Smog in the water

12 września 2019
Blog szalonych naukowców

Jednym z elementów smogu są tlenki azotu. Tlenki azotu obecne w smogu powstają podczas spalania. W Polsce mniej więcej po równo pochodzą ze spalin przemysłu energetycznego i transportu drogowego. W skali Europy ten drugi jest ważniejszy. Tlenki azotu są bezwodnikami kwasów azotowych, więc odpowiadają nie tylko za smog, ale i kwaśne deszcze – razem z tlenkami siarki. Zresztą smog typu londyńskiego to właściwie kwaśna mgła.

Tlenki siarki w emisjach do powietrza udało się znacznie wyeliminować, z tlenkami azotu jest trudniej. Obecnie jest ich w powietrzu mniej niż kiedyś, ale spadek jest słabszy. W odróżnieniu od siarki azot nie musi się nawet znajdować w zasadniczym paliwie, bo w odpowiednich warunkach spala się nawet trochę azotu atmosferycznego.

Dlatego pojawiają się różne pomysły na dalszą redukcję stężenia tlenków azotu w powietrzu, zwłaszcza tam, gdzie mogą być bezpośrednio wdychane. Jednym z nich są antysmogowe chodniki. Z tą antysmogowością to przesada i chwyt marketingowy. Smog jest mieszaniną wielu substancji, tymczasem chodniki są zaprojektowane tak, by usuwać z powietrza właśnie tlenki azotu.

Jak usunąć gazowe tlenki azotu? Można je utlenić jeszcze bardziej do jonów azotanowych. Dzieje się to i tak spontanicznie w reakcji z tlenem atmosferycznym, ale da się przyspieszyć poprzez katalizę. W materiał chodnika wprowadza się tlenek tytanu. Dzięki energii świetlnej działa on jako katalizator, czyli zachodzi fotokataliza. Tlenek azotu wiąże się dzięki temu dużo łatwiej z tlenem atmosferycznym i powstaje jon azotanowy.

Na tym się zwykle kończą artykuły o przeciwsmogowych chodnikach czy jezdniach. No dobra, porządny artykuł jeszcze poda liczby. Według badań w holenderskim Hengelo zawartość tlenków azotu nad betonową jezdnią z takim układem w warunkach dobrego nasłonecznienia i niskiej wilgotności spadała nawet o 45 proc. Ponieważ idealne warunki występują rzadko, średni spadek dobowy wynosił 19 proc. Taka wydajność może nie powala, ale nie jest też bez znaczenia. Oczywiście, chodnik czy jezdnia usuwa tlenki azotu tylko z pewnej warstwy powietrza. Dlatego pomiary wykonuje się raczej dość nisko. Przykładowo podczas testów chodnika położonego przy warszawskim rondzie Daszyńskiego była to wysokość 50 cm. Tam wydajność wyniosła prawie 30 proc.

Czasem jeszcze podany jest element na optymistyczny finał: szkodliwe tlenki azotu przechodzą w nieszkodliwe związki i spływają z deszczem do kanalizacji. I tu jest sprawa, która zaczyna mnie interesować znacznie bardziej. Zacząłem od kwaśnych deszczów. Jony azotanowe mogą w wodzie tworzyć właśnie kwas azotowy. Zasadniczo jednak mogą mieć dwojaki charakter. Niezobojętnione tworzą kwas, zobojętnione – sole. Sole azotanowe często nazywa się saletrami. Kojarzy się rolniczo? Tak, azotany to podstawowe nawozy.

Ilość azotanów stosowanych w rolnictwie (saletra spożywcza to margines) jest tak duża, że odpowiada za eutrofizację wód powierzchniowych. Eutrofizacja to przeżyźnienie. Nie będę tu rozwijał tematu, można zajrzeć do jednego z moich pierwszych wpisów. W każdym razie sprawa jest na tyle poważna, że jest nawet odrębna dyrektywa unijna dotycząca stosowania azotanów w rolnictwie i ograniczania ich wpływu na stan wód. Są szczegółowe i przez rolników i hodowców uważane za niebywale uciążliwe zasady uwalniania azotanów do gleby i wód. Tymczasem w przypadku chodników przeciwsmogowych radośnie „szkodliwe tlenki azotu przechodzą w nieszkodliwe związki i spływają z deszczem do kanalizacji”.

Nie próbowałem przeliczać podanych wyżej procentów i powierzchni na ilość jonów azotanowych, które w ten sposób dostają się do kanalizacji i rzek. Zapewne w porównaniu z ilością azotanów spływających z pól to znikoma ilość. Ostatecznie takie chodniki to bardziej gadżet niż rutynowy element infrastruktury drogowej. Dobrze wyglądają w folderze zachwalającym przeciwsmogową politykę miasta, ale rzeczywiste skutki są nieduże.

Wrócę do drugiej grupy tlenków występujących w kwaśnych deszczach i smogu – tlenków siarki. Ich spadek w powietrzu wiąże się z wydajnym usuwaniem siarki z węgla, ropy czy gazu. Przez parę lat wydawało się, że w Polsce w zasadzie wyeliminowano ten problem. Kilka lat temu znowu, głównie na Górnym Śląsku w sezonie grzewczym, zaczęto odnotowywać zauważalne ilości tlenku siarki w powietrzu. Jednak to wciąż „zaniedbywalny” problem w porównaniu ze stanem 30 lat temu. Powtórka z wielkiego smogu londyńskiego z 1952 r., kiedy kwaśna mgła zabiła 4 tys. osób w niecały tydzień i kolejne 8 tys. w wyniku komplikacji w następnych tygodniach, raczej nam nie grozi.

Nie wzięło się to jednak znikąd. Owszem, najbardziej zasiarczonego paliwa się pewnie już nie wydobywa. Jednak geologia ma swoje prawa i siarka w paliwach kopalnych wciąż jest. Żeby jej się pozbyć, stosuje się IMOS, czyli instalacje mokrego odsiarczania spalin. Wyposażone w nie są zakłady spalające duże ilości węgla. Stąd dym z elektrowni czy ciepłowni jest czystszy (przynajmniej w przeliczeniu na ilość uzyskanego ciepła) niż dym z domowych pieców. IMOS są uważane za najlepsze praktyki w technologiach przemysłowych i określane jako ekologiczne (cokolwiek ten przymiotnik ma znaczyć). Odsiarczanie tego typu jest, zgodnie z nazwą, mokre, czyli powstają siarczany rozpuszczone w wodzie. Raczej są to sole, a nie kwas siarkowy. Z tego, co wiem, w praktyce są to głównie siarczany wapnia.

Czytelnicy pewnie już się mogą domyślić, co się dzieje z takim wodnym roztworem siarczanów. Otóż trafiają do ścieków. Skala tego jest tak duża, że ostatnio w ramach konsultacji społecznych rozporządzenia dotyczącego jakości wód przedstawiciele energetyki proponowali poluzowanie wymagań dotyczących zasolenia wód rzecznych. Kiedyś pisałem o zasoleniu potoków miejskich jako skutku zimowego odśnieżania. Jednak rekordowe zasolenie mamy w potokach i rzekach, do których trafiają wody kopalniane, o czym pisałem niedawno. A zasolenie z takich czy innych zakładów przemysłowych do tego się dokłada i jest ono bardziej znaczące niż to odśnieżanie.

Tak więc w przyrodzie nic nie ginie. Jak pisałem przy okazji PBDE, nie jest sztuką wychwycić jakieś zanieczyszczenie z wody czy powietrza. Sztuką jest je tak zatrzymać i wykorzystać, żeby nie zanieczyszczało dalej. Polityka prowadząca do oczyszczenia powietrza, skądinąd oczywista i konieczna, ma jednak swoje ciemniejsze strony. Jej skutkiem ubocznym jest postępujące zanieczyszczenie (eutrofizacja i zasolenie) wód.

fot. Piotr Panek, licencja CC-BY-SA 4.o

  • M.M. Ballari, H.J.H.Brouwers (2013) Full scale demonstration of air-purifying pavement Journal of Hazardous Materials (254–255): 406-414