Kapitel 2. März Stefanie Hellbach 1

Transkript

1 Kapitel 2 Auswirkungen der industriellen Nutzung von Wasser, Säuren, Basen und Salzen auf Menschen und Umwelt Behandlung von Materialien Schutzmaßnahmen für Mensch und Umwelt Stefanie Hellbach 1

2 Säuren Sauerstoffhaltige Säuren Sauerstofffreie Säuren Dissoziation: Wasserstoffionen H + und Säurerestionen Elektrolyt: Lösung ist elektrisch leitend Stefanie Hellbach 2

3 Basen/Laugen Entstehung bei Reaktion von Metalloxid mit Wasser Alkalimetall mit Wasser Hydroxide: feste Stoffe Dissoziation: Metallion und Hydroxidion OH - Stefanie Hellbach 3

4 Nachweis von Säuren und Basen Farbindikatoren, z. B. Lackmuspapier Stefanie Hellbach; Quelle Bild: Dreamstime.de 4

5 Konzentration von Säuren und Basen Maß für die Stärke einer Säure/Lauge = ü.. ü Starke Säuren: Salzsäure, Schwefelsäure Starke Laugen: Natronlauge, Kalilauge Stefanie Hellbach 5

6 ph-wert ph-wert: Maßzahl zwischen 0 und 14 Er gibt an, wie viele H + bzw. OH - -Ionen in einer Lösung enthalten sind ph < 7 als saurewässrige Lösung ph = 7 als neutralewässrige Lösung ph > 7 als basische(alkalische) wässrige Lösung Anwendung: Lebensmittelherstellung, Medizin, Bodenbeschaffenheit Stefanie Hellbach; Quelle Bild: laborfachhandel-opel.de 6

7 Umgang mit Säuren und Basen Ätzend, giftig S/B als Feststoff reagieren mit Schweiß der Haut oder Feuchtigkeit der Schleimhäute sowie Luftfeuchtigkeit Schutzmaßnahmen: Schutzausrüstung (Brille, Kleidung) Nur vorgesehene Behälter nutzen, wegschließen Dämpfe nicht direkt einatmen Stefanie Hellbach 7

8 Technische Anwendung von Säuren und Basen Säuren: Laugen: Düngemittel, Farben, Herstellung von Lacke, Heilmittel, Seifen, Natriumsalz, Elektrolyt in Batterien, Farbmittel, Farbstoffe, zum Reinigen oder Kalkmörtel, Pflanzen- Aufrauen von schutzmittel, Oberflächen Wasserenthärtung Stefanie Hellbach 8

9 Salzbildung und Neutralisation Positiv geladene Metallionen und negativ geladene Säurerestionen Kristallgitter Säuren und Basen neutralisieren sich, es entsteht ein gelöstes Salz und Wasser Beispiel: Natronlauge und Salzsäure ergibt Kochsalz und Wasser Ableitung des Namens von der beteiligten Säure Stefanie Hellbach 9

10 Wasser (1/4) Wasserart Trinkwasser (Lebensmittel) Brauchwasser Destilliertes Wasser Schwebstoffe herausfiltern, destillieren Vollentsalztes Wasser Schwebstoffe herausfiltern, vollständiges Entsalzen im Ionentauscher Stefanie Hellbach 10

11 Wasser (2/4) Regenwasser Reinstes natürliches Wasser, saurer Regen Oberflächenwasser Regen/Schnee, versickert oder direkt in Gewässer Grundwasser Wasserundurchl. Bodenschicht Brunnen-/Quellwasser Stefanie Hellbach ; Quelle Bild: historischer Verein Durlach 11

12 Wasser (3/4) Fluss-, Seewasser Grund-/Oberflächenwasser, Abwasser Meerwasser Salzwasser, kann ohne Aufbereitung (Entsalzung) nicht genutzt werden Wasserkreislauf: verdunstet Wasser, bilden sich Wasserdampf/Wolken, es entstehen Niederschläge Wasseraufbereitung wird aufwendiger Grundwasserspiegel sinken Stefanie Hellbach 12

13 Wasser (4/4) Brauchwasser und Trinkwasser Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel Hohe Qualitätsansprüche Brauchwasser: keine Rückstände oder Korrosion Möglichst geschlossene Kreisläufe Anwendung vielfältig: Kühlen, Energieträger, Reinigung, Werkzeug, Elektrolyt, Prozessdampf Stefanie Hellbach 13

14 Wasserhärte (1/2) Kesselstein: Carbonate oder Sulfate Bildung bei mehr als 60 C Problem: Kesselexplosion, Energieverbrauch Legionellenausbreitung bei weniger als 60 C Hartes Wasser erhöht den Seifenverbrauch Stefanie Hellbach 14

15 Wasserhärte (2/2) Permanente Härte, Nicht-Carbonhärte, z. B. Calciumsulfat Temporäre Härte: Carbonathärte-> Kesselstein 1 dh entspricht 0,178 mmol/liter Calcium-/Magnesiumoxid Vier Härtebereiche Ionentauscher zur Wasserenthärtung Stefanie Hellbach; Quelle Tabelle: Wikipedia.de 15

16 Wasseraufbereitung Verunreinigungen herausfiltern Desinfektion mit Chlor/Ozonisierung Entkeimen durch UV-Bestrahlung Entsalzung durch Ionentauscher Physikalische Wasseraufbereitung Härtestabilisierung Chemische Wasseraufbereitung Ionentauscher Stefanie Hellbach 16

17 Reinigung Säuren und Basen reinigen Metalle Konzentrierte Salzsäure: Oxidschutzschicht Königswasser löst auch Gold auf Stefanie Hellbach 17

18 Umweltschutz Gesetze und Verordnungen Chemikaliengesetz Gefahrstoffverordnung Wasserhaushaltsgesetz Bundesimmissionsschutzgesetz Technische Anleitung (TA) Luft Primärmaßnahmen: vermeiden, recyceln Sekundärmaßnahmen: reinigen, aufbereiten Stefanie Hellbach 18

19 Back Up Stefanie Hellbach 19

20 Saurer Regen Hauptverantwortlich für sauren Regen ist die Luftverschmutzung durch Abgase. Insbesondere durch Einsatz schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe wie Kohle und Heizöl entstehen Schwefeloxide (SO x ) die mit Wasser Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) bilden Weiterhin entstehen bei jeder Verbrennung Stickoxide (NO x ) durch Umwandlung des im Brennstoff und in der Luft enthaltenen Stickstoffes. Diese bilden mit Wasser und Sauerstoff Salpetersäure (HNO 3 ). Die Schwefelsäure ist zu etwa 2/3, die Salpetersäure zu etwa 1/3 für die Versauerung der Niederschläge verantwortlich. Global wirkt sich auch das bei der Verbrennung der o.g. fossilen Brennstoffe freiwerdende Kohlendioxid (CO 2 ) aus. Zwar ist CO 2 ein Hauptbestandteil der Atmosphäre, aber durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe steigt der CO 2 Gehalt der Atmosphäre. Dies führt neben dem Treibhauseffekt auch zu einer weiteren Absenkung des eingangs genannten natürlichen ph-wertes des Regens, da dadurch mehr Kohlensäure gebildet werden kann. Kohlendioxid (CO 2 ) löst sich in Wasser und reagiert zu ca. 0,2% mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure. In tropischen Gebieten können auch organische Säuren, z. B. Ameisensäure (HCOOH), einen wesentlichen Anteil an der Absenkung des ph-wertes von Niederschlägen haben. Stefanie Hellbach 20

21 Auswirkungen auf Pflanzen und Gewässer Saurer Regen kann durch die Versauerung des Bodens Pflanzen schädigen und wurde ursächlich mit Baumschädigungen ("Waldsterben") in Verbindung gebracht. Die im Wesentlichen betroffenen Wälder liegen in Regionen mit häufigen und ergiebigen Niederschlägen, die zudem relativ niedrige Jahresdurchschnittstemperaturen aufweisen. Dies trifft in Deutschland insbesondereauf Wälder in höheren Lagen der Mittelgebirge und der Alpen zu. Da die aufgetretenen Krankheitsbilder sehr unterschiedlich sind (neben gesunden Beständen kommen in vergleichbarer Lage auch stark geschädigte vor), werden neben den sauren Niederschlägen heute auch noch andere Ursachen für die Baumschädigungen vermutet (natürliche Schwankungen der Anfälligkeit gegenüber Bodenversauerung, Änderungen des Klimas) bzw. nachgewiesen (Mineralienmangel, Schädigung geschwächter Bäume durch Pilze, Bakterien, waldbauliche Fehler). Durch die Übersäuerung des Bodens wird die natürliche Zusammensetzung des Bodens gestört. Es werden giftige Schwermetallionen freigesetzt, die die Feinwurzeln der Bäume absterben lassen. Dadurch entstehen Störungen im Wasser-und Nährstoffhaushalt des Baumes, und seine Widerstandskraft nimmt stark ab. Diese Bäume sind nun anfälliger was Krankheiten und natürliche Belastungen betrifft. Selbst Bodenfrost oder ein Schädlingsbefall können jetzt erhebliche Schäden anrichten. Durch den sauren Regen werden also nicht nur die Jungbäume am Wachstum behindert, sondern auch die ausgewachsenen Bäume werden stark geschädigt. Zunächst wirkt sich der Befall auf die Blatt-oder Nadelkronen der Bäume aus, die Blätter oder Nadeln werden abgeworfen. Dies führt zu einer Kronenverlichtung. Außerdem kann Wipfeldürreentstehen und der Baum schließlich absterben. Damit ist saurer Regen eine der Ursachen für das Waldsterben. Gewässer werden zunehmend durch Säureeintrag belastet. Dabei erfolgt der Säureeintrag weniger direkt über die sauren Niederschläge als eher indirekt über die Zuflüsse. Durch den Bodenabfluss und als Folge des Säureeintrags reichern sich im Wasser Metall-Kationen, z.b. Al 3+, an, die als Zellgifte wirken und zu einer Artenverarmung führen können. Die Geologie der Einzugsgebiete von Flüssen und Seen hat weiterhin einen großen Einfluss auf die Versauerung. Stehen im Einzugsgebiet vor allem Gesteine an, die kaum neutralisierend auf den sauren Regen wirken (z.b. Granit, Gneis, Sandstein), sind diese Gewässer von der Versauerung besonders betroffen. Umgekehrt haben Gewässer, die im Einzugsgebiet große Kalksteinvorkommen haben, kaum Probleme mit der Versauerung. Der Anstieg der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre kann darüber hinaus zu einer Versauerung der Ozeane führen und könnte so eine Bedrohung für das Fortbestehen der ozeanischen Biosphäre darstellen, da sich beispielsweise ab einem bestimmten ph-wert die Kalkschalen von Muscheln und Schnecken auflösen. Stefanie Hellbach 21

22 Auswirkungen auf Gebäude Der saure Regen greift insbesondere Sand-und Kalkstein an, aber auch Betonkonstruktionen. Dadurch schreitet die Verwitterung von Gebäuden wesentlich schneller voran und zahlreiche Gebäude und Kulturdenkmäler werden so stark beschädigt oder zerstört. Marmor löst sich in Säuren, da er aus Calciumcarbonat besteht. Wenn saurer Regen auf Marmor trifft, entstehen vielfältige Schäden. Dazu gehören angeraute Oberflächen, Abtragung von Material und Verlust von gemeißelten Feinstrukturen. Die Zerstörung kann die gesamte Fläche betreffen oder punktuell an reaktiven Stellen auftreten. Das Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im sauren Regen. Dann reagieren die Sulfationender Schwefelsäure mit den Calciumionenund überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips. Ca 2+ +SO H 2 O CaSO 4 + 2H 2 O Der Regen trägt mit der Zeit einen Teil der Gipskruste ab. Dies führt zu kleinen Rissen und zunehmender Erosion. Die Wiederherstellung von beschädigtem Kulturgut und Gebäuden ist sehr kostspielig. Allein für die WestminsterAbbey in London wurden bis zum Jahr 1990 bis zu 10 Mio. Pfund ausgelegt, um vom sauren Regen verursachte Schäden zu beseitigen. In Geld nicht aufzuwiegen sind jedoch die Schäden an den Kulturschätzen der Erde. TajMahalin Indien und die Akropolis in Athen hatten ebenso unter der Säureeinwirkung zu leiden wie das kanadische Parlamentsgebäude oder das US Capitol. Stefanie Hellbach 22

23 Gegenmaßnahmen Als Gegenmaßnahme versucht man in vielen Gegenden Europas (in der Schweiz verboten), mit Kalk die Übersäuerung zu neutralisieren. Vielerorts werden hierzu große Mengen Kalk per Hubschrauber verstreut. In der Nähe von Kalk-oder Zementwerken mit schlechter Entstaubung kann die unbeabsichtigte Emission von Kalkstaub im Extremfall sogar zur Umkehrung des Phänomens führen und es entsteht basischer Regen. Ein solcher Effekt kann auch eintreten, wenn große Mengen Asche oder andere basische Stäube in die Luft geraten, etwa als Folge großflächiger Waldbrände oder eines Vulkanausbruches. Man ist seit den 80er-Jahren dazu übergegangen, Rauchgase zu entschwefeln. Dabei wird das SO 2 aus dem Abgas entfernt und meist zu CaSO 4 (Gips) umgesetzt, welches sich nutzen oder deponieren lässt. Dies ist bei Transportmitteln wie Automobilen, Flugzeugen etc. jedoch nicht möglich. Daher wird aus Kraftstoffen wie Benzin, Diesel, Kerosin und Erdgas der Schwefel mittels spezieller Verfahren entfernt, wodurch zumindest in den Industrieländern der Eintrag von SO 2 in die Atmosphäre erheblich verringert werden konnte. Das Entfernen der Stickstoffoxide gestaltet sich dagegen erheblich schwieriger. Diese entstehen ab einer bestimmten Temperatur bei allen Verbrennungsprozessen, sofern nicht in stickstofffreier Atmosphäre gearbeitet wird. Dies ist kaum bzw. nur mit großem Aufwand möglich, da unsere Atmosphäre zu 78,09 % aus Stickstoff besteht. Deshalb müssten die Stickstoffoxide aus dem Abgas entfernt werden, was in Autokatalysatoren geschieht, jedoch nicht zu 100 % (siehe Lambda- Fenster). Stickstoffoxide zusammen mit der UV-Strahlung der Sonne sind auch die Hauptursache für das Entstehen von bodennahem Ozon. Somit bräuchte man entweder andere Katalysatoren, oder man müsste den Verbrennungsmotor z.b. durch einen Elektromotor ersetzen. Stefanie Hellbach 23