Αξιοσημείωτες εκπομπές νιτρικών φαινολλών από την καύση άνθρακα σε κατοικίες

Ο άνθρακας, ένας από τους σημαντικότερους ενεργειακούς πόρους, χρησιμοποιείται ευρέως σε όλο τον κόσμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τη βιομηχανική παραγωγή, το μαγείρεμα στο σπίτι, τη θέρμανση κ.λπ. Στην Κίνα, 91 Tg άνθρακα χρησιμοποιήθηκε στον οικιακό τομέα για μαγείρεμα και θέρμανση το 2016. Λόγω της έλλειψης συσκευής επεξεργασίας σωματιδίων, η οικιακή καύση άνθρακα απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες ανθρακούχων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, όπως οργανικούς άνθρακες και μαύρους άνθρακες (Zhang et al., 2007).

Οι νιτρωμένες φαινόλες, οργανικά μόρια που αποτελούνται από τουλάχιστον μία ρίζα υδροξυλίου και μία νιτρολειτουργική ομάδα συνδεδεμένη με έναν αρωματικό δακτύλιο, είναι ένα από τα κύρια συστατικά του καφέ άνθρακα. Οι νιτρικές φαινόλες μπορούν να απορροφήσουν έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία και το ορατό φως και έτσι να επηρεάσουν την ισορροπία της ακτινοβολίας και τα περαιτέρω περιφερειακά κλίματα (Mohr et al., 2013). Επιπλέον, οι νιτρικές φαινόλες βλάπτουν τους ανθρώπους και τους οργανισμούς (Fernandez et al., 1992; Harrison et al., 2005). Οι νιτρικές φαινόλες στην ατμόσφαιρα προέρχονται τόσο από τις πρωτογενείς εκπομπές των διεργασιών καύσης όσο και από τον δευτερογενή σχηματισμό από αρωματικές πρόδρομες ουσίες. Η καύση βιομάζας έχει αναγνωριστεί ως η κύρια πηγή εκπομπής νιτρικών φαινολών (Hoffmann et al., 2007), ωστόσο, παραμένει ασαφές εάν υπάρχουν άμεσες εκπομπές από την καύση διαφόρων ειδών άνθρακα.

Λαμβάνοντας υπόψη την τεράστια κατανάλωση άνθρακα για οικιακή χρήση και την έλλειψη συσκευών αφαίρεσης σκόνης, ο Δρ. Xingfeng Wang και το διδακτορικό του. Ο φοιτητής Chunying Lu και οι συνεργάτες του από το Πανεπιστήμιο Shandong διεξήγαγαν εργαστηριακά πειράματα για να διερευνήσουν τις εκπομπές δέκα νιτρωμένων φαινολών σε λεπτά σωματίδια από καύση δέκα ειδών άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων κομματιών λιγνίτη, ασφάλτου και ανθρακίτη, καθώς και μπρικέτες ανθρακίτη. Ως σημαντικό συμπλήρωμα στην παραδοσιακή άποψη της κύριας πηγής εκπομπών καύσης βιομάζας, ανακάλυψαν ότι η καύση άνθρακα εκπέμπει απευθείας μεγάλη ποσότητα νιτρωμένων φαινόλων και λειτουργούσε ως άλλη μια σημαντική πηγή εκπομπής αυτών των καφέ ανθράκων.

Αυτή η εργαστηριακή μελέτη δείχνει ότι τα προφίλ εκπομπών λεπτών σωματιδιακών νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα ήταν παρόμοια με αυτά από την καύση βιομάζας. Οι συντελεστές εκπομπής νιτρικών φαινολών για διάφορους άνθρακα ήταν 0,2–10,1 mg kg-1. Σε σύγκριση με τους συντελεστές εκπομπών από την καύση βιομάζας, οι συντελεστές εκπομπής νιτρωμένων φαινολών από την καύση άνθρακα για λιγνίτες και ασφαλτούχους ήταν συγκρίσιμοι ή και λίγο υψηλότεροι. Η εκτιμώμενη συνολική ποσότητα λεπτών σωματιδιακών νιτρικών φαινολών που εκπέμπονταν απευθείας από την καύση άνθρακα στην Κίνα το 2016 ήταν 178±42 Mg, περίπου το ένα τέταρτο αυτής από την καύση βιομάζας στην Κίνα (Wang et al., 2017). Οι εκπομπές νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα σε όλους τους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της οικιακής χρήσης, των θερμοηλεκτρικών σταθμών και των βιομηχανικών παραγωγών θα είναι περισσότερες.

Αυτή η εργασία επιβεβαιώνει την άμεση εκπομπή νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα. Τα ευρήματα υποδεικνύουν την αξιοσημείωτη συμβολή της καύσης άνθρακα στις νιτρωμένες φαινόλες στην ατμόσφαιρα, ιδιαίτερα το χειμώνα όταν καίγεται τεράστια ποσότητα άνθρακα για θέρμανση, κάτι που παρατηρήθηκε στις πρόσφατες επιτόπιες μελέτες τους σε τέσσερις τοποθεσίες στη Βόρεια Κίνα (Wang et al., 2018).

Είναι ενδιαφέρον ότι οι παράγοντες εκπομπής νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα ποικίλλουν ανάλογα με τα είδη άνθρακα, μειώνοντας δραματικά με την ωριμότητα του άνθρακα. Γιατί η καύση άνθρακα θα παρήγαγε νιτρικές φαινόλες και οι συντελεστές εκπομπής μειώθηκαν με την ωριμότητα του άνθρακα; Διευκρινίστηκε ότι ο άνθρακας προέρχεται από βιομάζα και αποτελείται κυρίως από αρωματικές ενώσεις υψηλής συμπύκνωσης με διάφορες λειτουργικές ομάδες. Όταν καιγόταν άνθρακας, πιθανότατα δημιουργήθηκαν νιτρικές φαινόλες από τις αντιδράσεις μεταξύ των προϊόντων πυρόλυσης που περιέχουν φαινολικές δομές και οξείδια του αζώτου. Η περιεκτικότητα σε φαινολικό άνθρακα μειώθηκε όσο αυξανόταν η κατάταξη του άνθρακα και έτσι ο λιγνίτης εξέπεμπε περισσότερες νιτρωμένες φαινόλες από τον ασφαλτούχο άνθρακα και τον ανθρακίτη.

Αυτή η εργασία παρέχει μια ολοκληρωμένη κατανόηση των εκπομπών νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα σε οικίες και παρέχει σημαντικά βασικά δεδομένα για την απογραφή εκπομπών και την ατμοσφαιρική μοντελοποίηση. Προβάλλει την επείγουσα ανάγκη επιβολής μέτρων ελέγχου των εκπομπών και προώθησης της καθαρής χρήσης άνθρακα στον οικιστικό τομέα στην Κίνα. Προκειμένου να μειωθούν οι εκπομπές νιτρικών φαινολών από την καύση άνθρακα σε οικίες, το κοινό μπορεί να μειώσει τη χρήση άνθρακα αντικαθιστώντας τον άνθρακα με καθαρή ενέργεια, όπως φυσικό αέριο, ηλιακή ενέργεια και αιολική ενέργεια.

Αναφορές:

1. Fernandez, Ρ., Grifoll, Μ., Solanas, Α. Μ., Bayona, J. Μ., Albaiges, J., 1992. Χημική ανάλυση γονιδιοτοξικών συστατικών σε παράκτια ιζήματα κατευθυνόμενη από βιοπροσδιορισμό. Περιβάλλω. Sci. Τεχνολ. 26(4), 817–829.
2. Harrison, M. A. J., Barra, S., Borghesi, D., Vione, D., Arsene, C., Iulian Olariu, R., 2005. Νιτρωμένες φαινόλες στην ατμόσφαιρα:ανασκόπηση. Atmos. Περιβάλλω. 39(2), 231–248.
3. Hoffmann, D., Iinuma, Y., Herrmann, H., 2007. Ανάπτυξη μιας μεθόδου για γρήγορη ανάλυση φαινολικών μοριακών δεικτών σε σωματίδια καύσης βιομάζας χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης/χημικής ιονισμού ατμοσφαιρικής πίεσης. J Chromatogr. Α. 1143(1–2), 168–175.
4. Mohr, C., Lopez-Hilfiker, F. D., Zotter, P., Prévôt, A. S., Xu, L., Ng, N. L., Herdon, S. C., Williams, L. R., Franlin, J. P., Zahniser, M. S., Worsnop, D. R., Knighton, W. B., Aiken, A. C., Gorkowski, K. J., Dubey, M. K., Allan, J. D., Thornton, J. A., 2013. Συμβολή νιτρικών φαινολών στην απορρόφηση φωτός καφέ άνθρακα που καίει ξύλο στο Detling, Ηνωμένο Βασίλειο Περιβάλλω. Sci. Τεχνολ. 47(12), 6316–6324.
5. Wang, L., Wang, X., Gu, R., Wang, H., Yao, L., Wen, L., Zhu, F., Wang, W., Xue, L., Yang, L., Lu, K., Chen, J., Wang, T., Zhang, Y., Wang, W., 2018. Παρατηρήσεις λεπτών σωματιδίων νιτρωμένων φαινολών σε τέσσερις τοποθεσίες στη βόρεια Κίνα:συγκεντρώσεις, κατανομή πηγών και δευτερογενείς σχηματισμός. Atmos. Chem. Phys. 18(6), 4349–4359.
6. Wang, X., Gu, R., Wang, L., Xu, W., Zhang, Y., Chen, B., Li, W., Xue, L., Chen, J., Wang, W., 2017. Εκπομπές λεπτών σωματιδίων νιτρωμένων φαινολών από την καύση πέντε κοινών τύπων βιομάζας. Περιβάλλω. Ρύπανση. 230, 405–412.
7. Zhang, J., Smith, K. R., 2007. Οικιακή ατμοσφαιρική ρύπανση από καύσιμα άνθρακα και βιομάζας στην Κίνα:μετρήσεις, επιπτώσεις στην υγεία και παρεμβάσεις. Περιβάλλω. Προοπτική Υγείας. 115(6), 848–855.