ZURE REGEN: HOE HET WORDT GEVORMD, SAMENSTELLING, REACTIES EN EFFECTEN - MILIEU - 2025

De zure regen is natte of droge neerslag van stoffen die een pH onder 5,6 genereren. Deze neerslag kan nat zijn (verdund in regenwater) of droog (deeltjes- of aërosolafzetting).

De term "zure regen" werd voor het eerst voorgesteld door de Engelse onderzoeker Robert Angus Smith in 1850, midden in de industriële revolutie. De meest voorkomende zuren die in de atmosfeer worden gevormd, zijn salpeterzuur en zwavelzuur door oxidatie van natuurlijke of kunstmatige verontreinigende stoffen.

Zure regen kaart. Bron: Alfredsito94

De meest relevante verontreinigende stoffen zijn oxiden: NO2, NO3, SO2, waarvan de natuurlijke bronnen vulkaanuitbarstingen, bosbranden en bacteriële afbraak zijn. Kunstmatige bronnen zijn de gasemissies als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen (industriële activiteit en autoverkeer).

Zure regen heeft negatieve gevolgen voor het milieu, zoals verzuring van bodems en wateren, en heeft gevolgen voor levende wezens, inclusief mensen. Ook zijn bodem en water verontreinigd met zware metalen en treedt eutrofiëring op in waterlichamen.

Op vegetatieniveau treedt directe schade aan de bladeren op en wordt de plantengroei beïnvloed. Bovendien immobiliseert verzuring van de bodem voedingsstoffen en tast het mycorrhizae (bodemschimmels) aan. Evenzo worden gebouwen, machines, monumenten en kunstwerken die aan de elementen worden blootgesteld, ernstig geroest of aangetast door de invloed van neergeslagen zuren.

Om het effect van zure regen te verhelpen, kunnen enkele essentiële maatregelen worden genomen, zoals de bescherming van de monumenten en het corrigeren van verzuring van bodem en water. De basisoplossing voor zure regen is echter het verminderen van de uitstoot in de atmosfeer van chemische verbindingen die voorlopers zijn voor de vorming van zuren.

Hoe wordt zure regen gevormd?

Zure mist door SO2-uitstoot van de PDVSA-raffinaderij op Curaçao. Bron: HdeK

Chemische voorlopers

Het fenomeen van zure regen begint met de emissie in de atmosfeer van chemische verbindingen die voorlopers zijn voor de vorming van zuren. Deze verbindingen kunnen worden uitgestoten door natuurlijke of kunstmatige bronnen.

Natuurlijke bronnen zijn onder meer vulkaanuitbarstingen, vegetatiebranden en oceaanemissies. Als kunstmatige bronnen werken industriële emissies, emissies van verbrandingsmotorvoertuigen of het verbranden van afval.

Deze bronnen stoten verschillende verbindingen uit die zuren in de atmosfeer kunnen genereren. De belangrijkste zijn echter stikstofoxiden en zwaveloxiden.

Stikstofoxiden staan ​​bekend als NOx en omvatten stikstofdioxide (NO2) en lachgas (NO). Zwaveloxide van zijn kant is SO2 of zwaveldioxide.

Troposferisch proces en geproduceerde zuren

Het fenomeen van zure regen doet zich voor in de troposfeer (atmosferische zone die loopt van het aardoppervlak tot een hoogte van 16 km).

In de troposfeer kunnen luchtstromen deze verbindingen over elk deel van de planeet vervoeren, waardoor het een wereldwijd probleem wordt. In dit proces werken stikstof- en zwaveloxiden samen met andere verbindingen om respectievelijk salpeterzuur en zwavelzuur te vormen.

Reactie ondersteuning

Chemische reacties kunnen worden uitgevoerd op vaste deeltjes in suspensie of in druppels water in suspensie.

Salpeterzuur wordt voornamelijk gevormd in de gasfase, vanwege de lage oplosbaarheid in water. Zwavelzuur van zijn kant is beter oplosbaar in water, omdat het het hoofdbestanddeel is van zure regen.

Salpeterzuur

Voor de vorming van salpeterzuur (HNO3) reageren stikstofoxiden met water, met radicalen zoals OH (in mindere mate met HO2 en CH3O2), of met troposferisch ozon (O3).

Zwavelzuur

Bij de productie van zwavelzuur (H2SO4) doen ook de radicalen OH, HO2, CH3O2, water en ozon mee. Bovendien kan het worden gevormd door te reageren met waterstofperoxide (H2O2) en verschillende metaaloxiden.

Koolzuur

H2CO3 wordt gevormd door de fotochemische reactie van kooldioxide met atmosferisch water.

Zoutzuur

HCl vertegenwoordigt slechts 2% van de zure regen en de voorloper is methylchloride (ClCH3). Deze verbinding komt uit de oceanen en wordt door OH-radicalen geoxideerd tot zoutzuur.

Neerslag

Zodra de zure verbindingen (salpeterzuur of zwavelzuur, en in mindere mate zoutzuur) zijn gevormd, zullen ze neerslaan.

Precipitatie kan plaatsvinden door afzetting van de gesuspendeerde deeltjes waarin de verzuringsreactie heeft plaatsgevonden in de gasfase. Een andere manier is dat het gecondenseerde water neerslaat in de regen waar de zuren werden gevormd.

Samenstelling

De natuurlijke zuurgraad van regen ligt dicht bij een pH van 5,6, hoewel in sommige niet-verontreinigde gebieden waarden van 5 zijn. Deze lage pH-waarden worden in verband gebracht met de aanwezigheid van zuren van natuurlijke oorsprong.

Aangenomen wordt dat, afhankelijk van de pH-waarde, de regen kan worden ingedeeld in:

a) Licht zuur (pH tussen 4,7 en 5,6)
b) Gemiddeld zuur (pH tussen 4,3 en 4,7)
c) Sterk zuur (pH lager dan of gelijk aan 4,3).

Als de regen een concentratie heeft van> 1,3 mg / l voor nitraten en> 3 mg / l voor sulfaten, wordt de verontreiniging als hoog beschouwd.

Zure regen bestaat in meer dan twee derde van de gevallen uit de aanwezigheid van zwavelzuur, in overvloed gevolgd door salpeterzuur. Andere componenten die kunnen bijdragen aan de zuurgraad van de regen zijn zoutzuur en koolzuur.

Chemische reacties van zure regen

Vorming van zwavelzuur (H2SO4)

De productie van zwavelzuur kan plaatsvinden in de gasfase of in de vloeistoffase.

Gasfase

Slechts 3 tot 4% van SO2 wordt in de gasfase geoxideerd om zwavelzuur te produceren. Er zijn veel routes voor de vorming van zwavelzuur uit gasvormige precursoren, hier wordt de reactie van SO2 met troposferisch ozon weergegeven.

De reactie verloopt in twee fasen:

1.- Zwaveldioxide reageert met troposferisch ozon, waarbij zwaveltrioxide ontstaat en zuurstof vrijkomt.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Vervolgens oxideert het zwaveltrioxide met waterdamp en vormt het zwavelzuur.

SO3 + H2O = H2SO4

Vloeibare fase

In de druppels water die de regen vormen, kan zwavelzuur op verschillende manieren worden geproduceerd:

1.- SO2 lost op in water en vormt zwavelig zuur, en dit wordt geoxideerd door waterstofperoxide:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Fotokatalytisch mechanisme: in dit geval worden metaaloxidedeeltjes (ijzer, zink, titanium) geactiveerd dankzij de werking van zonlicht (fotochemische activering) en oxideren ze SO2, waarbij zwavelzuur wordt gevormd.

Salpeterzuur (HNO3) vorming

Troposferisch ozon O3 zorgt voor de omzetting van NO2 in HNO3 in een drietrapsproces:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Effecten op het milieu

Effect van zure regen in een bos in het IJzergebergte in Tsjechië. Bron: Lovecz

Bodemverzuring en de effecten ervan op vegetatie

Het effect van zure regen op de bodem is afhankelijk van de samenstelling. Zo hebben bodems van kalk-, basalt- en stollingsoorsprong een groter vermogen om de zuurgraad te neutraliseren.

Gronden die rijk zijn aan kwarts als inert materiaal, zijn op hun beurt niet in staat het zuurgehalte te regelen. Zo worden in bodems waar zure regen de zuurgraad verhoogt, metaalionen vrijgegeven die giftig zijn voor planten en dieren en worden afgevoerd.

Een relevant geval is het oplossen van aluminosilicaten, waarbij aluminiumionen vrijkomen die zeer schadelijk zijn voor de vegetatie.

Over het algemeen vermindert de zuurgraad van de grond de beschikbaarheid van voedingsstoffen voor planten. Bovendien bevordert het het vrijkomen en wassen van calcium, wat tekorten bij planten veroorzaakt.

Effect op watervoerende lagen en de menselijke gezondheid

In de meeste gevallen ziet of smaakt zure regen er niet anders uit dan normale regen, en veroorzaakt het ook geen sensaties op de huid. De effecten op de menselijke gezondheid zijn indirect en veroorzaakt zelden huidbeschadiging door extreme zuurgraad.

Een van de problemen met zure regen is dat door het verlagen van de pH-waarden onder de 5 zware metalen vrijkomen en afgevoerd worden. Deze verontreinigende stoffen zoals aluminium en cadmium kunnen ondergrondse watervoerende lagen binnendringen.

Als het water uit deze vervuilde watervoerende lagen terechtkomt in putten die voor menselijke consumptie worden gebruikt, kan dit ernstige gezondheidsschade veroorzaken.

Verslechtering van gebouwen, monumenten en materialen

Gargoyle beschadigd door zure regen. Bron: Nino Barbieri

Kalkhoudende stenen

Constructies, monumenten en sculpturen gemaakt met kalksteen of marmer worden zwaar aangetast door zure regen. Dit is vrij ernstig, aangezien veel historische gebouwen en kunstwerken met deze materialen zijn gebouwd.

In het geval van kalksteen zorgt zure regen voor het oplossen van de kalksteen en voor herkristallisatie van het calciet. Deze herkristallisatie geeft witachtige tinten op het oppervlak.

In het specifieke geval van regen met zwavelzuur treedt het fenomeen van sulfatering op. Door dit proces wordt het rotsoppervlak omgezet in gips en komt CO2 vrij.

Marmer, hoewel resistenter, wordt ook aangetast door zure regen. In dit geval treedt de afschilfering van de steen op, daarom worden oppervlakkige lagen ervan losgemaakt.

Andere niet-corrosieve materialen

In sommige gebouwen is de structurele achteruitgang gering, maar ook met negatieve gevolgen. Droge zuurafzettingen maken bijvoorbeeld de muren vuil, waardoor de onderhoudskosten stijgen.

Metalen

Zure regen veroorzaakt corrosie van metalen door oxidatie. Dit veroorzaakt enorme economische verliezen, aangezien constructies, apparatuur, machines en voertuigen met metalen onderdelen ernstig worden aangetast.

flora en fauna

Vis gedood door zure regen. Bron: Amerikaanse Fish and Wildlife Service.

Zure regen verandert de natuurlijke balans van aquatische en terrestrische ecosystemen.

Planten en dieren in lentische watermassa's

Lentische watermassa's zijn gevoeliger voor verzuring, omdat het gesloten ecosystemen zijn. Bovendien heeft de ophoping van zuren in het water negatieve gevolgen voor het leven dat het herbergt.

Een ander gevolg van verzuring is het neerslaan van nitraten door regen, waardoor eutrofiëring in waterlichamen ontstaat. Overtollige voedingsstoffen verminderen de beschikbare zuurstof en hebben een nadelige invloed op de overleving van waterdieren.

Een ander indirect negatief effect is het meesleuren van zware metaalionen uit het landmilieu in waterlichamen. Deze ionen komen vrij in de bodem door de werking van hydroniumionen wanneer de zuurgraad toeneemt.

Vegetatie en beschikbaarheid van voedingsstoffen

De ernstigste problemen bij bodemverzuring zijn de immobiliteit van essentiële voedingsstoffen en de toename van giftige metalen.

Zo komen aluminium en magnesium vrij uit bodemdeeltjes doordat ze worden vervangen door waterstof. Aluminium beïnvloedt de structuur en functie van de wortels en vermindert de opname van calcium dat essentieel is voor planten.

Aan de andere kant veroorzaakt bodemverzuring schade aan mycorrhizae (wortelgerelateerde schimmels), die essentieel zijn in de dynamiek van het bos.

Directe schade aan planten en dieren

Zwavelzuur veroorzaakt directe schade aan bladeren door chlorofyl af te breken en chlorose te produceren (vergeling van het blad). Bij sommige soorten neemt de groei en productie van levensvatbare zaden af.

Amfibieën (kikkers en padden) zijn bijzonder gevoelig voor de effecten van zuurgraad in water. Sommige schade zijn directe verwondingen en verminderde afweer tegen ziekteverwekkers (vooral huidschimmels).

Oplossingen

Verlaag de uitstoot

Het komt erop neer dat zure regen de uitstoot van zure precursor-chemicaliën naar het milieu vermindert. De belangrijkste hiervan zijn zwavel- en stikstofoxiden.

Dit levert echter enkele moeilijkheden op, aangezien het gevolgen heeft voor de economische en ontwikkelingsbelangen van bedrijven en landen. Een van de belangrijkste bronnen van zwaveldioxide is bijvoorbeeld de verbranding van steenkool, die goed is voor meer dan 70% van de energie in China.

Er zijn enkele technologische alternatieven die de uitstoot kunnen helpen verminderen. In de industrie bevatten de zogenaamde "gefluïdiseerde bedden" bijvoorbeeld absorberende middelen (kalksteen of dolomiet) die SO2 vasthouden. In het geval van motorvoertuigen en verbrandingsmotoren in het algemeen, helpen katalysatoren ook om de SO2-uitstoot te verminderen.

Aan de andere kant hebben sommige landen specifieke programma's geïmplementeerd om zure regen te verminderen. Zo hebben de Verenigde Staten het National Acid Precipitation Assessment Program (NAPAP) ontwikkeld. Een van de maatregelen die in het NAPAP worden overwogen, is de implementatie van het gebruik van zwavelarme brandstoffen.

Een andere mogelijke maatregel is de vervanging van het wagenpark door elektrische auto's om zowel zure regen als opwarming van de aarde te verminderen. Hoewel de technologie bestaat om dit te bereiken, heeft de druk van de auto- en olie-industrie de beslissingen in dit opzicht vertraagd. Andere factoren die van invloed zijn, zijn culturele elementen die verband houden met de snelheid die een voertuig naar verwachting zal bereiken.

Pas zuurgraadcorrectiemaatregelen toe

In sommige gevallen kan de pH van bodems en wateren worden verhoogd door alkaliën toe te voegen, bijvoorbeeld door grote hoeveelheden kalk op te nemen. Deze praktijk is echter niet haalbaar in zeer grote stukken land.

Oppervlaktebescherming

Steen

Er zijn verschillende methoden om de achteruitgang van de steen onder invloed van zure regen te beschermen of in ieder geval te verminderen. Een van deze methoden is om het met stoom of heet water te wassen.

Chemische middelen zoals fluorwaterstofzuur of ammoniumbifluoride kunnen ook worden gebruikt. Eenmaal gewassen kan de steen worden verzegeld door speciale producten aan te brengen die de poriën verstoppen, zoals bariumhydroxide.

Metaal

Metalen oppervlakken die kunnen corroderen, kunnen worden beschermd door ze te bedekken met een niet-corrosief metaal zoals zink.

Hiervoor kan elektrodepositie worden aangebracht, of kan de te beschermen metalen structuur in vloeibare toestand in het beschermende metaal worden ondergedompeld.

Referenties

1. Espada L en A. Sánchez (1995). Invloed van zure regen op corrosie van metalen. pp. 145-171. In: Sastre de Vicente M. (Coord.) Elektrochemie en het milieu op de drempel van de eenentwintigste eeuw. Universiteit van La Coruña. Publicatiedienst. La Coruña, Spanje.
2. García-Ruiz G (2018). Bescherming van bouwconstructies in corrosieve atmosferen. Eindproject in engineering in industriële technologieën. Polytechnische Universiteit van Cartagena. Hogere Technische School of Industrial Engineering. Cartagena, Spanje. 75 p.
3. Granados-Sánchez D, GF López-Ríos en MA Hernández-García (2010). Zure regen- en bosecosystemen .. Revista Chapingo Forestry and Environmental Sciences Series 16: 187-206.
4. Likens GE, CT Driscoll en DC Buso (1996). Langetermijneffecten van zure regen: respons en herstel van een bosecosysteem. Science, 272; 244-246.
   Likens GE en FH Bormann (1974). Zure regen: een ernstig regionaal milieuprobleem. Science, 184: 1176-1179.
5. Schindler DW (1988). Effecten van zure regen op zoetwaterecosystemen. Science, 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ, MC Valencia-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). Luchtvervuiling en zure regen. Diagnose van het fenomeen in de stad Manizales. Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur. Nationale universiteit van Colombia. Manizales hoofdkantoor. Redactioneel Blanecolor Ltda Eerste uitgave. Manizales, Colombia. 150 p.