Schadelijke stoffen - koolstofdioxide

Eigenschappen van koolstofdioxide

Koolstofdioxide heeft verschillende fysische en chemiche eigenschappen. Deze staan hieronder in de tabel vermeld.

Voorkomen van koolstofdioxide

Koolstofdioxide komt vooral voor in de lucht, maar maakt ook deel uit van de koolstofcyclus. Hierna worden verschillende aspecten van de koolstofcyclus belicht.

Processen

Koolstofdioxide is een van de meest overvloedige gassen in de atmosfeer. Koolstofdioxide speelt een belangrijke rol bij vitale processen bij planten en dieren, zoals fotosynthese en ademhaling. Deze processen worden hier kort beschreven.

Groene planten zetten koolstofdioxide en water om in voedselbestanddelen zoals glucose en zuurstof. Dit proces wordt fotosynthese genoemd.

De fotosynthesereactie:
6 CO₂ + 6 H₂O --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Planten en dieren zetten op hun beurt voedselstoffen om door ze te combineren met zuurstof, om energie voor groei en andere levensactiviteiten vrij te maken. Dit is het ademhalingsproces, het omgekeerde van de fotosynthese.

De ademhalingsreactie:
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 6 H₂O

Fotosynthese en ademhaling spelen een belangrijke rol in de koolstofcyclus en zijn met elkaar in evenwicht.
De fotosynthese activiteit is groter wanneer het warmer is en de ademhaling wanneer het kouder is. Beide processen komen het hele jaar door voor. Dus in het algemeen neemt koolstofdioxide in de atmosfeer af tijdens het groeiseizoen en gedurende de rest van het jaar toe.
Omdat de seizoenen in het noordelijk en het zuidelijk halfrond tegengesteld zijn, neemt de hoeveelheid koolstofdioxide in het noorden toe terwijl deze in het zuiden afneemt en omgekeerd gebeurt hetzelfde. In het noorden is de cyclus duidelijker waar te nemen, omdat daar meer landmassa en meer terrestrische vegetatie is. Op het zuidelijk halfrond zijn vooral veel oceanen.

Invloed van koolstofdioxide op de alkaliniteit

Koolstofdioxide kan de pH van water veranderen. Dat werkt als volgt: koolstofdioxide lost op in het water om een zwak zuur te vormen dat carbonzuur wordt genoemd.

Dat gebeurt via deze reactie:
CO₂ + H₂O --> H₂CO₃

Daarna reageert carbonzuur omkeerbaar met water om een hydronium kationen en bicarbonaat ion te vormen.

Dat gebeurt volgens de volgende reactie:
H₂CO₃ + H₂O --> HCO₃^- + H₃O⁺

Dit chemische gedrag verklaart waarom water dat normaal een neutrale pH van 7 heeft, een zure pH van 5,5 krijgt wanneer het wordt blootgesteld aan lucht.

Toepassingen van koolstofdioxide

Mensen gebruiken koolstofdioxide op verschillende manieren. Het meest bekende voorbeeld is het gebruik in frisdranken en bier, om deze te laten bruisen. Koolstofdioxide dat uit bakpoeder of gist vrijkomt zorgt er voor dat taarten en cakes beter rijzen. 
Sommige brandblusapparaten bevatten koolstofdioxide, omdat het dikker is dan lucht. Koolstofdioxide kan een vuur doven door een soort deken te vormen, omdat het zo zwaar is. Het zorgt ervoor dat er geen zuurstof bij het vuur kan komen. Om een vuur te laten branden is altijd zuurstof, een brandbare stof en een juiste temperatuur nodig.

Koolstofdioxide wordt ook gebruikt bij een techniek die 'superkritieke vloeistofextractie' wordt genoemd. Hiermee haalt men cafeine uit koffie. De vloeibare vorm van koolstofdioxide, ook wel bekend onder de naam 'droog ijs', wordt in theaters gebruikt om op het podium mist te creëren en 'magische drankjes' te doen bubbelen.

Koolstofdioxide uitstoot door mensen

Als gevolg van menselijke activiteit is de hoeveelheid CO2 uitstootin de afgelopen 150 jaar enorm gestegen. De uitstoot is nu groter dan de hoeveelheid die kan worden opgeslagen in biomassa en in de oceanen. Tussen 1850 en 1998 is de koolstofdioxide concentratie in de atmosfeer gestegen van 280 tot 365 ppm, en dit is vooral te danken aan menselijke activiteiten tijdens en na de industriële revolutie, die in 1850 begon.  Mensen hebben de hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht verhoogd door verbranding van fossiele brandstoffen, productie van cement, ontginning van land verbranding van bos. Ongeveer 22% van de huidige atmosferische CO2 concentraties zijn een gevolg van menselijke activiteit. Men gaat er bij deze aanname vanuit dat er geen verandering is opgetreden in de natuurlijke hoeveelheid koolstofdioxide.

Milieu problemen: het broeikaseffect

Wanneer zonlicht de aarde bereikt, wordt een deel daarvan omgezet in warmte. In de troposfeer bevinden zich gassen die broeikasgassen worden genoemd. Deze gassen absorberen een deel van de warmte en houden het vast vlakbij het aardopppervlak, waardoor de aarde opwarmt. Dit proces, dat algemeen bekend staat als het broeikaseffect, is jaren geleden ontdekt en later door middel van laboratorium proeven en atmosferische metingen bevestigd. 
Het leven zoals wij het kennen bestaat alleen vanwege dit natuurlijke broeikaseffect, omdat dit proces de temperatuur van de aarde reguleert. Wanneer het broeikaseffect niet zou bestaan, zou de hele aarde bedekt zijn met ijs. 
De temperatuur van de aarde wordt bepaald door de hoeveeheid warmte in de troposfeer. De hoeveelheid warmte in de troposfeer is afhankelijk van de concentratie atmosferische broeikasgassen en de periode dat deze gassen in de atmosfeer verblijven. De belangrijkste broeikasgasen zijn naast koolstofdioxide ook waterdamp (H₂O), CFK's (Chloor Fluor Koolwaterstoffen), stikstofdioxide (N₂O) en methaan (CH₄). 

Sinds het begin van de industriële revolutie in 1850, hebben menselijke processen broeikasgassen zoals CFK's en koolstofdioxide uitgestoten. Dit heeft een milieuprobleem veroorzaakt; de hoeveelheid broeikasgassen is zo gigantisch gegroeid dat het klimaat van de aarde verandert, omdat de temperatuur te snel stijgt. Deze onnatuurlijke versterking aan het broeikaseffect staat bekend als 'global warming' ofwel klimaatverandering. Men verwacht dat de mondiale opwarming er voor zorgt dat de stormactiviteit toeneemt en de ijskappen bij de polen zullen smelten, waardoor bewoonde gebieden onder water komen te staan. Dit zijn slechts enkele van de verwachte gevolgen.

Koolstofdioxide en waterdamp zijn de belangrijkste broeikasgassen. Waterdamp wordt echter niet uitgestoten tijdens industriële processen. Mensen dragen niet bij aan de hoeveelheid waterdamp in de lucht, deze verandert alleen op natuurlijke wijze in de hydrologische kringloop en is daarom geen oorzaak van de klimaatvernadering. De toenemende koolstofdioxide uitstoot draagt voor 50 tot 60% bij aan de klimaatverandering.

In de vorige paragraaf zijn verschillende menselijke activiteiten genoemd die bijdragen aan de uitstoot van koolstofdioxide. De verbranding van fossiele brandstoffen is verantwoordelijk voor 70 tot 75% van van alle koolstofdioxide uitstoot. Dit is dus de belangrijkste oorzaak van de uitstoot van koolstofdioxide. De resterende 20 tot 25% van de emissies worden veroorzaakt door land ontginning, branden en uitlaten van motorvoertuigen.
De meeste koolstofdioxide emissies zijn afkomstig van industriële processen in ontwikkelde landen, zoals de Verenigde Staten en Europa. De uitstoot van koolstofdioxide door ontwikkelingslanden neemt echter toe. Men verwacht dat de uitstoot van koolstofdioxide zal verdubbelen en daarna voor grote problemen zal zorgen. Koolstofdioxide blijft 50 tot 200 jaar in de atmosfeer.

De eerste persoon die voorspelde dat de emissie van koolstofdioxide van de verbranding van fossiele brandstoffen en andere verbrandingsprocessen mondiale opwarming zou veroorzaken, was Svante Arrhenius. In 1896 heeft hij daarover een artikel geschreven,  'Over de invloed van koolstofdioxide in de lucht op de temperatuur op aarde'.
In het begin van de jaren 1930 werd bewezen dat de hoeveelheid atmosferisch koolstofdioxide aan het toenemen was. Laat in de jaren 1950 toen meer precieze meettechnieken waren ontwikkeld, vond men meer bewijs. In de jaren 1990 was de theorie van klimaatvernadering geaccepteerd door de meeste mensen. Er wordt echter nog steeds over gediscussieerd of klimaatverandering werkelijk wordt veroorzaakt door een toeneemende hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer.

Stijgende koolstofdioxide concentraties in de lucht in de afgelopen decennia

Het Kyoto verdrag

In december 1997 kwamen de wereldleiders bij elkaar in Kyoto, Japan, om een wereldwijd verdrag over de beperking van de uitstoot van broeikasgassen te bedenken. Helaas hebben de Verenigde Staten in 2001 besloten het verdrag niet te tekenen. Inmiddels zijn ze met een alternatief verdag gekomen.

Koolstofdioxide en de gezondheid

Koolstofdioxide is essentieel voor de inwendige ademhaling in het menselijk lichaam. De inwendige ademhaling is een proces waarbij zuurstof naar en koolstofdioxide door lichaamsweefsels wordt getransporteerd.
Koolstofdioxide regelt de pH van het bloed, welke essentieel is om te overleven. Het buffersysteem waarin koolstofdioxide een rol speelt wordt de carbonaatbuffer genoemd. Het bestaat uit bicarbonaationen en opgelost koolstofdioxide en carbonzuur. Carbonzuur kan hydroxide-ionen neutraliseren, die de pH van het bloed doen toenemen. Het carbonaat ion kan waterstof ionen neutraliseren, die juist een afname van de pH veroorzaken wanneer ze aan het bloed worden toegevoegd. Zowel een afnemende als een oplopende pH is levensbedreigend.

Afgezien van het feit dat koolstofdioxide een essentiële buffer vormt in het menselijk lichaam, heeft het ook effecten op de gezondheid als de concentratie boven een bepaalde grens komt. 

De primaire gezondheidseffecten van koolstofdioxide zijn:

- Verstikking. Wordt veroorzaakt door de uitstoot van koolstofdioxide in een afgesloten of ongeventileerde ruimte. Dit kan de zuurstofconcentratie verlagen tot een niveau dat direct gevaarlijk is voor de menselijke gezondheid. 
- Bevriezingsverschijnselen. Vaste koolstofdioxide heeft bij normale atmosferische druk altijd een bepaalde temperatuur, ongeacht de luchttemperatuur. Als men dit materiaal meer dan 2 seconden vasthoudt zonder goede bescherming, kunnen ernstige blaren en andere ongewenste effecten optreden. Koolstofdioxide dat wordt uitgestoten uit een stalen cilinder, zoals een brandblusser, veroorzaakt vergelijkbare effecten. 
- Nierbeschadiging of coma. Dit wordt veroorzaakt door de verstoring van het chemisch evenwicht van de carbonaatbuffer. Wanneer koolstofdioxide concentraties toe- of afnemen kan een levensbedreigende situatie kan ontstaan.
 

Halve waarheden Het CBS heeft de kooldioxide uitstoot van een aantal transportmiddelen onderzocht. De trein kwam als schoonste vervoermiddel uit het onderzoek. De bus bleek opmerkelijk genoeg vuiler dan het vliegtuig. De auto bleek de grootste vervuiler te zijn. In die berekeningen is gekeken naar de uitstoot per reizigerskilometer. CE, een onderzoeksbureau, beweert dat vliegtuigen misschien per reizigerskilometer minder uitstoten, maar dat de totale bijdrage aan het broeikaseffect veel hoger is dan die van de auto. Oorzaak is de uitstoot van veel andere stoffen, zoals condensstrepen. Een erg vervuilende post, namelijk de schepen, wordt veel lager ingeschat dan in werkelijkheid het geval is. In de olie die wordt gebruikt zit zwavel, en dat is in de overwegingen niet meegenomen. Geluidsoverlast en de eventuele doorsnijding van natuurgebieden zijn ook niet bekeken. De trein zal waarschijnlijk bij een uitgebreidere overweging nog steeds het schoonst blijken, maar de verschillen tussen vervoermiddelen zullen minder groot zijn. Bron: Intermediair 6 oktober 2005