Солените експерименти на кмета

Преди дни кметът на София Йорданка Фандъкова обяви чрез вестник 24 часа, че предстои да се направи изследователски експеримент, при който малка тестова площ ще бъде пръскана с воден разтвор на натриев хлорид. Цели се да се установи колко ефективен е този метод за предпазване от заледяване през студените периоди. Кметът стана за смях в интернет, защото опитът да демонстрира ангажираност по проблема не бе разбран от обществото. Как биха могли да го разберат при положение, че в България сол с/без пясък е изпитана рецепта, която се прилага от години? Единственото предимство е, че солевите разтоври се нанасят по-равномерно и еднородно, но всички останали негативни ефекти си остават.

Това, което трябва да е ясно на всички е, че що се отнася до справянето със заледеяването, то превенцията е изключително по-евтина от последващото премахване на вече образуван лед. Това може да се случи чрез различни химични (разпръскване на хлоридни или ацетатни съединения), механични или температурни методи. Хвърлянето на сол си остава най-популярният метод за превантивно третиране на пътища. Това е така, защото е и най-евтин или поне привидно, защото последствията от тази практика са убийствени (1).

Повечето химични агенти (и солта, натриевият хлорид) действат по един и същи начин. Водата замръзва при 0°C, а при по-високи температури ледът се превръща във вода. Този процес се нарича конгруентно топене. Разпръскването на химични агенти през зимата води до неконгруентно топене, при което повърхността на леда се пръска с конкретно вещество, при което се образува градиент на химичен потенциал. За да се премахне градиентът между двете фази, ледът се топи до изравняване. Тези превантивни съединения правят образуването на лед по-трудно.

NaCl

Изхвърлянето на тонове натриев хлорид всяка зима е изключително опасно за околната среда, за самата инфраструктура и за превозните средства. По правило всяко освобождавано съединение (без значение „природни или синтетично“ е) в околната среда от хората се смята за ксенобиотик – замърсител с повишена концентрация.

Почвата e хетерогенен слой, който съдържа голямо количество органична материя. Този слой има отрицателен повърхностен заряд. Този отрицателен заряд се неутрализира от положително заредени йони (катиони). Формираната връзка е слабо електростатично привличане, което е подобно на това на магнитите. Това означава, че катионите практически могат да преминават от повърхността в дълбочина и обратно, а това прави тези вещества по-лесни за усвояване от растенията. Изливането на огромни количества сол в почвата води до изтичане на тези важни вещества от нея, което се отразява пагубно върху растенията. Причината е, че натрият в солта, който е в огромни количества, става основен конкурент за неутрализиране на въпросния отрицателен потенциал. Натрият редуцира и увяването на амониеви и нитратни йони – основни форми на азот, които се усвояват от растенията. Доказано е, че именно поради наличната сол се наблюдава до 75% редукция в количествата на обменяеми азотни съединения. Почвата става бедна на азот, а растенията не могат да се развиват в нея (2).

Едно от популярните мнения (ако въобще някой се е запитвал какво се случва с тоновете изхвърлена сол) е, че тези вещества просто се отмиват от голите улици и директно отиват в близките реки, езера, язовири или морета, което всъщност също не е добра алтернатива. В реалност обаче солта си остава до нас на близко разстояние – в подпочвените води (3, 4). Хлоридни съединения се откриват естествено във водите (10 мг/л), но е открито, че в подпочвените води в непосредствена близост от големи градове количеството на тези съединения може да достигне до 250 мг/л. В канадския град Торонто годишно се изхвърлят над 100 000 тона натриев хлорид, което води до покачване на нивата на хлориди във водата до 1400 мг/л (4). Количествата на хлоридни съединения се покачва значително в подпочвени, повърхностни, питейни и всякакви други видове води, чиито естествени находища се намират в близост до местоположения, които се третират усилиено със сол.

Разпръскването на сол и на солни разтвори е пагубно и за намиращата се в близост растителност. Листата покафеняват (5), преждевременно окапват (6), възможностите за регенерация се ограничават, а смъртността се увеличава (7). Високото солево съдържание в почвата увеличава нейния осмотичен потенциал, а това увеличава и осмотичното налягане върху растенията, което означава, че те буквално биват изсмуквани от водното си съдържание. Това ги затруднява и да усвояват вода и разтворените в нея вещества от почвата. Натрият заменя някои важни вещества (катиони) от почвата (поради конкуренция), което отново е пагубно за растението – калций, магнезий и други. Създават се дефицити. Натриевите и хлорни йони могат да се натрупат във всички тъкани на растението, а тяхната висока концентрация може да доведе до сериозни изгаряния и отново смърт на растението (7). Като цяло подобен изкуствено създаден фактор нарушава екологията, защото докато солта убива някои видове растения, тя създава условия за поява на халофилни, устойчиви на високо осмотично налягане видове, които са чужди за конкретния ареал.

Животинското разнообразие също е застрашено до известна степен. Смята се, че в най-голяма опасност се намират земноводните видове (амфибии), защото тяхната кожа е изключително нежна и полупропусклива. Високо солево замърсяване би нарушило тяхната осмотична регулация и дишането. Техният жизнен цикъл преминава и във водата, и на сушата. Още дори при самото ембрионално развитие на тези видове би настъпило увреждане, тъй като ембрионът обменя изключително интензивно вода с околната среда, а при високо осмотично налягане това би било затруднено. Ако това не доведе до смърт, то появата на увреждания е сигурно (8).

Бозайниците също са застрашени до известна степен. Много видове (включително и птици, които не са бозайници) поради своята растителна диета страдат от липса на натрий. Те изпитват солеви глад, който за да бъде задоволен, може да бъдат привлечени от високото солево съдържание в близост до градовете. Доказано е, че това е фактор, който води до повишен брой инциденти на пътя с животни, както и по-често им отравяне (10). В Канада е установено, че някои лосове увеличават ареала си на обитание, за да включват в него замърсени местности със сол, които се намират в близост да главни пътища, които се обработват с натриев хлорид. Това увеличава двукратно рисковете от инциденти (10, 11).

Използването на подобни материали е опасно и за хората. Установено е, че разпространението на сол, пясък и луга увеличава концентрацията на фини прахови частици, което е недопустимо при положение, че големи градове (като София) се опитват да се справят с мръсния въздух.

Корозия, причинена от сол

Влияние върху колите

Повечето хора не се интересуват за влиянието на този метод на превенция на образуването на лед, а по-скоро как той влияе върху личната им собственост – върху колите. Корозията при колите доказано е най-видимият ефект от разпръскването на сол. Автомобилите, които се използват основно в пояси с ниски температури и високо ледообразуване, страдат много по-често от галванична корозия и перфорация на броня, капаци, метални панели и различни други части на колите. Щети се нанасят дори на някои не толкова лесно видими места и дори на спирачната система, което е опасно (12). Интересното е, че този натиск е довел производителите на коли да прилагат мерки за справяне със ситуацията и влагане на повече пластмасови елементи, елементи от неръждаема стомана, алуминий и други, което вероятно се отразява и върху цената. Трудно е да се  направят точни сметки колко скъпо струва корозията на хората, но в САЩ са изчислили, че годишно хората плащат по 22.4 милиарда $ за премахване на подобни увреждания (13).

Как солта уврежда инфраструктурата

Пътна инфраструктура

Използваната сол уврежда дори и бетонните структури и най-вече пътните съоръжения  – мостове, виадукти, колони и подобни. Циментът е композит, чиято матрица е високо порьозна. Самите структури допълнително се подсилват и с дебели метални прътове – арматура. Често технологично тези пори се запълват с концентриран разтвор на калций и силикати. Този разтвор прави циментовата структура по-здрава и създава една алкална среда, която създава и пасивна защита на арматурата – около нея се образува слой от железен оксид, който защитава металите от корозия (14). Атмосферните условия и температурните вариации водят до постоянно свиване и разширяване на циментните структури, което бавно премахва защитния слой. Това дава възможност в порите да навлезе солеви разтвор, който да причини опасна корозия на пътните съоръжения.

Алтернативи

Разбира се съществуват и други алтернативи на използваната сол, но както вече стана ясно те са и по-скъпи.

Калциево-магнезиевият ацетат (CMA) се използва като алтернатива, която цели да се редуцира поне корозията. Цената на това съединение варира между 600 и 1200$ за тон, което го прави поне 10 пъти по-скъпа алтернатива (15). CMA е по-ефективен от солта. Доказано е, че е нужно да се нанася по веднъж на 12 часа, докато сол трябва да се нанася поне 3 пъти в денонощието. CMA е ефективен и при значително по-ниски температури. Положителното е, че ацетатният йон в CMA е широко разпространен в околната среда и се разгражда бързо от микроорганизмите в почвата. Влиянието на CMA върху водните източници е пренебрежително и замърсявания не се наблюдават (16). Единственият проблем е, че при засилен бактериален метаболизъм на ацетат, бактериите ще консумират много повече разтворен кислород, а това може да намали застрашително (за растенията най-вече) неговите количества. Съединението се смята за напълно безопасно за растения и животни (17).

Използването калциев и магнезиев хлорид не се различава особено спрямо натриевият хлорид. Наблюдаваните ефекти са идентични, макар да се смята, че тези две съединения не са толкова опасни за биосферата и околната среда.

Алтернативи за справянето с този зимен проблем винаги има, но те са свързани с повече инвестиции и труд. Но ако искаш нещо качествено и редуцирани рискове, компромиси не трябва да се правят.

Една от проучваните алтернативи е вграждането в инфраструктурата на различни топлоизточници. Съществуват проекти за използване на геотермални ресурси, което изключва поддържането на външен източник на топлина. Друг вариант е вграждане на тръби, които са пълни с течност, която се нагрява от външен източник. Третият вариант е вграждане на електрически нагреватели. Тези топлинни методи едва ли някога ще бъдат приложени в България поради високи цени, нужда от поддръжка и трудното инсталиране, но поне наистина застрашават по-малко околната среда и човешкото здраве (18).

Съществува дори алтернатива, която е вдъхновена от биологични модели. Установено е, че ако се затвори въздушна среда в настилка със суперхидрофобна повърхност, наблюдава се отслабване при взаимодействието между повърхността и водата, което позволява периодично премахване на попаднала и кондензирана вода преди тя да замръзне. Но дори да се формира лед, адхезията му (прикрепянето за повърхността) е силно редуцирана, което го прави и по-лесен за премахване. Самият лед може да се премахне дори под действието на своята тежест или благодарение на силата на вятъра. Но отново това е висока технология, която едва ли ще се приложи при строежа на нашите пътища (19).

Когато се говори за виенски модели и системи за справяне с проблема, хубаво е да се погледне и системата на Минесота, САЩ. Компетентните органи там са инсталирали на някои от най-застрашените от заледяване съоръжения автоматична превантивна система. Тя се състои от локални съдове за съхранение на солеви разтвори, помпи, система за пръскане и разпространение на разтвора, огромен централен съд за съхранение на разтворите, сензори и контролен компютър. Като противозаледяващ разтвор се използва калиев ацетат. Сензорите измерват повърхностната и въздушната температура, както и влажност. Системата позволява много точно да се определя кога да се пръска с разтвора, което предотвратява заледяване и редуцира използваните обеми. Пръскане само когато е необходимо. Докладите показват, че още при първата година от експлоатация броят на пътните произшествия е бил редуциран с цели 68%. Но отново такава система едва ли би била приложена в България, макар тя да би обезсмислила поддържането на скъп автопарк или изсипването на промишлени количества сол в околната среда. Докато тази система интелигентно определя кога трябва да се пръска с разтвора и го прави автоматизирано, то в България се изсипват количества сол без ясна преценка и представа кога и колко е нужно. По-добре да има много, отколкото да няма (20).

 Ангажираността на кмета и желанието за прилагане на чуждестранни модели в зимните обстановки не показва загриженост. По-скоро се търси как да се докаже ефективността на вече установени практики в държавата. Ако се каже, че методът се използва в Австрия или Германия, ще се постигне някаква достоверност. Ако “сол” се замени с “натриев хлорид”, ще се звучи и малко по-научно, по-сериозно. Очевидно желание за промяна и иновации няма. Алтернативи има, но никой не се старае да ги проучи. Дори не се показва някаква сериозна заинтересованост по проблема, а настоящият модел е пагубен за:

– здравето на хората.

– за екологията.

– за биосферата.

– за инфраструктурата.

– за автомобилите.

Цитирана литература:

1)      Adirondack Council. 2009. Low sodium diet: curbing New York’s appetite for damaging road salt. Elizabethtown, NY. http://www.adirondackcouncil.org accessed 12/02/2009

2)      Green, S.G., and M.S. Cresser. 2008. Nitrogen cycle disruption through the application of de-icing salts on upland highways. Water, Air, and Soil Pollution, 188:139-153

3)      Hutchinson, F.E. 1970. Environmental pollution from highway de-icing compounds. Journal of Soil and Water Conservation, 25:144-146

4)      Williams, D.D., N.E. Williams, and Y. Cao. 2000. Road salt contamination of groundwater in a major metropolitan area and development of a biological index to monitor its impact. Water Research, 34:127-138

5)      Hall, R., G. Hofstra, and G.P. Lumis. 1972. Effects of de-icing salt on eastern white pine: foliar injury, growth suppression, and seasonal change in foliar concentration of sodium and chloride. Canadian Journal of Forest Research, 2:244-249

6)      Viskari, E., and L. Karenlampi. 2000. Roadside scots pine as an indicator of de-icing salt use – a comparative study from two consecutive winters. Water, Air, and Soil Pollution, 122:405-419

7)      Fleck, A.M., M.J. Lacki, and J. Sutherland. 1988. Response by White Birch (Betula papyfirea) to road salt application at Cascade Lakes, New York. Journal of Environmental Management, 27:369-377

8)      Jones, P.H., and B.A. Jeffrey. 1992. Environmental Impact of Road De-icing. In D’Itri, F.H. (Eds) Chemical Deicers and the Environment. Lewis Publishing, MI. page 1- 107.

9)      Gosner, K.L., and I.H. Black. 1957. The effects of acidity on the development and hatching of New Jersey frogs. Ecology, 38: 256-262

10)   Environment Canada. 2001. Priority Substance List Assessment Report: Road Salt.

11)   Grenier, P. 1973. Moose killed on the highway in Laurentides Park, Quebec, 1962-1972. Proceedings of the North American Moose Conference Workshop. 9: 155-193.

12)   Turcotte, R., and R. Baboian. 1985. Development of Poultice Corrosion Tests for Automobiles. Paper 383. National Association of Corrosion Engineers Annual Meeting, Boston Massachusetts. In TRB (1991).

13)   Koch, G.H., M.H. Brongers, M.G. Thompson, Y.P. Virmani, and J.H. Payer. 2002. Corrosion Cost and Preventative Strategies in the United States. Federal Highway Administration. Report # FHWA-RD-01-156.

14)   Jones, P.H., and B.A. Jeffrey. 1992. Environmental Impact of Road De-icing. In D’Itri, F.H. (Eds) Chemical Deicers and the Environment. Lewis Publishing, MI. page 1- 107.

15)   TRB. 2007. Transportation Research Board. Guidelines for Selection of Snow and Ice Control Materials to Mitigate Environmental Impacts. NCHRP Report 577. Washington, D.C.

16)   Fritzsche, C.J. 1992. Calcium magnesium acetate deicer – an effective alternative for salt sensitive areas. Water, Environment, and Technology, 4:44-51

17)   Horner, R.R., and M.V. Brenner. 1992b. Effects of calcium magnesium acetate (CMA) on dissolved oxygen in natural waters. Resource, Conservation, and Recycling, 7:239-265

18)   Yu WB, Yi X, Guo M, et al., 2014. State of the art and practice of pavement anti‐icing and de‐icing techniques. Sciences in Cold and Arid Regions, 6(1): 14–21. DOI: 10.3724/SP.J.1226.2014.00014.

19)   Bio-Inspired Strategies for Anti-Icing Jianyong Lv, Yanlin Song, Lei Jiang, and Jianjun Wang ACS Nano 2014 8 (4), 3152-3169 DOI: 10.1021/nn406522n

20) http://denethor.wlu.ca/pc300/projects/library/anti_icing10.pdf

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!