کربن منوکسید (Carbon Monoxide)

کربن منوکسید یکی از فراوان ترین و گسترده ترین آلوده کننده هاست که در اتمسفر پایین یافت می شود کربن منوکسید گازی است که در تمام دماهای بالاتر  از نقطه ی جوشش (۱۹۲C-) بی رنگ، بی بو و بی مزه است. چگالی آن  ۹۶/۵ درصد هوا است و به طور قابل ملاحظه ای غیرقابل حل در آب می باشد. این گاز  قابل اشتعال است  و با شعله آبی می سوزد.

 

منابع کربن منوکسید CO

منابع طبیعی و مصنوعی (انسانی) هر دو در تشکیل CO اتمسفری سهیم هستند. وجود CO در اگزوز اتوموبیل ها و سایر مواد زائد، که نتیجه سوخت ضعیف و ناقص می باشد، کاملا شناخته شده است، اثرات محیطی CO از این منابع و سایر منابع مصنوعی مورد مطالعه قرار گرفته است. تشخیص اهمیت نقشی که به وسیله منابع طبیعی CO ایفا می گردد، اخیراً صورت گرفته است. اولین بار در سال ۱۹۴۹ مشخص گردید که CO سازنده بخش بسیار کوچکی از اتمسفر است. این تشخیص زمانی بود که خطوط جذبی در سیستم طیف خورشیدی کشف شد. در نهایت این مشاهدات به تحقیقات مختصری در مورد منابع طبیعی COقبل از ۱۹۷۲ انجامید، ابتدا تصور می شد که سهم این منابع در مقایسه با نتایجی که از فعالیت های انسان  (مصنوعی) به دست آمده است بسیار ناچیز است. ولی مطالعات بعد از ۱۹۷۲ خلاف این مسئله را نشان داد. منابع طبیعی در تولید CO نسبت به منابع مصنوعی سهم بیشتری دارند، همانطور که در شکل زیر (منابع coاتمسفری) نشان داده شده است.

 

تقریباً ۱۰ برابر CO که وارد اتمسفر می شود از منابع طبیعی است (در مقایسه با منابع مصنوعی).

مقدار برآورد شده از انتشار جهانی، توسط منابع طبیعی ۳۸۵۰میلیون تن در سال  است حداقل ۳۳۰۰ میلیون تن از مجموع این منابع از اکسایش اتمسفری متان (CH4) بدست می آید که از پوسیدگی مواد آلی تولید می شود، رشد و پوسیدگی کلروفیل  در گیاهان برای ۱۱۰ میلیون تن مابقی، محاسبه می شود و ۱۶۵میلیون تن هم توسط اقیانوس ها آزاد می شود.

باقیمانده ۲۷۵ میلیون تن از سایر منابع مختلف بدست می آید که جزئیات آن باید مورد مطالعه قرار بگیرد. در مقام مقایسه در سال ۱۹۷۰ سهم co اتمسفری ناشی از منابع مصنوعی به طور تقریبی ۴۰۰ میلیون تن تخمین زده شده که کمتر از ۱۰ درصد کل آن می باشد. متان منبع بیش از ۷۷ درصد co اتمسفری طبیعی است و معلوم شده است که در نتیجه تجزیه مواد آلی فرو رفته در باتلاق ها، کشتزارهای برنج و مناطق گرمسیری جهان حاصل می شود. انتشار جهانی متان به مقدار حداقل ۱/۶ بیلیون تن در سال تخمین زده شده است. مسلم است که متان اتمسفری با رادیکالهای هیدروکسیل ((OH)) یا اکسیژن اتمی (O) برای تشکیل رادیکال های متیل  (CH3) عمل می کند. واکنش ها عبارت است از:

(رابطه ۱-۲)   CH4 + OH :» H2O + CH3

(رابطه ۲ – ۲)    CH4 + O » OH + CH3

رابطه ۱-۲ بیشتر انجام می شود ، اما هر دو وظیفه یکسانی بعهده دارند که عبارتند از ویرانی دائمی CH4 اتمسفری.

CH3 رادیکالی تولید شده، بیشتر برای تولید CO نهایی عمل می کند.

رادیکال های هیدروکسیل و اکسیژن محتاج اکسایش اولیه CH4 هستند و طبق واکنش های زیر حاصل می شوند:

 

(رابطه ۳-۲)   O3+ Sunlight :» O2 + O

(رابطه ۴-۲)   O + H2O :» OH + OH

بنابراین منبع اصلی CO اتمسفری مرحله ای است که CO در اتمسفر تولید میگردد نسبت به مرحله ایکه در اتمسفر پخش می شود.

اقیانوس ها دومین منبع تولید CO اتمسفری می باشند  از آنجا که سطح  آبها در تماس با اتمسفر می باشند، انتظار می رود  که شامل CO حل شده و جذب شده از اتمسفر باشند. هر چند که عملا مقدار CO حل شده در اقیانوس ها از ۱۰ تا ۴۰ برابر بیش از مقداری است که از چنین جذبی انتظار می رود. گیاهان پست دریایی و سایر منابع بیولوژیکی  سهم قابل ملاحظه ای در تولید COموجود در آبها را دارند، این منابع بیولوژیکی سهم قابل ملاحظه ای  در تولید CO موجود در آبها را دارند، این CO متعاقبا در اتمسفر آزاد می شود. این یک باور غلط عمومی  است که تقریبا هر چیز موجود در اتمسفر زمین  به جز N2 نیتروژن ، اکسیژنO2 و مقدار کمی از گاز های نادر در نتیجه فعالیت های بشری به وجود می آیند.

کربن منو اکسید در این خصیصه تنها نیست، منابع طبیعی عمده ای برای تمام آلوده کننده های  اصلی نامبرده شده   وجود دارند.

 

اهمیت CO ناشی از فعالیت های انسانی  (منابع مصنوعی)

Importance of Anthropogenic CO

علی رغم سهم کوچک این منابع در مقم مقایسه با انتشار جهانی  CO (9/4 درصد از کل)، تاثیر منابع مصنوعی نیز نباید نادیده گرفته شود. اطلاعات قبلی، نمی توانند توجیه کننده این مواقعیت مهم باشند که منابع طبیعی CO در سراسر جهان پخش شده اند.در حالی که منابع مصنوعی در مناطق نقطه ای و بسیار کوچکی متمرکز شده اند. برای مثال ۹۵ تا ۹۸ درصد از CO اتمسفری در یک منطقه شهری ناشی از فعالیت های انسانی حاصل می شود. این مقادیر CO به طور معمول  ۵۰تا ۱۰۰ برابر از مقادیر مشخص جهانی  (۰/۱ تا ۰/۵ PPM) بالاتر است. اثر منابع طبیعی در مشکلات آلودگی هوا به طور مقدماتی محصول دو خاصیت موقعیت و سرعت بالای انتشار هستند بنابراین باقی مانده بحث آلودگی CO بر روی منابع مصنوعی متمرکز خواهد شد.

 

شیمی تشکیل CO

Chemistry of CO Formation

تشکیل CO از منابع مصنوعی در فضا از یکی از فرایند های شیمیایی زیر ناشی می شود:

۱) سوخت ناقص کربن یا محصولات حاوی کربن – زمانی که اکسیژن کافی جهت سوخت وجود نداشته باشد به وقوع می پیوندد و به جای کربن دی اکسید (CO2) تولید می گردد.

۲)یک واکنش در حرارت بالا، بین CO2  و مواد حاوی کربن صورت می پذیرد.

۳) در حرارت های بالا CO2 به CO  تجزیه می گردد.

مطالعه جزئیات این فرایند ها نقش آلودگی کربن منواکسید را مشخص می نماید.

 

فرایند۱- تشکیل اکسید های کربن، وقتی که کربن و اکسیژن خالص با هم ترکیب می گردند فرایند ساده ایست. نظیر سوختن مواد حاوی کربن در هوا که شامل یک سری فعل و انفعالات می گردد.

علیرغم پیچیدگی پاره ای اصول کلی در خصوص این واکنش ها شناخته شده  به عبارت ساده سوختن کربن  در مواد سوختنی به شکل مراحل  زیر انجام می پذیرد:

(رابطه ۵-۲)   ۲C+ O2 :» ۲CO

(رابطه ۶-۲)   ۲CO+ O2 :» ۲CO_۲

واکنش اول تقریباً ۱۰ بار سریعتر از دومی انجام می شود بنابراین CO در فعل و انفعالات سوختن یک واسطه است  و اگر O2 به اندازه کافی موجود نباشد به صورت محصول نهایی ظاهر خواهد شد . CO همچنین می تواند به عنوان محصول نهایی ظاهر گردد اگر مواد سوختی و هوا به خوبی مخلوط نشده باشند مخلوط ناقص موجب می گردد که در مناطقی از اختلاط هوا و مواد سوختنی، اکسیژن کافی وجود نداشته باشد.

رابطه تولید CO  و وجود اکسیژن (که به نسبت هوا به مواد سوختی اندازه گیری شده) در شکل زیر نشان داده شده است که در آن تولید CO در سه موتور سوختی ترسیم گردیده است . تاثیر کمبود اکسیژن در تولید CO  کاملا مشهود است.

نسبت هوا به سوخت در تولید کاز منوکسید کربن ناشی از اگزوز که از سه موتور امتحان شده به دست آمده است

 

فرایند۲- واکنش مورد نظر در این فرایند به صورت زیر می باشد.

(رابطه ۷-۲)   CO2+ C :» ۲CO

این واکنش به آسانی در حرارت های بالا که معمولا در بسیاری از تجهیزات صنعتی مانند کوره ها وجود دارد انجام می گیرد.

CO تولید شده از این طریق در پاره ای موارد لازم و سودمند می باشد مثل کوره ها به عنوان احیا کننده در تولید آهن از سنگ اکسید آهن عمل می کند. ولی بخشی از CO ممکن است وارد اتمسفر شود و موجب آلودگی گردد.

 

فرایند۳- تحت شرایط خاص واکنشی که در آن اکسیژن کافی برای سوختن کامل وجود داشته باشد هنوز ممکن است به عنوان منبعی برای تولید CO عمل کند. این بعلت حرارت بالای ناشی از تجزیه CO2 به CO و O می باشد.

در یک وضعیت در حرارت بالا دی اکسید و CO  در حال تعادل وجود خواهند داشت طبق فرمول:

(رابطه دو طرفه  ۸-۲)   CO+ O «:» CO2

حرارت بالاتر به تولید COو O کمک می کند برای مثال در حرارت ۱۷۴۵درجه سانتی گراد  یک درصد CO2 به O و CO تجزیه خواهد شد و در حرارت ۱۹۴۰ درجه سانتی گراد ۵ درصد آن تجزیه می گردد. اگر یک مخلوط در حال تعادل در حرارت بالا به طور ناگهانی  سرد شود CO  موجود در مخلوط سرد شده باقی می ماند.

 

غلظت و نوزیع CO:

Concentration and Distribution  of CO

از آنجا که اتوموبیل به تنهایی تولید کننده بزرگترین منبع آلودگی CO می باشد (۶۵/۶)مناطق پر جمعیت شهری غلظت بالایی  از CO  را نشان می دهند. در چنین مناطقی غلظت CO بستگی به وضعیت فعالیت روزانه جمعیت  دارد.

غلظت روزانه CO  بستگی کامل به میزان ترافیک دارد.

بالاترین میزان تراکم در محل هایی دیده می شود که بار سنگین ترافیک دارند و وضعیت روزانه جز در آخر هفته ها تفاوت چندانی با هم ندارند تراکم در روز های هفته بالاتر از روزهای جمعه می باشد.

غلظت هوا از CO  در هر منطقه با سرعت ورود آن به اتمسفر، سرعت پراکندگی و از بین رفتن آن مشخص می گردد در مناطق شهری سرعت از بین رفتن خیلی پایین تر است  لذا سرعت پراکندگی منوکسید کربن به جهت، سرعت باد، تلاطم هوا و پایداری اتمسفر مربوط می گردد.

شهرهای بزرگ ، اگر چه تلاطم به وسیله حرکت اتوموبیل ها ایجاد می گردد ولی به طور موضعی دوره های طولانی  از سکون هوا پیش می آید  که منجر به پراکندگی ناکافی و نتیجتاً افزایش تراکم CO در هوا خواهد شد.