Најважније из лекције
Неоргански загађивачи: Оксиди неметала (\(\text{SO}_x, \text{NO}_x, \text{CO}, \text{CO}_2\)), јони тешких метала (\(\text{Pb}, \text{Hg}, \text{Cd}\)), минералне прашине (азбест, цемент) и минерална ђубрива мењају природни састав атмосфере, хидросфере и литосфере.
Кључни феномени: Киселе кише (\(\text{pH} < 4{,}5\), деловање \(\text{H}_2\text{SO}_4\) и \(\text{HNO}_3\)), смог (аеросол дима, оксида и сумпорне киселине), ефекат стаклене баште (задржавање топлоте услед \(\text{CO}_2\) и \(\text{CH}_4\)) и еутрофикација (бујање алги услед вишка фосфора уз губитак \(\text{O}_2\)).
Зелена хемија: Превенција отпада, економија атома, замена токсичних материјала (нпр. тростепени катализатори са \(\text{Pt}/\text{Rh}/\text{Pd}\), сигурни растварачи, рециклажа метала).
Ремедијација: Смањење нивоа загађења применом физичких (седиментација, адсорпција), хемијских (неутрализација, таложење, коагулација) и биолошких метода (фиторемедијација, деградација помоћу микроорганизама).
Кључни феномени: Киселе кише (\(\text{pH} < 4{,}5\), деловање \(\text{H}_2\text{SO}_4\) и \(\text{HNO}_3\)), смог (аеросол дима, оксида и сумпорне киселине), ефекат стаклене баште (задржавање топлоте услед \(\text{CO}_2\) и \(\text{CH}_4\)) и еутрофикација (бујање алги услед вишка фосфора уз губитак \(\text{O}_2\)).
Зелена хемија: Превенција отпада, економија атома, замена токсичних материјала (нпр. тростепени катализатори са \(\text{Pt}/\text{Rh}/\text{Pd}\), сигурни растварачи, рециклажа метала).
Ремедијација: Смањење нивоа загађења применом физичких (седиментација, адсорпција), хемијских (неутрализација, таложење, коагулација) и биолошких метода (фиторемедијација, деградација помоћу микроорганизама).
Хемијске загађујуће супстанце су супстанце које мењају нормалан хемијски састав атмосфере, хидросфере, литосфере и биосфере и испољавају штетан утицај на живу и неживу природу.
Путеви уношења у организам:
- Респираторни пут (удисањем): \(\text{SO}_2\), \(\text{CO}\), оксиди азота (\(\text{NO}_x\)), озон (\(\text{O}_3\)), честице чађи и прашине.
- Дигестивни пут (храном и водом): нитрати, нитрити, јони тешких метала (\(\text{Pb}^{2+}\), \(\text{Hg}^{2+}\), \(\text{Cd}^{2+}\)).
- Преко коже (дермални пут): раствори неорганских киселина и база.
Загађујуће супстанце могу имати токсично, алергогено, мутагено и канцерогено дејство и слабе имуни систем живих бића. Главни критеријум токсичности у токсикологији јесте доза.
- Биљке: Сушење стабала, пропадање листова услед киселих киша и цементне прашине, оштећење корена јонима тешких метала.
- Нежива природа: Корозија металних и челичних конструкција, деградација бетона и разлагање кречњака на споменицима и историјским грађевинама.
Кружење загађујућих супстанци: Загађење прелази из једног система у други (ваздух \(\rightarrow\) падавине \(\rightarrow\) вода \(\rightarrow\) земљиште \(\rightarrow\) биљке/биосфера), стварајући затворен ланац загађивања.
Извори загађења деле се на природне (вулканске ерупције, ерозија, шумски пожари, распадање органских материја) и антропогене (настале деловањем човека).
| Извор загађења | Главне загађујуће супстанце | Последице и механизми |
|---|---|---|
| Саобраћај | \(\text{CO}_2\), \(\text{CO}\), \(\text{SO}_2\), \(\text{NO}_x\), чађ, честице гуме и асфалта | Сагоревање горива, оштећење озонског омотача услед емисије \(\text{NO}_x\) из авиона. |
| Енергетика (термоелектране, ложишта) | \(\text{CO}_2\), \(\text{SO}_2\), \(\text{SO}_3\), \(\text{NO}\), пепео | Сагоревање угља и нафте; главни генератори киселих оксида и суспендованих честица. |
| Индустрија силиката | Цементна прашина, азбестна влакна | Оштећење дисајних органа код људи и блокирање фотосинтезе код биљака. |
| Хемијска индустрија и металургија | Базне отпадне воде, сулфити, соли тешких метала | Повећање \(\text{pH}\) вредности, таложење хидроксида метала и \(\text{CaCO}_3\), промена састава земљишта. |
| Пољопривреда | Вештачка ђубрива (нитрати, фосфати), пестициди | Спирање у подземне и површинске воде, емисија оксида азота из амонијум-нитрата и урее. |
| Електронски отпад (е-отпад) | Једињења \(\text{Be}\), \(\text{Cd}\), \(\text{Hg}\), \(\text{Pb}\) | Контаминација воде и земљишта тешким металима из батерија и електронских компоненти. |
Киселе кише: Падавине чија је \(\text{pH}\) вредност снижена на \(4\text{--}4{,}5\) услед растварања гасовитих неметалних оксида у атмосферској води.
\[ \text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3 \quad \xrightarrow{\text{катализатори / пепео}} \quad \text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \]
\[ 2\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{HNO}_2 \]
\[ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \]
Оксидација \(\text{SO}_2\) у \(\text{SO}_3\) често се одвија на честицама лебдећег пепела уз каталитичко дејство јона метала. Сумпорна и азотна киселина су главни узрочници закисељавања.
Сушење четинарских шума (посебно јеле) и листопадног дрвећа (храст), закисељавање језера испод \(\text{pH} = 4\) уз изумирање рибљег фонда, реакција са кречњаком при чему се гради гипс (\(\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\)) и долази до разарања споменика.
Смог (димна магла): Аеросол колоидних димензија настао мешањем дима, пепела, чађи и магле. Садржи \(\text{SO}_2\), \(\text{NO}_x\), \(\text{CO}\), \(\text{H}_2\text{S}\) и капљице \(\text{H}_2\text{SO}_4\) које изазивају тешка оштећења плућног ткива.
Ефекат стаклене баште: Загревање атмосфере услед способности гасова (\(\text{CO}_2\), \(\text{CH}_4\), \(\text{H}_2\text{O}_{(\text{g})}\), \(\text{N}_2\text{O}\), тропосферски \(\text{O}_3\), фреони) да апсорбују и реамитују топлотно зрачење назад ка површини Земље.
Пораст температуре од \(2\text{--}3\text{ }^\circ\text{C}\) узрокује топљење поларног леда, подизање нивоа мора и климатске промене. Главни антропогени узрочник је сагоревање фосилних горива.
Еутрофикација („цветање воде”): Процес прекомерног размножавања алги у површинским водама услед повећаног прилива нутријената, пре свега једињења фосфора и азота из вештачких ђубрива и фосфатних детерџената.
\[ \text{Стехиометријски састав алги:} \quad \text{C}_{106}\text{H}_{212}\text{O}_{106}\text{N}_{16}\text{P} \]
Фосфор је ограничавајући фактор раста. Његово присуство доводи до експлозивног бујања биомасе.
1. Доспевање фосфата и нитрата у воду \(\rightarrow\) 2. Неконтролисано бујање алги \(\rightarrow\) 3. Угинуће алги \(\rightarrow\) 4. Потрошња раствореног кисеоника за разградњу биомасе \(\rightarrow\) 5. Наступање анаеробних процеса уз ослобађање токсичних гасова (\(\text{CH}_4\), \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{NH}_3\)) и претварање језера у мочваре.
Зелена хемија обухвата дизајн хемијских производа и процеса који смањују или елиминишу употребу и стварање опасних супстанци.
- Спречавање отпада: Замена батерија које садрже отровне метале (\(\text{Hg}\), \(\text{Pb}\), \(\text{Cd}\)) еколошки прихватљивијим системима.
- Економија атома: Синтеза се води тако да сви полазни атоми буду уграђени у финални производ (нпр. рециркулација \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\) у Солвејевом поступку).
- Смањење токсичности и сигурније хемикалије: Замена живе у термометрима алкохолом или легурама галијума; замена токсичних органских једињења калаја за заштиту бродова биоразградивим премазима.
- Безбедни растварачи: Замена испарљивих токсичних растварача течним \(\text{CO}_2\) или биоетанолом из целулозе.
- Енергетска ефикасност и катализатори: Вођење процеса на амбијенталној температури и притиску; употреба тростепених катализатора у аутомобилима.
- Обновљиве сировине и дизајн разградивости: Биоразградиве површинске активне материје из угљених хидрата; употреба \(\text{SO}_2\) из металургије за добијање \(\text{H}_2\text{SO}_4\); коришћење металуршке згуре (шљаке) у грађевинарству.
Аутомобилски тростепени катализатори: Садрже племените метале (\(\text{Pt}\), \(\text{Pd}\), \(\text{Rh}\)) на чврстом носачу:
\[ 2\text{CO} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt, Pd}} 2\text{CO}_2 \]
\[ 2\text{NO}_x \xrightarrow{\text{Rh}} \text{N}_2 + x\text{O}_2 \]
\[ \text{C}_x\text{H}_y + \left(x + \frac{y}{4}\right)\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt, Pd}} x\text{CO}_2 + \frac{y}{2}\text{H}_2\text{O} \]
Ремедијација (санација): Скуп мера и технолошких поступака који се примењују ради смањења концентрације загађујућих материја у контаминираном земљишту или води до безбедног нивоа.
Хијерархија управљања отпадом:
1. Минимизација настанка на извору \(\rightarrow\) 2. Поновна употреба и рециклажа \(\rightarrow\) 3. Прерада и третман (спаљивање, пиролиза, гасификација) \(\rightarrow\) 4. Безбедно депоновање.
1. Минимизација настанка на извору \(\rightarrow\) 2. Поновна употреба и рециклажа \(\rightarrow\) 3. Прерада и третман (спаљивање, пиролиза, гасификација) \(\rightarrow\) 4. Безбедно депоновање.
| Тип ремедијације | Методе и механизми | Примери примене |
|---|---|---|
| Биолошки поступци | Биоремедијација, фиторемедијација, биоакумулација микроорганизмима или биљкама | Пречишћавање органски оптерећених вода прехрамбене индустрије; акумулација тешких метала у биљкама. |
| Физички поступци | Седиментација, цеђење, центрифугирање, флотација, дестилација, адсорпција, замена и изолација земљишта | Уклањање суспендованих чврстих честица; адсорпција гасова на активном угљу. |
| Хемијски поступци | Неутрализација (\(\text{pH}\) регулација), оксидо-редукција, јонска измена, коагулација и флокулација | Таложење тешких метала у облику нерастворних хидроксида; бистрење вода помоћу \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\) или \(\text{FeCl}_3\). |
Додавањем коагуланата као што су \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\), \(\text{FeCl}_3\) или \(\text{NaAlO}_2\), у води се формира волуминозни желатинозни талог хидроксида (\(\text{Al}(\text{OH})_3\) или \(\text{Fe}(\text{OH})_3\)) који са собом повлачи и таложи фине колоидне суспендоване честице.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који од наведених гасова је главни узрочник повећања ефекта стаклене баште при сагоревању фосилних горива, а који гасови су директно одговорни за стварање киселих киша?
- Главни узрочник ефекта стаклене баште је угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) (уз метан и водену пару).
- За настанак киселих киша одговорни су пре свега оксиди сумпора (\(\text{SO}_2, \text{SO}_3\)) и оксиди азота (\(\text{NO}, \text{NO}_2\)), јер у реакцији са атмосферском водом граде сумпорну (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) и азотну киселину (\(\text{HNO}_3\)).
Задатак 2 (средњи): Због чега прекомерна употреба фосфатних детерџената и вештачких ђубрива доводи до масовног угинућа риба у језерима (феномен еутрофикације)? Објасните хемијско-биолошки механизам по корацима.
- Прилив фосфора: Фосфор је ограничавајући нутријент за раст алги (према формули алги \(\text{C}_{106}\text{H}_{212}\text{O}_{106}\text{N}_{16}\text{P}\)). Његов вишак покреће неконтролисано размножавање („цветање воде”).
- Изумирање биомасе: Након завршетка животног циклуса, огромна количина алги угине и пада на дно.
- Губитак кисеоника: Аеробни микроорганизми троше сав растворени кисеоник (\(\text{O}_2\)) из воде да би разградили угинулу органску материју.
- Гушење фауне и анаеробиоза: Услед недостатка кисеоника рибе и други водени организми угињавају, а преовладавају анаеробне бактерије које производе отровне гасове (\(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{CH}_4\), \(\text{NH}_3\)).
Задатак 3 (средњи): Базна отпадна вода из металуршког погона садржи високу концентрацију токсичних катјона тешких метала. Које поступке ремедијације треба применити да би се вода пречистила и неутралисала пре испуштања у реку?
- Хемијско таложење (преципитација): У базној средини или уз додатак одговарајућих реагенаса, јони тешких метала прелазе у нерастворне хидроксиде или сулфиде.
- Коагулација и седиментација/филтрација: Додатком коагуланта (нпр. \(\text{FeCl}_3\)) формира се талог који адсорбује честице, а затим се механичким путем (седиментација, цеђење) муљ одваја од течности.
- Хемијска неутрализација: Пречишћена вода се третира киселином (нпр. \(\text{HCl}\) или \(\text{H}_2\text{SO}_4\)) како би се њена \(\text{pH}\) вредност довела у неутралан опсег (\(6{,}5\text{--}7{,}5\)) пре испуштања у речни ток.
Задатак 4 (тежак): Наведите два конкретна примера где се индустријски отпадни гас или споредни производ директно користи као корисна секундарна сировина, у складу са принципима „Зелене хемије” и циркуларне економије.
- Коришћење \(\text{SO}_2\) из металургије: Сумпор(IV)-оксид, који настаје као штетан нуспроизвод пржења сулфидних руда бакра, цинка или олова, хвата се и користи као сировина за индустријску производњу сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) и фосфатних ђубрива.
- Коришћење металуршке шљаке (згуре): Чврсти силикатни отпад из високих пећи користи се за производњу цемента, грађевинских изолационих материјала (силикатна вуна) и као подлога за изградњу путева и спортских терена.
- Солвејев поступак: Рециркулација неизреагованог амонијака (\(\text{NH}_3\)) и угљеник(IV)-оксида (\(\text{CO}_2\)) назад у циклус производње натријум-карбоната (принцип економије атома).
