w azotan przez bakterie (zwykle z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter ) wykonując następującą dwuetapową reakcję:
Krok 1: Amoniak (NH 3 ) jest utleniany do azotynu (NO 2 − ) przez:
Krok 2: Azotyn (NO 2 - ) jest utleniany do azotanu (NO 3 - )
Produktami tej reakcji są jony wodoru (H + ) , które obniżają pH gleby i prowadzą do jej zakwaszenia. Zwiększona kwasowość gleby w ekosystemie prowadzi do zmniejszenia ochrony przed zimnem, suszą, chorobami i gatunkami inwazyjnymi. Drugi produkt, azotan (NO 3 − ), jest kluczowym składnikiem odżywczym dla wzrostu roślin. Ten nadmiar azotanów z nitryfikacji amoniakiem faworyzuje rośliny nitrofilne (te, które preferują wysokie stężenia azotanów), a szkodzi innym. Na przykład wzrost populacji roślin nitrofilnych zasłania inne rośliny przed niezbędnym światłem słonecznym. Wrażliwe grupy roślin, takie jak porosty i mchy, są szczególnie podatne na zanieczyszczenie amoniakiem , a głównie dotyka to siedlisk takich jak torfowiska , torfowiska , łąki , wrzosowiska i lasy .
Efekty wodne
W środowisku wodnym amoniak powoduje zapotrzebowanie na tlen azotowy, eutrofizację i zmiany w zdrowiu ryb. Biologiczne zapotrzebowanie na tlen azotu (NBOD) jest bezpośrednim wynikiem nitryfikacji (patrz efekty lądowe). Rozpuszczony tlen (O 2 ) jest używany w nitryfikacji do reakcji z NH 3 . Skutkuje to mniejszą dostępnością O 2 dla organizmów, które są od niego zależne. Nitryfikacja uwalnia również azotany, co prowadzi do eutrofizacji, podobnie jak w środowiskach lądowych. Nitrofilne glony i makrofity tworzą duże zakwity w stojącej wodzie. To kładzie nacisk na zasoby, a także może pośrednio zatruwać organizmy poprzez tworzenie toksycznych glonów. W przeciwieństwie do tego amoniak może również bezpośrednio szkodzić organizmom o przepuszczalnej skórze, jeśli go wchłoną. Zabijanie ryb i zmiany w ich wzroście, stanie skrzeli, wadze narządów i poziomie hematokrytu (czerwonych krwinek) są powiązane z ekspozycją na amoniak.
Ludzkie zdrowie
Gazowy amoniak, który nie osadza się, tworzy aerozole, łącząc się z innymi emisjami, takimi jak dwutlenek siarki (SO 2 ) i tlenki azotu (NO X ). Reakcje atmosferyczne między dwutlenkiem siarki, tlenkami azotu, produktami pośrednimi i innymi gazami ostatecznie prowadzą do powstania azotanu amonu (NH 4 NO 3 ) i siarczanu amonu (NH 4 HSO 4 ) w następujący sposób:
Te powstałe aerozole amonu (NH 4 ) są klasyfikowane jako drobne cząstki stałe (PM2,5 lub cząstki o wielkości poniżej 2,5 mikrona). Niewielki rozmiar cząstek PM2,5 pozwala im przedostać się do płuc i krwioobiegu poprzez inhalację. Cząsteczki amonu mogą następnie powodować komplikacje, w tym astmę , raka płuc , problemy sercowo-naczyniowe, wady wrodzone i przedwczesną śmierć u ludzi. Mniejszy amon PM2,5 może również przemieszczać się na dalsze odległości (100–1000 km) w porównaniu z nieprzereagowanym amoniakiem (mniej niż 10–100 km) w atmosferze. Niektóre kraje, takie jak Chiny, skoncentrowały się na zmniejszeniu emisji SO 2 i NO X , jednak zwiększone zanieczyszczenie NH 3 nadal powoduje powstawanie PM2,5 i obniża jakość powietrza.
Techniki monitorowania
Zanieczyszczenie amoniakiem najczęściej mierzy się jego obecnością w atmosferze. Nie ma automatycznego systemu przekaźników, jak w przypadku innych pomiarów zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek węgla ; dlatego próbki amoniaku muszą być zbierane innymi metodami, w tym pakietami filtracyjnymi, obnażaniem tkanin, obrazowaniem satelitarnym i analizą wody deszczowej.
Pakiety filtrów
Pakiety filtrów składają się z pompy powietrza wyposażonej w filtr teflonowy i filtr z włókna szklanego . Pompa zasysa powietrze, a filtry usuwają cząsteczki amoniaku. Filtr z teflonu i włókna szklanego pokryty jest kwasem cytrynowym, który reaguje z lekko zasadowymi cząsteczkami amoniaku. Ta reakcja zasadniczo „skleja” amoniak w miejscu. Później filtr jest testowany odczynnikiem Nesslera (wskaźnik amoniaku), a spektrofotometr odczytuje ilość obecnego amoniaku.
Obnażanie tkanin
Odgarniacze tkanin działają poprzez pasywne pobieranie próbek (nie jest używana pompa, a pobieranie zależy tylko od przepływu powietrza). Rura wyposażona w filtry tkaninowe po obu stronach służy jako tunel do dyfuzji powietrza. Tkanina pokryta jest kwasem fosforowym, który przyciąga gazowy amoniak (baza). Powietrze przepływa przez rurkę, a amoniak osadza się na filtrach, które można następnie zbadać pod kątem stężenia NH 3 za pomocą odczynnika Nesslera i spektrofotometru.
Obrazowanie satelitarne
Systemy satelitów mierzą sygnatury gazowe w atmosferze w czasie. Sygnatura amoniaku jest sporządzona na mapach, podając oszacowanie jego występowania w powietrzu i miejsca jego największej koncentracji. NASA używa obrazowania satelitarnego do monitorowania emisji amoniaku od 2008 roku.
Analiza wody deszczowej
Wiadra z deszczem są zbierane, a następnie testowane pod kątem amoniaku przy użyciu technik opisanych powyżej. Zapewnia to stężenie gazowego amoniaku uwięzionego w atmosferycznej parze wodnej.
Przepisy prawne
Chociaż amoniak jest obecnie uznawany za potencjalnie niebezpieczne zanieczyszczenie powietrza, tylko niektóre kraje podjęły dalsze działania w celu zmniejszenia swojej emisji. Strategie redukcji skupiają się głównie na kontrolowaniu praktyk rolniczych.
Polityka
Od 1999 r. Unia Europejska wprowadziła dwie polityki mające na celu zapobieganie zanieczyszczeniu amoniakiem. Należą do nich protokół z Göteborga (1999) oraz dyrektywa w sprawie zintegrowanej ochrony i kontroli zanieczyszczeń (1999). Dyrektywa w sprawie krajowych pułapów emisji została również wprowadzona w życie w 2001 r. przez UE w celu dalszej redukcji emisji NH 3 . Protokół z Göteborga został zrewidowany w 2012 r. w celu ustalenia nowych, bardziej rygorystycznych limitów pułapowych dla amoniaku do 2020 r. oraz uwzględnienia wszystkich krajów UE-27. W szczególności Wielka Brytania ogłosiła, że planuje obniżyć emisje o 16% do 2030 r., jednak nie wprowadzono żadnych nowych polityk. Inne kraje, takie jak Chiny i Stany Zjednoczone, uznają amoniak za zanieczyszczenie, ale nie mają żadnej polityki, aby go regulować.
Strategie redukcji
Przepisy dotyczące zanieczyszczenia amoniakiem skupiają się głównie na łagodzeniu skutków poprzez lepsze praktyki rolnicze. Jedną z sugerowanych zmian jest trzymanie obornika i nawozu w dużych zbiornikach magazynowych, aby zapobiec spływaniu i ulatnianiu się do powietrza. Inna strategia polega na karmieniu zwierząt dietą o mniejszej zawartości białka. Spowodowałoby to, że mniej białek azotowych (w tym amoniaku) trafiałoby do obornika. Ostatnim pomysłem jest użycie mniejszej ilości nawozów na bazie mocznika i amonu, które są podatne na ulatnianie się do amoniaku.