VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ PAVLA ROVNANÍKOVÁ JITKA MALÁ PAVEL ROVNANÍK STAVEBNÍ CHEMIE MODUL 4 CHEMIE VODY, OVZDUŠÍ A ORGANICKÝCH STAVEBNÍCH MATERIÁL STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Stavební chemie Modul M04 Pavla Rovnaníková, Jitka Malá, Pavel Rovnaník, 2004-2 (47) -
Obsah OBSAH 1 Informace k modulu M04...5 1.1 Cíle...5 1.2 Požadované znalosti...5 1.3 Metodický návod na práci s textem...5 1.4 Chemické výpoty...5 2 Voda...6 2.1 Základní vlastnosti vody...6 2.2 Voda v životním prostedí...7 2.3 Úprava vody pro její použití...9 2.4 Odpadní voda a její ištní...10 2.5 Voda ve stavebnictví...11 2.6 Autotest...13 3 Vzduch a ovzduší...14 3.1 Složení atmosféry...14 3.2 Plynné exhalace...14 3.3 Aerosoly...16 3.4 Ochrana ovzduší...17 3.5 Autotest...17 4 Devo a celulóza...18 4.1 Chemické složení deva...18 4.2 Znehodnocující initelé deva a ochrana proti nim...20 4.3 Autotest...22 5 Živice...23 5.1 Asfalty...23 5.2 Dehty a smola...24 5.3 Autotest...25 6 Plasty...27 6.1 Píprava plast...27 6.2 Vlastnosti plast...28 6.3 Zpracování plast...28 6.4 Nejbžnji používané plasty...29 6.4.1 Plasty pipravené polymerací...29 6.4.2 Plasty pipravené polykondenzací...31 6.4.3 Plasty pipravené polyadicí...32 6.5 Degradace a stabilizace polymer...32 6.6 Praktické použití vysokomolekulárních látek ve stavebnictví...33 6.6.1 Plastbetony...33 6.6.2 Polymerbetony...34 6.6.3 Ostatní materiály...34 6.7 Autotest...35 7 Kvalitativní analytická chemie...36-3 (47) -
Stavební chemie Modul M04 8 Chemické výpoty... 38 8.1 Látkové množství... 38 8.2 Stechiometrie... 38 8.3 Výpoty z chemické rovnice... 41 8.4 Bilanní pravidlo... 43 8.5 Neutralizace... 44 8.6 ph... 46 9 Studijní prameny... 47 9.1 Seznam použité literatury... 47 9.2 Seznam doplkové studijní literatury... 47 10 Klí... 47-4 (47) -
Informace k modulu M04 1 Informace k modulu M04 1.1 Cíle Cílem modulu je podat základní informace o vod, která má nezastupitelnou roli v život organizm, a všech djích pírodních i technogenních. Voda je uvedena z pohledu životního prostedí, dále jako voda pitná a odpadní a v neposlední ad jako voda, která tvoí médium pro agresivní látky psobící na stavební materiály. Kapitola o vzduchu a ovzduší se zabývá o složením vzduchu a také škodlivinami, které psobí negativn na stavební materiály. Další kapitoly jsou zameny na materiály, které jsou založeny na organických látkách, tj. devo, živice a syntetické polymery. Jsou podány jejich základní chemické charakteristiky, zpsoby jejich degradace a ochrana proti ní. Pro tuto kapitolu je nezbytná základní znalost organické chemie. 1.2 Požadované znalosti Pro studium tohoto modulu je nezbytná znalost obecné chemie, uvedené v modulu 01. Pokud máte nedostatky ve znalostech stedoškolské chemie, je možno si je doplnit z publikace Vacík. J. a kol. Pehled stedoškolské chemie. Praha: SPN, 1990. 1.3 Metodický návod na práci s textem Nápl tohoto modulu studujte až po zvládnutí látky v pedchozích modulech. Po nauení kapitoly si zodpovzte kontrolní otázky, zkuste si napsat uvedené chemické rovnice. Zárove splte zadané úkoly. Na konci celé kapitoly si ovte znalosti autotestem. Výsledky úkol a autotestu jsou uvedeny na stran 48. Odpovdi na kontrolní otázky naleznete v textu píslušné kapitoly. 1.4 Chemické výpoty Na konci modulu jsou píklady chemických výpot, které jsou rozdleny tématicky do pti kapitol. Jsou uvedeny vzorové píklady a píklady k procviení, u nichž je uveden výsledek. Propoítejte všechny píklady, obdobné jsou zadány ve zkouškových testech. - 5 (47) -
Stavební chemie Modul M04 2 Voda Cíl kapitoly: V této kapitole se dozvíte základní informace o vlastnostech vody a o vod v životním prostedí. Strun probereme, jak se voda upravuje pro rzné úely použití a jak se istí odpadní vody. Závrem se budeme zabývat vodou ve stavebnictví. Klíová slova: srážková voda, podzemní voda, povrchová voda,betonáská voda, eutrofizace, metanizace, odželezení, odkyselení 2.1 Základní vlastnosti vody Molekula vody se skládá ze dvou atom vodíku a jednoho atomu kyslíku (H 2 O). V této podob se vyskytuje v plynném skupenství jako vodní pára. V kapalném skupenství jsou molekuly vody spojeny vodíkovými vazbami do vtších celk (asociát), obsahujících 3 8 molekul vody (Obr. 2.1). H O + H H H O H H O δ+ δ H H O H O H kovalentní vazba vodíková vazba Obr. 2.1 Schéma spojených molekul vody V tuhém skupenství (led) vzniká za normálního tlaku struktura, jejíž opakující se jednotkou je pravidelný tystn. Tato struktura je prostorov náronjší než agregáty v kapalném skupenství, proto má led menší hustotu než voda o teplot 0 C. Pi pechodu z kapalného do pevného skupenství tedy vzrstá objem vody až o 10 %. Se zvyšováním teploty vody od 0 C do cca 4 C se zvyšuje i její hustota. Teprve další rst teploty vede ke snižování hustoty vody, podobn jako tomu je u jiných kapalin. Pi teplot 3,98 C je tedy hustota vody maximální a dosahuje hodnoty 1000 kg m 3. Tento anomální jev má význam pro život ve vod, protože zpsobuje zamrzání vody od hladiny, kde je hustota nižší než v hlubších vrstvách. Teplota tání a teplota varu vody (0 C a 100 C pi tlaku 101,3 kpa) jsou základní body Celsiovy teplotní stupnice. Pro pevod 1 g vody z pevného do kapalného skupenství pi 0 C (skupenské teplo tání) je nutno dodat energii 0,33 kj, pro pevod 1 g vody z kapalného do plynného skupenství pi teplot 100 C (skupenské teplo vypaování) je nutno dodat energii 2,3 kj. Stejná množství tepla se uvolní pi tuhnutí vody nebo kondenzaci páry. Molekuly vody vykazují dipólový moment, nebo polární vazby mezi atomem kyslíku a atomy vodíku svírají úhel 104,5. Z toho vyplývá polární charakter vody a skutenost, že je dobrým rozpouštdlem zejména polárních látek (nap. solí). - 6 (47) -
Voda Otázka k zamyšlení Pro není vhodné chladit nápoje pi teplotách menších než 0 C ve sklenných lahvích? Kontrolní otázka Pi jaké teplot má voda nejvtší hustotu? Úkol 2.1 Nakreslete vertikální rozvrstvení rzn teplých vodních mas (teplotní zonaci) ve vodní nádrži v letním a v zimním období! 2.2 Voda v životním prostedí Množství vody v pírod iní na zemkouli 1337 milionu km 3. Z toho pipadá 97,2 % na vody moí a oceán, které pokrývají více než 70 % zemského povrchu a mají vysoký obsah minerálních látek solí v prmru kolem 30 g l 1. Voda moí a oceán se odpauje do ovzduší, kde kondenzuje, a dopadá na zemský povrch jako voda srážková ve form dešt nebo snhu. Množství srážek bývá od 0 do 2000 mm rok 1 i více (v R kolem 700 mm.rok 1 ) a do znané míry uruje charakter krajiny. Srážková voda dopadající na pevnou zem se ásten odpauje, ásten proniká do podzemí, kde obohacuje zásoby podzemní vody, které mohou vyvrat jako pramenitá voda, a ásten odtéká jako voda povrchová zpt do moí. Uvedený soubor jev nazýváme kolobh vody v pírod. Srážková voda se pi prchodu atmosférou obohacuje kapalnými, tuhými i plynnými látkami obsaženými v ovzduší. Stálou složkou vzduchu je CO 2, který bývá obsažen ve srážkových vodách v koncentracích 0,1 0,3 mmol l 1, a znan zvyšuje jejich agresivní úinek na stavební materiály i na horninové prostedí. Vlivem antropogenní innosti, zejména vlivem exhalací vznikajících pi spalování fosilních paliv, je ovzduší obohacováno oxidem siiitým a oxidy dusíku, pedevším NO 2. Tyto sloueniny jsou píinou tzv. kyselých deš, obsahujících kyselinu sírovou a dusinou, které mohou zpsobit pokles ph až na hodnotu 2,5. Podzemní vody obsahují látky, jimiž se voda obohatila pi prchodu horninovým prostedím. Jsou to pedevším vysoké koncentrace rozpuštných anorganických slouenin, mezi nimiž pevažují soli tvoené kationty sodnými (Na + ), draselnými (K + ), vápenatými (Ca 2+ ) a hoenatými (Mg 2+ ) a anionty hydrogenuhliitanovými (HCO 3 ), chloridovými (Cl ), síranovými (SO 4 2 ) a také dusinanovými (NO 3 ), které se do podzemních vod dostávají pedevším vlivem zemdlské innosti. Jestliže obsah rozpuštných minerálních látek nebo obsah CO 2 pekroí 1000 mg l 1, mluvíme o vodách minerálních. Podzemní vody obsahují obvykle nízké koncentrace organických látek. Teplota podzemních vod je pomrn stálá, vzrstá však s hloubkou, a to cca o 1 C na každých 33 m. Ve stední Evrop je v hloubce 10 m pod zemským povrchem teplota podzemní vody kolem 9,5 C. Podzemní voda s teplotou nad 25 C se nazývá termální. - 7 (47) -
Stavební chemie Modul M04 Povrchové vody vznikají z vod podzemních a srážkových. Obsah rozpuštných anorganických slouenin se pohybuje mezi prmrným složením obou tchto typ vod, jak vyplývá z pehledu v tabulce 2.1. Z minerálních složek vody má velký význam pítomnost hydrogenuhliitan pro jejich tlumivý (zmírující) úinek vi pídavku silných kyselin a zásad. Tabulka 2.1 Obsah anorganických slouenin v rzných typech vod Typ vody Koncentrace minerálních slouenin srážková jednotky až desítky mg l 1 povrchová 200 300 mg l 1 podzemní 300 500 mg l 1 minerální více než 1000 mg l 1 Oproti podzemním vodám obsahují vody povrchové podstatn vyšší koncentrace organických látek. Ty jsou obsaženy v živých organizmech, žijících v tomto prostedí, ve zbytcích jejich odumelých tl i v produktech metabolizmu (látkové výmny). Vzhledem k poetnosti a rznorodosti organických látek se ve vodách stanovuje bu jejich sumární koncentrace, nebo koncentrace urité charakteristické skupiny jako jsou tenzidy, fenoly aj. Z plyn rozpuštných ve vod má mimoádný význam kyslík, který podmiuje život vyšších organizm. Kyslík se dostává do povrchových vod stykem hladiny se vzduchem a je také produktem metabolizmu organizm obsahujících chlorofyl (rostliny). Jeho rozpustnost je závislá pedevším na teplot s jejím rstem se snižuje. Podzemní vody jsou bezkyslíkaté. Pro pemnu látek v pírod, a tedy i ve vodním prostedí, mají rozhodující význam mikroorganizmy, pedevším bakterie. Mnohé z nich získávají energii potebnou pro stavbu svých tl rozkladem organických látek. Probíhá-li rozklad za pítomnosti molekulárního kyslíku, nazýváme tento dj aerobní, probíhá-li v nepítomnosti O 2, nazýváme jej anaerobní. Bakteriální rozklad organických látek za aerobních podmínek je podstatou procesu zvaného samoištní, kterým se povrchové vody zbavují pivedeného zneištní. Z organizm obsahujících chlorofyl mají pro vodní prostedí nejvtší význam asy a sinice, které využívají jako zdroj C pro stavbu svých tl CO 2 a jako zdroj energie slunení záení. Protože CO 2 je bžnou souástí pírodních vod, dochází v letních msících k rozmnožení as a sinic, a tím k negativnímu ovlivnní kvality vody. Uvedený jev se nazývá eutrofizace. Limitujícím faktorem je pro ni pítomnost tzv. biogenních prvk N a P. Otázky k zamyšlení Jak se v pírodním prostedí projevuje vliv kyselých deš? Pro je podzemní voda kvalitnjším zdrojem pitné vody než voda povrchová? Kontrolní otázka Které jsou základní typy pírodních vod? - 8 (47) -
Voda Úkol 2.2 Srovnejte obsah minerálních látek v balených stolních vodách a v minerálních vodách. Všimnte si rzného zastoupení jednotlivých iont. 2.3 Úprava vody pro její použití Voda je používána k rozliným úelm, podle nichž se ídí požadavky na jejich kvalitu. Hlavními oblastmi jejího použití jsou závlahy, spoteba v prmyslové výrob a vlastní spoteba obyvatelstvem. V pitné vod je limitována ada ukazatel chemických, radiologických i biologických. Z chemických ukazatel lze uvést nap. železo, mangan a další tžké kovy, celkovou sumu organických látek, chlorované uhlovodíky, chlorované bifenyly apod. Nejkvalitnjším zdrojem pitné vody jsou vody podzemní, které zpravidla nevyžadují úpravu. V nkterých pípadech obsahují železnaté a manganaté soli, které by se pi rozvodu vody, asto za úasti železitých a manganových bakterií, oxidovaly. Produkty oxidace hydroxid železitý a hydratované oxidy manganito-manganiité by se vyluovaly v potrubí a vedly by k jeho postupnému ucpání. Technologie odstraování tchto kov z vody se nazývají odželezování a odmanganování. Jsou založeny na rychlém vylouení výše uvedených oxidaních produkt a jejich odstranní z vody filtrací. Nkteré vody obsahují vysoké koncentrace oxidu uhliitého, který psobí korozivn na beton a železo. Agresivní CO 2 se z vody odstrauje tzv. odkyselováním, nap. aerací (provzdušováním). Omezené zásoby kvalitních podzemních vod nutí k využívání i vod povrchových. Tyto vody, slouží-li jako zdroj pitné vody, musí být vždy upraveny. Standardním zpsobem úpravy je proces iení pídavkem železité nebo hlinité soli (sírany, chloridy). Železité soli hydrolyzují za vzniku píslušných hydroxid: Fe 3+ + 3 H 2 O Fe(OH) 3 + 3 H + Hydrolýza hlinité soli probíhá analogicky. Vzniklé hydroxidy tvoí vlokovitou sraženinu, která na sebe váže látky obsažené ve vod, pedevším látky tvoící zákal. Separací sraženiny usazováním a filtrací pes pískové filtry se získá irá voda, zbavená do znané míry zneišujících látek, vetn bakterií. Nkteré látky jsou z hygienického hlediska vysoce závadné (chlorované uhlovodíky, nkteré tžké kovy), jiné zhoršují kvalitu vody již v nepatrných koncentracích zápachem (chlorfenoly). Pípustné koncentrace tchto látek jsou velice nízké a iením se asto nedosáhne požadovaného úinku. V tchto pípadech lze zjednat nápravu použitím aktivního uhlí, které mnohé látky, neodstranitelné iením, adsorbuje na svém povrchu. Vzhledem k nákladnosti úpravy je však v tchto pípadech úelné hledat jiný zdroj vody. Pitná voda nesmí obsahovat patogenní mikroorganizmy, což se prokazuje bakteriologickým rozborem. Voda pro veejné zásobování obyvatelstva musí být dezinfikována. Tím jednak dojde k usmrcení zbylých organizm, které se neodstranily v procesu úpravy, jednak se zabrání její sekundární kontaminaci pi - 9 (47) -
Stavební chemie Modul M04 jejím rozvodu ke spotebiteli. Nejobvyklejší dezinfekní látkou používanou ve vodárenství je chlor a jeho sloueniny chlornan a chloraminy. K závlahám, které se uplatují pevážn v aridních oblastech, se používá obvykle povrchová voda bez pedchozí úpravy. Prmyslové podniky, ke kterým je možné piadit i zemdlskou innost s výjimkou rostlinné výroby, používají vodu k rzným úelm, podle nichž se ídí požadavky na její kvalitu. Znané množství vody v prmyslu se spotebuje pro ohev a chlazení. Voda pivádná do kotl (napájecí) nesmí obsahovat ionty Ca 2+ a Mg 2+, které jsou píinou tvorby kotelního kamene, vyluujícího se jako kompaktní hmota (CaCO 3 aj.) na stnách kotle. Pro odstranní uvedených iont z vody (tzv. zmkování) lze použít nap. iontomnie, které vymují ionty Ca 2+ a Mg 2+ za ionty Na +, které kotelní kámen netvoí. Otázka k zamyšlení Kde jste se setkali se vznikem kotelního kamene? Kontrolní otázka Které jsou základní technologie úpravy vody pro pitné úely? 2.4 Odpadní voda a její ištní Voda se po použití stává zmnou svých pvodních vlastností vodou odpadní. Odpadní vody z domácností nazýváme splaškové. K nim patí i odpadní vody podobného charakteru z mstské vybavenosti (školy, ubytovací zaízení aj.). Splaškové vody spolu s prmyslovými a dešovými vodami tvoí mstské odpadní vody. Ty jsou odvádny veejnou kanalizací do vodního recipientu (eka, vodní nádrž). Neištné odpadní vody zpsobují v recipientu následující závady: zanášení dna obsahem nerozpuštných látek vznik podmínek, které vyluují život vyšších organizm, vyerpáním rozpuštného kyslíku zhoršení hygienických vlastností obsahem patogenních mikroorganizm vytváení podmínek pro eutrofizaci zvyšováním obsahu živin (N, P) estetické nedostatky zpsobené hrubými neistotami a pachové potíže díky probíhajícím hnilobným procesm. Prmyslové odpadní vody mohou vést k dalším závadám: kontaminaci toxickými látkami nepípustné okyselení nebo alkalizování vody extrémní oteplení vody aj. Z tchto dvod je nutné odpadní vody ped vypouštním do recipientu istit. Mstské odpadní vody se istí v mstských istírnách odpadních vod (OV), prmyslové vody v prmyslových istírnách, které jsou nezbytné i pro jejich - 10 (47) -
Voda pedištní ped vypouštním do veejné kanalizace, pokud obsahují látky, které by narušovaly procesy probíhající na mstské OV. ištní mstských odpadních vod spoívá v odstranní hrubých neistot na eslích (míže, pes které se voda filtruje), písku v lapaích písku a suspendovaných látek v usazovacích nádržích. Dále následuje biologické ištní, které probíhá na stejném principu jako aerobní samoisticí procesy, v OV je však intenzifikováno. V biologické isticí jednotce se trvale udržuje vysoká koncentrace bakterií, které využívají organické látky obsažené v odpadní vod jako substrát (zdroj živin), a tím je z vody odstraují. Aerobní podmínky se v zaízení udržují nap. dmýcháním vzduchu. Pi vhodném uspo- ádání lze v rámci biologického ištní z vody krom organických látek odstranit i dusík a fosfor, a tak zamezit nežádoucí eutrofizaci. Biologický kal (bakterie) se od vyištné vody separuje usazováním v tzv. dosazovací nádrži. Vyištná voda se vypouští do recipientu. Kal, vznikající v mechanickém i biologickém stupni ištní, je závadný pedevším pro svj obsah organické hmoty, která podléhá hnilobnému rozkladu. Proto se dále zpracovává stabilizuje. Nejastjším zpsobem stabilizace je metanizace, pi níž je kal v metanizaní (vyhnívací) nádrži podroben anaerobnímu mikrobiálnímu rozkladu. V prbhu metanizace je asi polovina organické hmoty pemnna na bioplyn (sms metanu a oxidu uhliitého). Ten lze na OV využít jako zdroj energie. Stabilizovaný kal je odvodnn a odvážen ke konenému zpracování (využití jako hnojivo v zemdlství, spalování, uložení na skládku). Prmyslové odpadní vody vyžadují podle svého složení speciální zpsoby ištní s uplatnním fyzikáln-chemických proces jako je neutralizace, srážení, adsorpce, filtrace aj. Nkteré vody s organickým zneištním (nap. potravináské) lze istit podobn jako mstské odpadní vody. Kontrolní otázky Z jakých krok je složen proces ištní mstských odpadních vod? Co je smyslem stabilizace istírenského kalu? 2.5 Voda ve stavebnictví Cement je z chemického hlediska sms rzných hlinitan a kemiitan vápenatých. Jejich stálost je dána rovnováhou s Ca(OH) 2. Snižování obsahu Ca(OH) 2 vede k rozkladu hlinitan a kemiitan vápenatých a beton ztrácí svou pevnost. Proto je agresivní psobení jednotlivých složek vody spojeno pedevším s látkami reagujícími s hydroxidem vápenatým. Voda je nezbytnou souástí pi výrob betonu, nebo je nutná pro dosažení hydratace cementu. Voda používaná pro pípravu erstvého betonu se nazývá zámsová a voda používaná k ošetení (ovlhení) betonu pi jeho tvrdnutí se nazývá ošetovací. V souhrnu se jedná o tzv. betonáskou vodu. Požadavky na její kvalitu specifikuje SN EN 1008 Zámsová voda do betonu. Je v ní omezena koncentrace látek, které mohou zabraovat hydrataci cementu nebo snižovat pevnost betonu. Ze stanovených ukazatel lze uvést nap. ph, chloridy, sírany, tenzidy aj. Významné jsou zejména huminové látky, vyskytující se ve - 11 (47) -
Stavební chemie Modul M04 zvýšených koncentracích ve vodách z rašeliniš a snižující pevnost betonu tím, že vážou vápník do komplexních slouenin. Náporové vody picházejí do styku s hotovou stavební konstrukcí. Jejich korozivní psobení závisí na typu a koncentraci agresivních látek, teplot, zpsobu kontaktu (voda stagnující nebo proudící), hydrostatickém tlaku vody, odolnosti betonu a stavu jeho povrchu. K tomuto typu vod patí: vody s nízkým obsahem minerálních látek (tzv. hladové) vyluhují rozpustné složky betonu, pedevším hydroxid vápenatý; kyselé vody volné minerální nebo organické kyseliny neutralizují hydroxid vápenatý; vody obsahující agresivní oxid uhliitý (pedevším podzemní vody picházející do styku s betonovými základy) CO 2 reaguje s Ca(OH) 2 za vzniku rozpustného hydrogenuhliitanu vápenatého: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 síranové vody sírany reagují s hydroxidem vápenatým za vzniku Ca- SO 4 2H 2 O, který následn reaguje se sloueninami hliníku za vzniku hydratované sloueniny zvané ettringit, která pi krystalizaci znan nabývá na objemu a krystalizaním tlakem zpsobuje poruchy betonu: 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O + 3CaSO 4 2H 2 O + 19 H 2 O 3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 31H 2 O vody s vyšší koncentrací hoíku hoík reaguje s Ca(OH) 2 za vzniku málo rozpustného Mg(OH) 2 : Mg 2+ + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + Ca 2+ vody s vyšším obsahem amoniakálního dusíku, který reaguje s Ca(OH) 2 : Ca(OH) 2 + 2 NH 4+ Ca 2+ + 2 NH 3 + 2 H 2 O vody obsahující sulfan (H 2 S), který se biochemicky oxiduje na kyselinu sírovou a zpsobuje korozi betonových stok; vody siln alkalické, jejichž psobením pechází kemiitany a hlinitany vápenaté, nap. CaSiO 3 na rozpustnjší sloueniny, které se snáze vyluhují: CaSiO 3 + 2 NaOH Ca(OH) 2 + Na 2 SiO 3 Kontrolní otázky Které složky vody mohou psobit agresivn na beton? Co je to hladová voda? - 12 (47) -
Voda 2.6 Autotest 1. Co je to iení? a) technologie sloužící k odstranní zákalu z podzemních vod b) technologie sloužící k odstranní zákalu z povrchových vod c) proces úpravy vody využívající hydrolýzy železitých a hlinitých solí d) odstraování železa a manganu z podzemních vod 2. Metanizace: a) je proces aerobní stabilizace kalu b) je anaerobní mikrobiální rozklad organické hmoty kalu c) je proces, pi kterém vzniká bioplyn d) je základní metodou stabilizace istírenského kalu 3. Na beton psobí agresivn: a) hoík, sulfan, sírany, amoniakální dusík b) nízké ph, sulfan, sírany, dusinanový dusík c) hoík, agresivní oxid uhliitý, organické látky, sírany d) sulfan, agresivní oxid uhliitý, huminové látky, hydroxid vápenatý. - 13 (47) -
Stavební chemie Modul M04 3 Vzduch a ovzduší Cíl kapitoly: V této kapitole se dozvíme o jednotlivých složkách atmosféry, o zneišujících látkách a o jejich agresivním psobení na stavební materiály. Klíová slova: atmosféra, plynné exhalace, aerosol, smog, koagulace 3.1 Složení atmosféry Plynný obal zemkoule tvoí ovzduší (atmosféru), sahající do výše asi 300 km. S rostoucí vzdáleností od zem se jeho hustota snižuje. Vzduch je smsí plyn, obsahuje však i látky v jiných skupenstvích. Suchý vzduch má v nižších vrstvách atmosféry složení v objemových procentech: N 2 78,09, O 2 20,94, Ar 0,93 a CO 2 0,038 %. Atmosférický vzduch obsahuje i promnlivé množství vodní páry, zpravidla od 1 do 3 %. Dále vzduch obsahuje látky o velice nízké koncentraci (mikrokomponenty), nap. vzácné plyny, oxid uhliitý a ozon. Z tchto látek má zvláštní význam ozon, který se vyskytuje ve zvýšených koncentracích v horních vrstvách atmosféry. Ozon absorbuje ultrafialové záení, škodlivé pro organizmy, a vytváí tak ochranný obal kolem zemkoule. Zachování ozonové vrstvy, k jejímuž poškozování dochází vlivem nkterých exhalací (nap. freony chlorofluorované uhlovodíky), má proto zásadní význam pro další existenci života na naší planet. Kontrolní otázka Který plyn pevažuje v atmosfée? Jaký je obsah oxidu uhliitého ve vzduchu? 3.2 Plynné exhalace Lidskou inností se do ovzduší dostávají látky, zpsobující ve zvýšených koncentracích celkové poškození biosféry a zdravotní problémy lidské populace v takto zasaženém regionu. Ponvadž lovk vdechne za den asi 15 kg vzduchu, mohou i nepatrné koncentrace nkteré z jeho složek znamenat nezanedbatelný pívod do lidského organizmu. Zneišující látky ve vzduchu lze dlit podle skupenství na plynné, kapalné a tuhé. Z plynných látek patí k nejzávažnjším složkám zneištní ovzduší oxid siiitý (SO 2 ), který je u nás hlavní píinou plošné devastace les, dále pak oxidy dusíku, oxid uhelnatý a uhlovodíky. Jejich nejvyšší pípustné koncentrace jsou uvedeny v tabulce 3.1 (v mg m 3 pi 0 C a 101,3 kpa). Hlavním zdrojem SO 2 v ovzduší je spalování fosilních paliv, obsahujících 1 až 10 % S, z níž je 85 až 95 % uvolováno jako SO 2. Nejvíce SO 2 je exhalováno do ovzduší tepelnými elektrárnami spalujícími uhlí. K tomu pispívají další zdroje, jako jsou domácnosti vytápné uhlím, výroba kyseliny sírové, pražení sirných rud, rafinerie ropy aj. Oxid siiitý je zvolna oxidován na SO 3, který hydratuje na H 2 SO 4. Rychlost této oxidace závisí na ad faktor, jako je teplota a vlhkost vzduchu - 14 (47) -
Vzduch a ovzduší i pítomnost dalších látek, které proces urychlují. Z uvedeného dvodu setrvává SO 2 v ovzduší obvykle 2 až 7 dn. Pi nedostatených rozptylových podmínkách dosahuje jeho koncentrace v ovzduší exponovaných oblastí (blízkost tepelných elektráren) hodnoty pevyšující povolené limity. Tabulka 3.1 Nejvyšší pípustné koncentrace škodlivin v ovzduší škodlivina krátkodobé psobení (30 min) denní prmr SO 2 0,5 0,15 CO 6 1,0 NO x (jako NO 2 ) 0,3 0,1 benzen 2,4 0,8 Pozn. Benzen byl zvolen jako asto se vyskytující zástupce uhlovodík. Z dusíkatých slouenin je v ovzduší nejzávažnjší oxid dusnatý (NO) a oxid dusiitý (NO 2 ). První vzniká pímým slouením prvk pi teplotách nad 1000 C. V pítomnosti O 2 se rychle oxiduje na NO 2, který pi vtších koncentracích tvoí hndé dýmy (exhaláty prmyslových závod) a rozpouští se ve vod na kyselinu dusinou HNO 3. Koncentrace tchto oxid (oznaených NO x ) v ovzduší se vyjaduje pepotem na NO 2. Zdrojem oxid dusíku jsou pedevším motorová vozidla. Další exhalace pocházejí z tepelných elektráren, tepláren, spaloven odpad a z výrobních proces (výroba kyseliny dusiné, hnojiv, skla, cementu aj.). Oxidy dusíku vznikají i pi elektrických výbojích v atmosfée. istý vzduch jich obsahuje cca 8 g m 3. Ve velkomstech iní exhalace NO x vlivem motorových vozidel až desítky t km 2 za rok. Produktem nedokonalého spalování je oxid uhelnatý, který je krevním jedem, nebo se váže na krevní barvivo (hemoglobin) a blokuje tím jeho funkci penašee kyslíku. Ve výfukových plynech zážehových motor je kolem 4,0 % CO. Jeho dalšími zdroji jsou emise topeniš. V ovzduší dochází k jeho pozvolné oxidaci na CO 2. Proces je však pomalý, takže ke snížení koncentrace CO na polovinu dochází ádov za msíce až roky. V místech velkého provozu motorových vozidel mohou dosahovat koncentrace CO v ovzduší 100 mg m 3 i více. Oxid uhliitý vzniká dokonalým spalováním uhlíku nebo organických látek. Vzniká také mikrobiálním rozkladem organických slouenin a je vydechován živoichy. Rostliny jej využívají k syntéze své organické hmoty, a tím významn pispívají k jeho odstraování z ovzduší. Pesto se vlivem lidské innosti jeho obsah v atmosfée zvolna zvyšuje. V roce 1900 byl 522 mg m 3, sou- asná koncentrace je kolem 726 mg m 3. CO 2 patí mezi tzv. skleníkové plyny (vedle vodní páry, metanu aj.), protože zabrauje vyzaování tepelné energie zemským povrchem do volného mezihvzdného prostoru a je tak významným regulátorem teploty zemského povrchu. Ze zvyšování obsahu skleníkových plyn v atmosfée se vyvozuje nebezpeí zvýšení teploty Zem a z toho vyplývající globální zmny klimatu. Další složkou atmosféry jsou uhlovodíky, z nichž pevažuje metan jako produkt anaerobního rozkladu organické hmoty. Jeho koncentrace v ovzduší bývá kolem 1 mg m 3. Závažnjší jsou vyšší uhlovodíky, vyskytující se ve výfukových plynech spalovacích motor (penteny a hexeny) a unikající i odparem - 15 (47) -
Stavební chemie Modul M04 z vozidel. Odhaduje se, že až 5 % prodaného benzinu se tak dostává do ovzduší. Emise uhlovodík ve velkomstech iní 10 20 t km 2 za rok. ást z nich pechází v pítomnosti oxid dusíku a svtla na polymery, které vytváejí centra pro vznik kondenzaního vzdušného aerosolu (viz níže). Kontrolní otázky Jaké jsou zdroje oxid síry a dusíku v ovzduší? Co je to skleníkový efekt? 3.3 Aerosoly Významnou složkou ovzduší jsou kapalné a tuhé látky velikosti makromolekul až makroskopických prachových nebo pískových ástic od 10 4 do 10 3 m. Jejich pvod mže být pirozený (zvíený prach, moské soli, vulkanické ástice), nebo umlý (vliv lidské innosti). Nazývají se aerosoly. Jsou-li kapalné konzistence, tvoí mlhy, jsou-li tvoeny tuhými látkami, tvoí prach nebo dým. Pi pesycení vodními párami dochází na tuhých ásticích ke kondenzaci za vzniku mlhy. Takto se uplatují zejména ástice velikosti pod 0,1 m, které mohou mít i elektrický náboj. Ze vzdušného aerosolu, tvoeného pevážn ásticemi polymerizovaných uhlovodík, tímto procesem vzniká smog. Zdrojem tuhých ástic v ovzduší jsou spalovací procesy, pi nichž dochází k úletu popílku (kotelny, spalovny) a výrobní procesy, jako výroba cementu, hutní a metalurgické závody, jejichž exhalované ástice obsahují tžké kovy a další zneišující látky. K závažným tuhým aerosolm patí živé organizmy, pyl rostlin o velikosti 10 až 50 m (u jehlinan až 120 m), zpsobující alergie a také viry obsažené v kapalných i tuhých aerosolech. Jejich velikost je 0,01 až 0,25 m a jsou pvodci ady onemocnní (chipka, rýma, spalniky, neštovice aj.). Také bakterie, jejichž velikost je od 0,2 do 60 m, mohou být nositeli závažných onemocnní (stafylokokové a streptokokové plicní infekce, záškrt, erný kašel), i když vedle mnoha bakteriálních druh, majících zásadní význam v kolobhu látek v pírod, je patogen jen omezený poet. V istém venkovském vzduchu se poet všech bakterií pohybuje mezi 30 až 100 v 1 m 3, ve mstech se poet zvyšuje na 100 až 1000 v 1 m 3. Látky tvoící aerosoly jsou z ovzduší odstraovány pomocí sedimentace a koagulace. Zatímco koagulace pevládá u ástic do velikosti 0,1 m, sedimentace se uplatuje u ástic vtších, pípadn vzniklých procesem koagulace. K odstraování ástic z ovzduší dochází v prbhu dešových srážek, které vymývají také aerosoly tvoené kapénkami roztoku H 2 SO 4, HNO 3 nebo jinými látkami. Kontrolní otázky Co je to aerosol? Jaké látky tvoí ve vzduchu aerosoly? - 16 (47) -
Vzduch a ovzduší 3.4 Ochrana ovzduší Cestou k omezení výskytu nežádoucích složek zneištní ovzduší je instalování zaízení pro ištní exhalát nebo zrušení provozu jejich producent, pípadn náhrada za dokonalejší systémy. V makromítku se jedná pedevším o zachycení pevných ástic (popílku) a SO 2 v kouových plynech, zejména tepelných elektráren. 3.5 Autotest 1. Ozonová vrstva: a) absorbuje škodlivé ultrafialové záení b) se tvoí únikem exhalací pi spalování fosilních paliv c) je vrstva ozonu tsn nad povrchem Zem d) je poškozována exhalacemi freon 2. Oxid siiitý: a) je bžnou složkou atmosféry b) se do ovzduší dostává spalováním fosilních paliv c) je využíván rostlinami pi syntéze biomasy d) pechází v atmosfée až na kyselinu sírovou a je jednou z píin tzv. kyselých deš 3. Jak vzniká smog? a) únikem mikroorganizm do ovzduší b) psobením dešt na aerosol ve vzduchu c) kondenzací vodní páry na ásticích polymerizovaných uhlovodík d) z aerosol v suchém vzduchu pi náhlém poklesu tlaku - 17 (47) -
Stavební chemie Modul M04 4 Devo a celulóza Cíl kapitoly: V této kapitole se seznámíte s nejpoužívanjším pírodním organickým stavebním materiálem, jímž je devo. Po seznámení s kapitolou budete znát chemickou podstatu deva, jeho znehodnocující initele a ochranu proti nim. Klíová slova: sacharidy, celulóza, lignin, plastifikaní písady, ochrana 4.1 Chemické složení deva Devo je pírodní heterogenní materiál, který obsahuje v prmru 49 % uhlíku, 44 % kyslíku a 6 % vodíku. Tyto prvky se podílejí na struktue hlavních složek deva. Krom tchto základních prvk je ve dev obsažen dusík (do 1 %) a malé množství anorganických prvk, které po spálení tvoí popel. Devo je tvoeno hlavními a doprovodnými složkami: hlavní složky (90 až 98 %), které tvoí strukturu bunných stn a mezibunnou hmotu, se dlí na sacharidickou ást 70 % (celulóza 43 až 52 %, hemicelulózy 20 až 35 %) aromatickou ást 20 až 30 % (lignin) doprovodné složky (2 až 10 %) organické (smoly, organické kyseliny, alkoholy, bílkoviny, chinony, taniny, alkaloidy, terpenoidy, fenoly, flavony) anorganické (Ca 2+, K +, Mg 2+, PO 4 3, SiO 3 2, CO 3 2 ). Sacharidy (glycidy, cukry) jsou jedny z nejrozšíenjších pírodních látek. Dlíme je na : jednoduché (monosacharidy) obecného složení C n H 2n O n, kde n je celé íslo 2 až 7, nejastji však 5 (pentózy) a 6 (hexózy). Na každém uhlíku je vázaná skupina OH nebo =O. Strukturu molekuly sacharidu lze vyjádit lineárním nebo cyklickým vzorcem, druhý lépe vystihuje skutenost. Píkladem je teba vzorec glukózy: H HO H H H O CH 3 OH H OH OH H OH CH 2 OH H OH H O H OH H OH lineární cyklický - 18 (47) -
Devo a celulóza Dalšími jednoduchými sacharidy jsou ribóza, fruktóza, galaktóza aj. Jednoduché cukry jsou v odborné literatue uvádny jako velmi úinné písady zpomalující tuhnutí cementu. Již množství 0,2 % z hmotnosti cementu znan ovlivuje rychlost hydratace cementu a pi vyšších koncentracích se rychlost hydrataní reakce zcela zastaví. složené vznikají etzením molekul jednoduchých sacharid. Ze dvou molekul monosacharidu vznikají disacharidy (sacharóza, maltóza), etzením vtšího potu molekul pak vznikají polysacharidy (škrob, celulóza), mající polymerní charakter. Vazba mezi jednotlivými molekulami monosacharid je uskutenna prostednictvím kyslíkových mstk. CH 2 OH O H H H H H O HO OH Úkol 4.1 Pokuste se na základ uvedených obrázk nakreslit polysacharidový etzec. Sacharidy vznikají v pírod v rostlinách biochemickým procesem, který se nazývá fotosyntéza. V tomto procesu se oxid uhliitý a voda, za pomoci viditelného záení a chlorofylu, biochemickou cestou mní na sacharidy a kyslík. záení 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 chlorofyl Celulóza je podstatou podprné tkán rostlin. Tento polysacharid je složen z opakujících se jednotek β-d-glukopyranózy. Délka etzce je rzná, obvykle je na sebe navázáno 8000 až 10 000 jednotek. etzce celulózy jsou vzájemn spojeny vodíkovými mstky, které jsou píinou odolnosti celulózy proti psobení vody a rozpouštdel. Celulóza se tedy nerozpouští v bžných rozpouštdlech, psobením silných kyselin a zásad podléhá hydrolýze. Ester celulózy a kyseliny dusiné se nazývá nitrocelulóza, která se vyznauje transparencí, vysokou rázovou houževnatostí a odolností proti vzniku trhlin pod naptím. Vlastnosti nitrocelulózy jsou dány obsahem dusíku a molekulovou hmotností. Nitrocelulóza se používá na výrobu celuloidu, nátrových hmot a lepidel. Psobením alkalických hydroxid pechází v alkalicelulózu. Její reakcí s alkylhalogenidy (CH 3 Cl, C 2 H 5 Cl apod.) Cel ONa + ClCH 3 Cel ONa + ClC 2 H 5 Cel OCH 3 + NaCl Cel OC 2 H 5 + NaCl vznikají étery celulózy (metylcelulóza, etylcelulóza apod.). Dnes se z éter nejvíce vyrábí karboxymetylcelulóza, - 19 (47) -
Stavební chemie Modul M04 Cel ONa + ClCH 2 COONa Cel OCH 2 COONa + NaCl, která váže fyzikáln vodu, což má vliv na zpracovatelnost maltovinových smsí a beton. Používají se ve stavebnictví do prefabrikovaných omítkových smsí a speciálních kompozit. Celulózová vlákna se ve stavebnictví používají jako rozptýlená výztuž do deskových materiál s cementovou nebo vápenokemiitou matricí. Slouží také jako obtovaná vrstva pro odsolování zasoleného zdiva nebo stavebního kamene. Hemicelulózy jsou lineární polysacharidy s etzcem kratším, než je u celulózy (150 až 250 jednotek monomer). Hemicelulózy obsahují molekuly rzných monosacharid a mají tedy heterogenní stavbu. Lignin je polymerní látkou aromatického charakteru, základní stavební jednotkou je fenylpropan, který má atomy vodíku na jáde i v postranním etzci substituovány skupinami OH, OCH 3 a CHO. Ve dev je lignin spojen s polysacharidovými etzci celulózy a hemicelulóza je uložena pevážn v mezibunné hmot. Lignin zvyšuje tlakovou pevnost deva a jeho odolnost. Pi zpracování deva na celulózu se uvoluje ve form ligninsulfonanu sodného, který je rozpustný ve vod a používá se jako plastifikaní písada do betonových smsí. Plastifikaní písady jsou látky, které již v malých dávkách (0,05 až 1 %) znateln ovlivují zpracovatelnost betonu. Psobení plastifikaních písad spo- ívá ve snížení povrchového naptí vody, a tím dokonalejšího smáení povrchu cementových zrn. Tím dochází ke zlepšení zpracovatelnosti betonové smsi pi zachování stejného vodního souinitele. Kontrolní otázky Jakou funkci mají étery celulózy ve stavebnictví. K emu se používají plastifikaní písady a jaká je jejich chemická postata? 4.2 Znehodnocující initelé deva a ochrana proti nim Znehodnocující initele deva dlíme na: biotické (bakterie, houby, hmyz) abiotické (povtrnostní vlivy zmny teploty, vlhkost, slunení záení, chemická koroze, ohe, mechanické opotebení). Biotické poškození deva zpsobují: Bakterie mají malý vliv na degradaci deva v porovnání s houbami a hmyzem. Napadají hemicelulózy a celulózu, lignin je proti jejich psobení odolný. Proces rozkladu mže probíhat ve dev uloženém na vzduchu, pak na nj psobí bakterie aerobní, nebo ve dev uloženém ve vod, kde se uplatní bakterie anaerobní. Pro bakterie je výhodné, pokud je již devo napadeno devokaznými houbami, protože houby zpsobují rozklad polymer na nízkomolekulární látky, které jsou vhodnou potravou pro bakterie. Houby jsou významným initelem poškozujícím devo. Ke svému rstu potebují vhodnou kombinaci vlhkosti (nad 30 %) a teploty (20 až 25 C). Houby - 20 (47) -