Teil A: Luftreinhaltung

1. Molekularer Stickstoff (N₂): 78%

2. Molekularer Sauerstoff (O₂): 21%

3. Edelgas Argon (Ar): 0,9%

4. Kohlendioxid (CO₂): 0,04%

1. Masse: ca. 4,9 x 10^18 kg

2. Schichten:

   • Troposphäre: 0 bis 7-17 km (Polargebiete bis Tropen), begrenzt durch die Tropopause

   • Stratosphäre: 7-17 km bis 50 km, begrenzt durch die Stratopause

   • Mesosphäre: 50 km bis 80-85 km, begrenzt durch die Mesopause

   • Thermosphäre: 80-85 km bis über 640 km

   • Exosphäre: 500-1000 km bis ca. 100.000 km (in den interplanetaren Raum übergehend)

1. Emission: Übertritt von luftverunreinigenden Stoffen in die Atmosphäre von einer Emissionsquelle.

2. Transmission: Verteilung dieser Stoffe in der Atmosphäre durch Bewegung und physikalisch-chemische Effekte.

3. Immission: Übertritt der Stoffe aus der Atmosphäre zu einem Akzeptor wie Flächen, Pflanzen oder Lebewesen.

4. Primäre Schadstoffe: Keine Umwandlung zwischen Emission und Immission.

5. Sekundäre Schadstoffe: Entstehen durch Umwandlung in der Atmosphäre, z.B. Ozon.

6. Luftschadstoff: Beimengung der Luft, die sowohl die menschliche Gesundheit als auch die Biosphäre gefährden kann.

1. Konzentration: Quantitative Angabe der Schadstoffmenge in einer Umgebung, nicht direkt proportional zur Exposition.

2. Exposition: Zustand, bei dem Menschen einem Schadstoff ausgesetzt sind.

3. Dosis: Menge eines Schadstoffs, die in den Körper eindringt, abhängig von Exposition und stoffspezifischen sowie personenspezifischen Faktoren.

1. Treibhausgase: Gase wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Distickstoffmonoxid (N₂O), Ozon (O₃) und Wasserdampf, die Infrarotstrahlung absorbieren und zum Treibhauseffekt beitragen.

2. London Smog: Entsteht bei austauscharmer Wetterlage mit hoher Luftfeuchtigkeit, gekennzeichnet durch Anreicherung von Schwefeldioxid und Schwebstaub.

3. Los Angeles Smog: Bildet sich unter intensiver Sonneneinstrahlung aus Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, führt zur Bildung oxidierender Substanzen, insbesondere Ozon.

London-Smog: Besteht aus Staub, Kohlenmonoxid (CO) und Schwefeldioxid (SO₂). Häufig im Dezember-Januar und am frühen Morgen bei niedrigen Temperaturen (-1 bis 4°C), hoher Luftfeuchtigkeit (über 85%) und Nebel, sowie Windstille.

Los Angeles-Smog: Besteht aus troposphärischem Ozon (O₃), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und Kohlenmonoxid (CO). Häufig im August-September, mittags und nachmittags bei Temperaturen von 24-32°C, etwa 70% Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeiten bis zu 3 m/s.

1. Anthropogene Quellen: Verbrennung fossiler Brennstoffe (Strom, Verkehr, Industrie, Haushalte), industrielle Prozesse, Landwirtschaft, Abfallbehandlung.

2. Natürliche Quellen: Vulkanausbrüche, verwehter Staub, Meersalzversprühung, Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen von Pflanzen.

3. Auswirkungen: Lokal bis hemisphärisch; Luftschadstoffe aus einem Land können globale Luftqualitätsprobleme verursachen.

1. Schwefeldioxid (SO₂): Entsteht durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, beeinflusst das Bronchialsystem und ist Hauptbestandteil des sauren Regens.

2. Stickstoffoxide (NOₓ): Mischung aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), beeinträchtigt das Bronchialsystem und ist eine Vorläufersubstanz für troposphärisches Ozon.

3. Ozon (O₃): Sekundärer Schadstoff, entsteht durch Reaktion von NO₂, Kohlenwasserstoffen und Sonneneinstrahlung, verstärkt bei sonnigem Sommerwetter.

4. Kohlenwasserstoffe und flüchtige organische Verbindungen (HC und NMVOC): Entstehen durch unvollständige Verbrennung von Kraftstoffen oder deren Verdunstung, bilden eine breite Gruppe von chemisch unterschiedlichen Substanzen.

5. Feinstaub (PM10 und PM2.5): Kann sowohl natürlichen Ursprungs sein (z.B. Vulkanausbrüche, Bodenerosion) als auch durch menschliches Handeln entstehen, beeinträchtigt die Atemwege und kann sekundär aus Vorläufersubstanzen entstehen.

1. Ursache: Saurer Regen durch Stickoxide und Schwefeldioxid.

2. Prozess: Puffert und wäscht wichtige Nährstoffe aus, reduziert die Bodenpufferkapazität.

3. Folgen: Schlechte Wachstumsbedingungen für Pflanzen, Mobilisierung toxischer Metalle, langwierige Bodenregeneration.

1. Entstehung von Ozon: Sekundärer Schadstoff, gebildet in der Atmosphäre aus Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen unter UV-Strahlung.

2. Photochemische Reaktion: Chemische Umsetzungen, die durch Sonnenlichtenergie ausgelöst werden.

Entsteht in der Troposphäre

1. Wirkungen: Reizt Schleimhäute, Augen und Lungengewebe, dringt bis in die feinen Lungenbläschen vor.

2. Gefährdete Gruppen: Personen bei körperlicher Belastung im Freien, besonders Arbeiter, Kinder, junge Erwachsene, Kleinkinder, Asthmatiker, und Menschen mit hoher Ozonempfindlichkeit.

1. Definition: Überangebot an Pflanzennährstoffen (Stickstoff, Phosphor) in Gewässern oder Böden.

2. Auswirkungen:

   • Förderung des pflanzlichen Wachstums.

   • Verschlechterung des ökologischen Zustandes.

   • Verdrängung stickstoffempfindlicher Pflanzenarten.

   • Ungleichgewicht in Pflanzengemeinschaften.

   • Rückgang der Artenvielfalt, besonders auf nährstoffarmen Standorten.

3. Betroffene Gebiete: Natürliche Ökosysteme, nicht ackerbaulich genutzte Flächen.

1. Problem: Zu große Mengen reaktiven Stickstoffs in der Umwelt sind schädlich für Menschen und Ökosysteme, weil es vom Menschen nicht umgewandelt werden kann.

2. Relevante Formen:

   • Gase: Ammoniak (NH₃), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), Lachgas (N₂O).

   • Ionen: Ammonium (NH₄⁺), Nitrat (NO₃⁻) in gelöster Form oder als Salze in Feinstaub.

3. Eigenschaften: Reaktiver Stickstoff ist mobil, transformierbar und zirkuliert im biogeochemischen Kreislauf zwischen Luft, Boden, Wasser und Organismen.

1. N₂ (Elementarer Stickstoff):

   • Quellen: 78% Hauptbestandteil der Atmosphäre.

   • Auswirkungen: Keine direkten Umweltauswirkungen.

2. NOₓ (Stickstoffoxide):

   • Quellen: Verbrennungsprozesse in Verkehr, Energiegewinnung und Industrie.

   • Auswirkungen: Vorläufer von Ozon, Feinstaub, gesundheitsschädliche Reaktionen in der Atmung, Herz-Kreislauf-Probleme, Boden- und Gewässerversauerung.

3. NH₃/NH₄⁺ (Ammoniak/Ammonium):

   • Quellen: Landwirtschaft, Tierexkremente, Düngemittel.

   • Auswirkungen: Versauerung und Eutrophierung von Böden und Gewässern, gesundheitliche Probleme durch Feinstaub.

4. NO₃⁻ (Nitrat):

   • Quellen: Landwirtschaft, Industrie- und Kommunalabwasser.

   • Auswirkungen: Grundwasserverunreinigung, Eutrophierung von Gewässern, gesundheitliche Probleme.

5. N₂O (Lachgas):

   • Quellen: Mikrobielle Umwandlungsprozesse in Böden und Gewässern.

   • Auswirkungen: Treibhausgas, trägt zum Abbau der Ozonschicht bei

1. Definition: Feinstaub besteht aus direkt emittierten Partikeln (primärer Feinstaub) und Partikeln, die sich aus gasförmigen Vorläufersubstanzen wie Schwefel- und Stickoxiden sowie Ammoniak bilden (sekundärer Feinstaub).

2. Primäre Quellen: Verbrennungsprozesse (z.B. Kraftfahrzeuge, Kraftwerke), Metall- und Stahlerzeugung, Umschlag von Schüttgütern, natürliche Quellen.

3. Sekundäre Quellen: Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft und anderen industriellen Prozessen.

4. Besondere Bedeutung in Ballungsgebieten: Straßenverkehr, insbesondere Dieselmotoren, Bremsen- und Reifenabrieb, sowie Aufwirbelung von Staub.

1. Gesamtschwebstaub (TSP): Alle Partikel kleiner als ca. 60 Mikrometer.

2. PM10: Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer.

3. PM2.5: Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometer.

4. Ultrafeine Partikel: Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer.

1. Große Partikel (>10 µm): Werden in Nase, Mund und Rachen zurückgehalten.

2. PM10 bis PM2.5 (10-2.5 µm): Gelangen zu einem kleinen Prozentsatz in die kleineren Bronchien und Lungenbläschen.

3. PM2.5 (<2.5 µm): Haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, in die Lungenbläschen zu gelangen und dort abgelagert zu werden, was Entzündungen auslösen kann.

4. Auswirkungen: Entzündungen können Herz- und Kreislaufprobleme nach sich ziehen, da Atmung und Blutkreislauf in den Lungenbläschen eng verbunden sind.

1. Definition: Dieselruß besteht aus elementarem Kohlenstoff, der durch unvollständige Verbrennung von organischen Substanzen wie Diesel, Heizöl, Holz und Kohle entsteht.

2. Teilchengröße: Unter 1 Mikrometer.

3. Quellen: Hauptsächlich Dieselfahrzeuge und andere motorische Verbrennungsprozesse.

1. Definition: Das Ozonloch bezeichnet eine starke, geografisch abgegrenzte Abnahme der Ozonschicht in der Stratosphäre, die seit den späten 1970er Jahren über der Südpolarregion und ab 1992 auch über der Nordpolarregion beobachtet wurde.

2. Entstehung: Es bildet sich durch Störungen im Ozon-Sauerstoff-Zyklus, vor allem durch Radikale, die katalytisch Ozonabbau-Reaktionen fördern.

3. Auswirkungen: Verminderte Absorption von UV-Strahlung durch die dünnere Ozonschicht, was negative Folgen für Mensch und Umwelt hat.

1. Einfluss von FCKW: FCKW und ähnliche Verbindungen verursachen den Ozonabbau in der Stratosphäre, da sie langlebig sind und in großen Mengen dorthin gelangen.

2. Ersatzstoffe: H-FCKW und H-FKW wurden als Ersatz für FCKW entwickelt, sind jedoch starke Treibhausgase.

Zu den fluorierten Treibhausgasen (F-Gasen) zählen

• die vollhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW),

• die teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW),

• Schwefelhexafluorid (SF6) und

• Stickstofftrifluorid (NF3).

1. Definition: Temperaturerhöhung in einem Treibhaus durch Glas, das UV-Strahlung passieren lässt, aber Infrarotstrahlung blockiert.

2. Erdatmosphäre: Kohlendioxid, Methan und andere Spurengase verhindern die Rückstrahlung der Sonnenenergie in den Weltraum und verursachen so einen Temperaturanstieg.

1. Mittlere globale Oberflächentemperatur: Geschätzter globaler Durchschnitt der oberflächennahen Lufttemperatur über Land und Meereis sowie der Meeresoberflächentemperaturen über eisfreien Ozeanen.

2. Vorindustriell: Zeitraum vor Beginn großflächiger industrieller Aktivitäten, etwa um 1750.

3. Globale Erwärmung: Zunahme der mittleren globalen Oberflächentemperatur über 30 Jahre, relativ zum vorindustriellen Niveau (1850-1900).

1. Quantifizierung: Die Klimawirksamkeit verschiedener Treibhausgase wird nach ihrem klimawirksamen Potential gewichtet.

2. Global Warming Potential (GWP):

   • Definition: Maß für die Erwärmungswirkung eines Treibhausgases.

   • Faktoren: Berücksichtigt die Absorption von Wärmestrahlung und die Verweilzeit des Gases in der Atmosphäre.

   • Referenz: Der GWP-Wert von CO₂ ist eins und dient als Referenzgröße.

1. Nichtlineare Effekte: Qualitative Änderungen im Klimasystem, die bei großer globaler Erwärmung (jenseits von 2–3°C) auftreten können.

2. Kipppunkte: Kritische Schwellen, nach deren Überschreiten eine kaum noch steuerbare Eigendynamik im Klimasystem einsetzt.

3. Kippelemente: Großskalige Teile des Erdsystems, die diese Kipppunkte überschreiten können.

z.B.: Permafrost auftauen und Methanfreisetzung, Verlangsamung des Nordatlantikstroms aufgrund von erhöhtem Schmelzwassereintrag

1. Braunkohle: 0,40 kg CO₂/kWh

2. Steinkohle: 0,33 kg CO₂/kWh

3. Heizöl schwer: 0,28 kg CO₂/kWh

4. Heizöl leicht: 0,26 kg CO₂/kWh

5. Erdgas: 0,20 kg CO₂/kWh

Wie werden Stickoxide nach ihrer Quelle und ihrem Bildungsmechanismus unterteilt und welche Zusammensetzung haben sie in der Feuerung?

Antwort:

• Unterteilung:

  • Thermisches NOₓ

  • Brennstoff- oder Fuel-NOₓ

  • Promptes NOₓ

• Zusammensetzung in der Feuerung: Etwa 95% NO und 5% NO₂.

1. Thermisches NOₓ:

   • Bildung: Hohe Temperaturen (>1250 °C) führen zur Reaktion von Luftstickstoff (N₂) mit Sauerstoff (O₂) aus der Verbrennungsluft.

   • Mechanismus: Zeldovich-Mechanismus in zwei oder drei Schritten.

2. Promptes NO:

   • Bildung: Bei sauerstoffarmer Verbrennung durch Reaktion von Brennstoffradikalen (z.B. CH) mit molekularem Stickstoff (N₂).

   • Bedeutung: Geringe Bedeutung in technischen Flammen.

3. Brennstoff-NO:

   • Quellen: Organische Stickstoffverbindungen in Heizölen (0,1-0,6% Stickstoff) und Kohle (0,8-1,5% Stickstoff).

   • Bildung: Oxidation dieser Verbindungen bei niedrigen Temperaturen, abhängig vom Luftüberschuss.

1. Kohlenwasserstoffe:

   • Bildung: Unvollständige Oxidation führt zu Alkoholen, Aldehyden und organischen Säuren.

   • Mechanismus: Ungenügende Vermischung von Brennstoff und Luft oder Luftmangel führt zu Teiloxidation oder Pyrolyse, dabei können polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe entstehen.

2. Kohlenmonoxid (CO):

   • Bildung: Entsteht bei unzureichender Sauerstoffmenge; halb so viel Sauerstoff reagiert mit Kohlenstoff im Vergleich zu Kohlendioxid.

   • Quellen: Unvollständige Verbrennung von Kohle, Erdgas und Öl, besonders in offenen Kaminen und Fahrzeugen.

   • Gefahr: Farbloses, geruchloses Gas; kann ohne spezielle Geräte nicht erkannt werden; hohe Konzentrationen können zu Vergiftung und Erstickungsanfällen führen.

1. Nationaler Emissionshandel (nEHS):

   • Sektoren: Verkehr und Wärme.

   • Ansatzpunkt: Inverkehrbringer von Brennstoffen (Upstream).

   • Emissionsquelle: Ermittelt die in Verkehr gebrachten Brennstoffmengen.

   • Start: 2021.

2. Europäischer Emissionshandel (EU-ETS):

   • Sektoren: Industrie und Energieanlagen.

   • Ansatzpunkt: Anlagenbetreiber mit direkten Emissionen (Downstream).

   • Emissionsquelle: Ermittelt die direkten Emissionen der teilnehmenden Betreiber.

   • Start: 2005.

• Berechnung: Standardmethoden, Massenbilanz

• Messung: Ermittlung CO2, N2O, PFC

1. Staub- und Aerosolabscheider:

   • Zyklon: Trennung durch Fliehkräfte.

   • Waschturm: Trennung durch Teilchendichte mit Waschflüssigkeit.

   • Strahlwäscher: Mehrstufige Trennung mit Waschflüssigkeit.

   • Rotationszerstäuber: Trennung durch Rotationskräfte und Waschflüssigkeit.

   • Venturiwäscher: Trennung durch Teilchengröße und Waschflüssigkeit.

   • Tuchfilter: Trennung durch Teilchengröße.

   • Elektrofilter: Trennung durch elektrostatische Anziehung.

2. Gasabscheider:

   • Absorption: Lösung in flüssiger Phase.

   • Biowäsche: Mikrobieller Abbau in wässriger Lösung.

   • Adsorption: Anlagerung und Kondensation am Festkörper.

   • Thermische Verbrennung: Oxidation in einer Flamme.

   • Katalytische Verbrennung: Oxidation und Reduktion am Katalysator.

1. Mechanische Entstaubung:

   • Prinzip: Abscheidung der Staubpartikel durch Schwerkraft, Trägheitskraft oder Fliehkraft.

   • Beispiel: Zyklon.

2. Nassentstaubung:

   • Prinzip: Staubpartikel werden an feinversprühte Wassertröpfchen gebunden und mit diesen vom Gas getrennt.

   • Beispiel: Venturiwäscher.

3. Filtrationsentstaubung:

   • Prinzip: Rohgasstrom wird durch ein Filtermittel geleitet, das die Staubpartikel zurückhält, während das Gas hindurchströmt.

   • Beispiel: Schlauchfilter.

4. Elektroentstaubung:

   • Prinzip: Elektrisch geladene Staubteilchen werden in einem elektrischen Feld von einer entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen.

   • Beispiel: Platten-Elektroabscheider.

• Absenken der Verbrennungstemperatur und des O₂-Partialdrucks in der Flamme.

• Geringer Gesamt-Luftüberschuss.

• Niedrige Verbrennungslufttemperatur.

• Rauchgasrezirkulation durch den Brenner.

• NOₓ-arme Brenner mit gestufter Verbrennungszuführung durch Luftstufung in der Einzelflamme.

• Kombinierte Brennstoff- und Luftstufung im Feuerraum.

Häufig angewandte Maßnahmen:

• Rauchgasrezirkulation.

• NOₓ-arme Brenner mit gestufter Luftzufuhr.

• Luftstufung im Feuerraum.

1. SNCR (Selektive nicht-katalytische Reduktion):

   • NOₓ-Konzentration: < 150 mg/m³

   • Vorteile:

     • Preisgünstig

     • Gute Reingaskonzentrationen

     • Einschränkung der De-Novo-Synthese von Dioxinen und Furanen

   • Nachteile:

     • Temperaturempfindlich bei Kesseln mit schwankender Temperaturverteilung

     • Nicht geeignet bei hohen NOₓ-Ausgangswerten im Rohgas

2. SCR (Selektive katalytische Reduktion):

   • NOₓ-Konzentration: < 80 mg/m³

   • Vorteile:

     • Sehr gute Reingaskonzentrationen

     • Kann zur direkten Zerstörung von Dioxinen und Furanen genutzt werden

   • Nachteile:

     • Hohe Kosten für Instandhaltung des Katalysators

     • Wartung und Kontrolle notwendig wegen Staubbeladung und Aktivitätsverlust

     • Anfällig gegenüber Abgasbestandteilen (z.B. Schwermetallen), die den Katalysator vergiften können

1. Absorption allgemein:

   • Prozess: Lösen von Gasen oder Dämpfen in einem Lösungs-, Absorptions- oder Waschmittel.

   • Ziel: Entziehen von Bestandteilen aus einem Gasgemisch zur Reinigung oder Weiterverwendung.

2. Physikalische Absorption:

   • Eigenschaften: Reversibel, Substanzen können wiedergewonnen werden.

   • Einsatz: Bei hohen Qualitätsansprüchen an das Lösungsmittel, komplexen und wasserlöslichen Lösungsmittelgemischen, hohen Lösungsmittelbeladungen.

   • Beispiel: Benzol aus Schwelgas mit Leichtöl.

3. Chemische Absorption:

   • Eigenschaften: Meist irreversibel, Stoffe reagieren mit der Waschflüssigkeit und bilden nicht oder kaum flüchtige Verbindungen.

   • Einsatz: Sauer reagierende Verbindungen mit alkalischen Lösungen, basisch reagierende Verbindungen mit sauren Lösungen.

   • Beispiel: SO₂ mit Calciumhydroxidlösung.

1. Methoden der Abgasreinigung:

   • Zersetzung:

     • Biologische Oxidation: Biofiltration, Biowäscher.

     • Thermische Oxidation: Thermische Nachverbrennung, Regenerative Nachverbrennung, Katalytische Nachverbrennung.

   • Abtrennung:

     • Absorption

     • Adsorption

     • Membranverfahren

     • Kondensation

2. Adsorptionsverfahren:

   • Prinzip: Gase oder Dämpfe werden an der Oberfläche eines Feststoffs (Adsorbens) gebunden.

   • Einsatz: Besonders effektiv bei der Entfernung von NMVOC (Nicht-Methan flüchtige organische Verbindungen).

   • Vorteil: Wiederverwendbarkeit des Adsorbens nach Desorption.

1. Adsorption:

   • Definition: Prozess, bei dem Gase oder Dämpfe an der Oberfläche eines Feststoffs (Adsorbens) gebunden werden.

   • Mechanismus: Moleküle aus einem Gasgemisch haften an der Oberfläche des Adsorbens aufgrund physikalischer oder chemischer Kräfte.

   • Anwendung: Reinigung von Luft oder Abgasen, besonders effektiv bei der Entfernung von NMVOC.

2. Desorption:

   • Definition: Prozess, bei dem die zuvor adsorbierten Gase oder Dämpfe wieder von der Oberfläche des Adsorbens freigegeben werden.

   • Mechanismus: Moleküle lösen sich von der Oberfläche des Adsorbens, oft durch Erhöhung der Temperatur oder Änderung des Drucks.

   • Anwendung: Regeneration des Adsorbens, um es für erneute Adsorption wieder nutzbar zu machen.

1. Adsorption:

   • Definition: Prozess, bei dem Moleküle aus einem Gas oder einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit haften.

   • Mechanismus: Moleküle sammeln sich nur an der Oberfläche des Adsorbens.

   • Beispiel: Aktivkohle, die Gase oder Dämpfe an ihrer Oberfläche bindet.

2. Absorption:

   • Definition: Prozess, bei dem Moleküle aus einem Gas oder einer Flüssigkeit in das Innere eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit eindringen.

   • Mechanismus: Moleküle werden gleichmäßig im gesamten Volumen des Absorbens verteilt.

   • Beispiel: Wasser, das Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt und im gesamten Volumen löst.