Vegyi anyagok jellemzői és tudományos összefüggések

Vegyi anyagok környezeti kockázata
A vegyi anyagok gyártásuk, feldolgozásuk, használatuk, majd a hulladékká válásuk során részben, vagy teljes egészében kikerülnek a környezetbe, ott szétterjednek a vegyi anyag és a környezet tulajdonságai által megszabott módon. A környezetben szétterjedve elérhetik az ökoszisztéma élőlényeit, köztük az embert. Attól függően, hogy az illető vegyi anyag milyen és mekkora hatással van az ökoszisztéma tagjaira és az emberre, a környezetben kialakult szennyezőanyag koncentráció kisebb vagy nagyobb kockázatot jelent a hatásnak kitett ökoszisztéma-tagokra és az emberre. Ebben a képtárban a vegyi anyagok terjedését befolyásoló törvényszerűségeket szeretnénk bemutatni.

Alapfogalmak

Oldhatóság: Egy anyag azon maximális mennyisége, mely adott hőmérsékleten adott mennyiségű oldószerben oldott állapotban lehet.

Savi disszociációs állandó: Egy sav oldatbeli erősségének kvantitatív mértéke, a savak disszociációjának egyensúlyi állandója, jele: K_a. A gyakorlatban általában a savi disszociációs állandó logaritmusát használják, melynek jele: pK_a. pK_a=-log₁₀*K_a

Párolgás: Az anyag vízfázisból gázfázisba kerülése.

Sűrűség: Az adott térfogategység tömegének mértéke. Jele: ρ, mértékegysége kg/m³. Egy test átlagos sűrűsége egyenlő a teljes tömeg és a teljes térfogat hányadosával. ρ=m/V 

Forráspont: Az a nyomástól függő hőmérséklet, amelyen a folyadékból átalakuló gőz nyomása egyenlő a külső nyomással.

Olvadáspont: Valamely anyag szilárd halmazállapotból folyadék halmazállapotba a történő átmenetének egyensúlyi hőmérséklete.

Gőznyomás: A gőznyomás (tenzió) adott hőmérsékleten a folyadékával egyensúlyban lévő telített gőz nyomása.

Hidrolízis: Olyan kémiai reakció, melyben az egyik reakciópartner a víz.

Parciális nyomás: Tökéletes gázoknál a parciális nyomás az a nyomás, amelyet akkor fejtene ki az adott anyag, ha a rendelkezésre álló térfogatot egyedül töltené ki. p_i=x_i * p, ahol p az össznyomás és x_i az i-ik komponensre vonatkozó móltört.

Megoszlási hányados: a környezetbe kikerült vegyi anyagok különböző fázisok közötti egyensúlyi megoszlását jellemző állandó, mely szoros összefüggésben áll az anyag környezetben való viselkedésével, terjedésével, mozgékonyságával, káros biológiai hatásával (toxikus, mutagén, teratogén), hozzáférhetőségével, biodegradálhatóságával és bioakkumulációra való hajlamával. - A vegyi anyag illékonyságától (Henry-állandó) függően mozog a folyadék-gáz és szilárd-gáz határfelületeken, a szerves anyagok oktanol-víz megoszlási hányadosuktól (K_ow) függő arányban kötődnek a talaj, az üledék, ill. a lebegőanyag szilárd fázisához, vagy oldódnak a vizes fázisban.

A talajt alkotók és/vagy szennyező kationok megoszlási hányadosát a K_d = C_kationvíz : C_{kationszilárd} összefüggés adja meg, a talajban beállt egyensúly esetén a talajvízben mérhető és a szilárd felülethez kötött kationok koncentrációjának hányadosaként. A K_d értéke függ a kation tulajdonságaitól (ionerősség, méret) és a talaj adszorpciós kapacitásától (T), amely a kationok példájánál maradva a talaj szervetlen kolloidanyag-tartalmával (agyag) arányos.

Szerves talajszennyező anyagok megoszlási hányadosa a K_P = C_szilárd : C_víz hányados, mely a talaj (üledék, lebegőanyag) szilárd fázisában és a vele egyensúlyban lévő vizes fázisban mérhető szerves anyag koncentráció hányadosa. Értéke elsősorban a szerves szennyezőanyag oktanol-víz megoszlási hányadosától és a szilárd környezeti fázis szervesanyag-tartalmától függ: K_P = F_OC * K_OC, ahol F_OC: a szerves szén frakció aránya a talajban, K_OC: a szennyező anyagnak a szerves széntartalom és a vizes fázis közötti megoszlási hányadosa: K_OC = a * K_ow / 1000, ahol a: empirikus állandó, értéke 0,411; K_ow: oktanol-víz megoszlási hányados. - A megoszlási hányados fenti számítással vagy adatok hiányában kísérletesen határozható meg, közvetlen méréssel vagy szimulációs vizsgálattal. A megoszlási hányadost az adszorpció-deszorpció dinamikus egyensúlyának beállásakor mérhetjük. A környezetben nincs mindig egyensúlyi helyzet, például frissen szennyezett talaj esetében, de a talajvíz védelmében a legrosszabb esetet feltételezve, ilyenkor is az egyensúlyi értékkel számítjuk ki a vegyi anyag előre jelezhető koncentrációját a talajvízben.

A vegyi anyagok aeroszol részecskékhez való kötődésének mértékét az anyag gőznyomása befolyásolja és a Junge - egyenlettel számolhatjuk ki:

F_{köt,aeroszol} = (K_Junge * F_aeroszol)/(VP+K_Junge * F_aeroszol)

ahol 
F_{köt,aeroszol}     a vegyi anyag aeroszol részecskékhez kötött frakciója [-]
K_Junge            Junge - egyenlet konstansa [ Pa·m]
F_aeroszol         aeroszol részecskék felszíne [m²/m³]
VP                  gőznyomás [Pa ]

Szilárd anyagok esetében a gőznyomást korrigálni kell a következő egyenlet alapján.

 VPL=VP/e ^{6,79·(1-T_olv/T_körny)}

ahol
T_körny          környezet hőmérséklete [K]
T_olv              vegyi anyag olvadáspontja [K]
VPL             aláhűtött folyadék gőznyomása [Pa]
VP               gőznyomás [Pa]

A vegyi anyagok folyadékfázisból gázfázisba kerülésének (párolgásának) mértékét a Henry-állandó segítségével tudjuk kiszámolni.

 K _{levegő-folyadék}=H/R*T

ahol
H                 a Henry - féle állandó [Pa·m³/mol]
R                 egyetemes gázállandó [Pa·m³/mol·K]
T                 levegő-víz határfelületének hőmérséklete [K]

Amennyiben nem találjuk az irodalomban egy vegyi anyag Henry állandóját, gőznyomásának és oldhatóságának arányából számolhatjuk ki értékét.

 H=VP·M/SOL

ahol
VP            gőznyomás [Pa]
M              molekulatömeg [g/mol]
SOL          oldhatóság [g/l]

A vegyi anyagok szilárd felületekre (talaj- és üledékszemcsékre) történő adszorpcióját több módszerrel is meghatározható:

Közvetlen mérés
Szimuláció
Adszorpciós vizsgálatok vagy analitikai mérések során mért K_oc
Ha a K_oc nem áll rendelkezésre, K_ow-ből számolható az értéke

A folyadék- és a szilárd fázis közötti megoszlási hányados a K_oc-ből és a vizsgált környezeti elem szerves szén aránya alapján számolható ki.

 K_{folyadék-szilárd}=F_sz.sz.,elem* K_oc

ahol
F_sz.sz.,elem            az adott elem szerves szén aránya [kg/kg]
                              (az elem fogalma magában foglalja a talajt, az üledéket és a szuszpendált anyagot)
K_oc                               megoszlási hányados a folyadék és a szerves szén arány között [1/kg]
K_{folyadék-szilárd}        szilárd és folyadék megoszlási hányados [1/kg]

A  K_{folyadék-szilárd}  dimenzió nélküli formája, a totál elem - folyadék megoszlási hányados a talaj három fázisa alapján számolható ki:

 K_{elem-folyadék}=F_levegő,elem*K_{levegő-folyadék}+F_{folyadék,elem}+F_{szilárd,elem}*(K_{folyadék-szilárd}/1000*ρ_szilárd)

ahol
F_levegő,elem                 az adott elem levegőtartalma (csak talaj) [m³/m³]
K_{levegő-folyadék}           a levegő és a folyadék közötti megoszlási hányados [m³/m³]
F_{folyadék,elem}              az adott elem folyadéktartalma [m³/m³]
F_{szilárd,elem}                 az adott elem szilárd anyag tartalma [m³/m³]
K_{folyadék-szilárd}            az adott elemben a szilárd és a folyadékfázis közötti megoszlási hányados [m³/m³]
ρ_szilárd                          a szilárd fázis sűrűsége [kg/m³]

Biokoncentrációs faktor: Biokoncentrációs faktor, rövidítve BCF, mely megadja, hogy a bioakkumulációra képes élőlény a vele érintkező környezetben lévő elem vagy vegyület koncentrációját hányszorosára növeli meg saját szervezetében. Nagyságát az egyensúlyi állapotban mérhető: C_élőlény / C_környezet hányados adja meg.
Nem-egyensúlyi alapon, mint a felvételi és a tisztulási sebességi állandók hányadosát (dinamikus BCF) adhatjuk meg. A statikus és a dinamikus BCF egyaránt használható kockázatfelmérési és akár szabályozási célokra. Ez a paraméter utal egy anyag felhalmozódási képességének mértékére.
Eredetileg, és egyes szakmai szövegekben még ma is, a biokoncentráció és a biokoncentrációs faktor kifejezéseket kizárólag a vizi ökoszisztémával kapcsolatban használják, a vízből a vizi élőlényekben felhalmozódott káros anyag kockázatának jellemzésére.
A bioakkumuláló élőlény testtömegét is figyelembe lehet, egyes esetekben kell venni, ilyenkor egységnyi testtömegre vonatkozó felvett vegyi anyag mennyiséget adjuk meg. A valóságban bonyolultabb a helyzet, hiszen a vegyi anyagok szervspecifikusan akkumulálódnak, ilyenkor nem mérvadó a teljes testtömegre való megadás. Ha a vegyi anyag pl. a májban akkumulálódik a szervezet többi része lehet vegyi-anyag mentes, ami a táplálkozás és a másodlagos mérgezés szempontjából nem mindegy.
Ma a biokoncentrációt és a biokoncentrációs faktort általánosabban hasznájuk, szinte minden környezeti elemben élő élőlényben történő káros anyag felhalmozódásra, így a talajból a növénybe, a vizi üledékből a kagylóba vagy más üledéklakókba bekerült és akkumulált vegyi anyagra is.

Biodegradálhatóság: Szerves vegyületek, szerves szennyezőanyagok komplexitásának csökkentése vagy teljes lebontása, mineralizációja, biológiai hatásra. Az élőlények közvetlenül vagy közvetett módon fejtik ki biodegradáló hatásukat. Közvetlen biológiai bontás során a biodegradálható szerves (szennyező)anyag szubsztrátként szolgál az élőlény számára, ilyenkor az élőlények enzimjeik segítségével leggyakrabban energiát termelnek (katabolizmus) a bontható vegyületből vagy kometabolizmus során bontják le azokat. Környezetünk élő szervezetei a biodegradálandó szubsztrátok nagy részét, főként a nagyobb méretű molekulákat a környezetbe kibocsátott exoenzimjeik segítségével bontják. A sejtből kibocsátott vagy a sejt pusztulásával a környezetbe kerülő enzimek hosszabb-rövidebb ideig működőképesek maradnak az élőlények jelenléte nélkül is és katalizálják a biodegradációs folyamatokat. A természetes ~t környezetvédelmi biotechnológiákban hasznosítjuk, mind élőlények közösségeinek alkalmazásával (szennyvíztisztítás, komposztálás, talajremediáció, stb.), mind pedig enzimtechnológiákban.