Diplomová práce je tvořena dvěma základními částmi. První část představuje úvod do problematiky ultrajemných částic. Jsou zde podrobně popsány vlivy na lidské zdraví. Druhá část má více aplikační charakter a zaměřuje se na snížení množství ultrajemných částic v ovzduší měst.
V souvislosti s geografií tak nemusí být na první pohled zřejmá souvislost. Problematika ovzduší v sobě spojuje více témat, která jsou naopak v geografii často diskutována. Měření ovzduší větších územních celků pomocí ultrajemných částic umožňuje zjistit, že ve městech existují oblasti se značně rozdílnou kvalitou ovzduší. Při pohledu na mapu ultrajemných částic si lze město představit jako pestrou mozaiku, kde např. lidé žijící v centru města jsou vystaveni s koncentracemi výrazně vyššími. To znamená, že nemají „přístup" ke stejně kvalitnímu vzduchu, jako např. lidé nacházející se na znečištěném předměstí.
V České republice je podíl nákladní dopravy menší než ve všech vyspělých evropských zemích. Jestliže se zvýší podíl vozidel, jakožto producentů řady polutantů, potom se i kvalita ovzduší výrazně zhorší. Problematika ultrajemných částic je poměrně nová, a tudíž ani mnoho publikací věnujících se pouze tomuto polutantů nevzniklo. Většinou se lze setkat s krátkými studiemi velmi úzkého zaměření. Existují i studie, které propojují hodně technicky zaměřený text s problematikou ultrajemných částic. Výjimkou jsou snad jen otázkám bezpečnosti výroby a využití nanomateriálů.
Z monografií, které i srozumitelně popisuje celkově problematiku atmosférického aerosolu, lze jmenovat např. ochrana ovzduší (BRANIŠ, M . , HŮNOVÁ, I., a kol. 2011). Praktické zkušenosti jsou shrnuty v některých z našich projektů věnovaných právě tomuto polutantu. Z projektů s českým zapojením České republiky byly největšími projekty MEDETOX, UFIREG a UltraSchwarz. V souvislosti s tímto projektem je vhodné zmínit jméno M. Kristensena, který se dané problematice věnuje dlouhodobě. Mimochodem měření ultrajemných částic již prováděl i v Praze, Brně a Ostravě.
Kromě uvedených publikací existují i monografie věnované ultrajemným částicím, jako např. Nanoparticle Technology and Technology (HAYASHI, UYEDA, TASAKT, 1997). Tyto publikace lze však považovat za zastaralé, a proto v diplomové prací nebyly použity. Je kladen důraz na využití poznatků z co možná nejnovějších studií. Řada informací z problematiky ultrajemných částic lze nalézt v celé řadě tematicky odlišných časopisů. Např. články zabývající se problematiky ultrajemných částic na pracovišti se vyskytují např. Annals of Occupational Hygiene. Z autorů se této problematice více věnuje L. Wallace. Podrobnější informace od autorů P. Kumar, Y. Zhu či L. Morawska, se nachází např. Journal of Environmental Sciencis či Aerosol and Air Quality Research.
Čtěte také: Dopad OZE na životní prostředí
Ultrajemné částice nelze měřit stejnými metodami jako částice o velikosti v řádech mikrometrů. Jediným zdrojem těchto dat jsou tak měření vzniklá v rámci víceletých projektů. Mezi takovými projekty byly např. UFIREG a UltraSchwarz. Těchto projektů se účastnila i Česká republika. Kromě toho existují i data z jednorázových měření, které však větší srovnání neumožňují.
V odborné literatuře se lze setkat s různými definicemi ultrajemných částic. V této práci jsou používány "tři termíny ultrajemné částice, nanočástice a atmosférický nanoaerosol" (DOHANYOSOVA a kol., 2007, s. 17). autoři JANÍČEK a kol., 2013 používají shodné termíny ultrajemný aerosol a nanočástice (JANÍČEK a kol., 2013). (HEALTH EFFECTS, 2013). Někteří autoři tyto pojmy považují za synonymum a rozlišují je. Např. autoři RUPOVA, 2011 používají termín ultrajemné částice pro částice menší než 200 nm a nanočásticemi částice (PM) menší než 100 nm. Jiní autoři rozlišují ultrajemné částice velikostí částice 0,5 um až 100 nm a nanočástic o velikosti 100 nm až 6 nm (CDV, 2014). Dle Mgr. Kateřiny Dědkové, Ph. D. se ultrajemné částice a nanočástice neliší pouze ve velikosti, ale i jejich původu a složení. V této práci je ultrajemná částice definována jako částice menší než 100 nm (DEDKOVA, 2011). Lze je tedy považovat za shodný termín, kterým jsou označeny částice menší než 100 nm.
Definice nanomateriálu je uvedena v doporučení Evropské komise 2011/696/EU o definici nanomateriálu. Ultrajemné částice mají specifickou stavbu. Takto velké částice totiž již nepřipomínají svoji stavbou např. prachové zrnko, ale jedná se o shluky spojených molekul. Typickým příkladem takovýchto částic jsou např. fullereny (viz obr. 1). Ultrajemné částice se chovají jako molekuly plynu, a tudíž nesedimentují (SKREHOTA, RUPOVÁ, 2011). I přesto, že je jejich koncentrace nízká, mohou setrvat v ovzduší i několi týdnů (VSB-TUO, 2015). V opačném případě však částice velmi rychle podléhají procesu agregace. To znamená, že aerosolové částice do sebe vzájemně naráží a spojují se tak do větších celků. Rychlost agregace závisí na jejich koncentraci (SKREHOTA, RUPOVÁ, 2011).
Obr. 1. Fulleren C60
Aerosolové částice mohou být různé povahy. Podle původu se dělí např. na prach, kouř, saze, popílek, bakterie, viry, mořskou sůl, kapičky vody a viry (JANČÍK a kol., 2013). Ultrajemné částice vznikají především antropogenní činností, a to zejména v souvislosti s dopravou, vytápěním a průmyslovou výrobou (UFIREG, 2011). Všechny uvedené typy částic mohou být primární či sekundární. Primární částice vznikají přímo v daném místě, zatímco sekundární vznikají vlivem různých atmosférickým jevům (HOVORKA, 2011). Primární ultrajemné částice vznikají nejčastěji spalovacími procesy. Sekundární UFPs vznikají chemickými reakcemi v atmosféře, kdy z plynných prekurzorů vznikají nové sloučeniny (SIOUTAS, DELFINO, SINGH, 2005). Mezi plynné prekurzory UFPs jsou oxid siřičitý (S02 ) a oxidy dusíku (NOx) (ČHMU, 2014). Specifickým druhem aerosolu je bioaerosol. Bioaerosol je definován jako "směs pevných nebo kapalných částic biologického původu, jako jsou bakterie, spory plísní, viry, pylová zrna, fragmenty rostlin nebo hmyzu a pyl" (HOVORKA., 2011, s. 122.). Vzhledem k velikosti pylových zrn se tato definice ovšem poněkud odporuje výše uvedené definici pojmu aerosol. Obdobou aerosolových částic v oblasti organismy je pojem nanoorganismy. Do skupiny nanoorganismů lze tedy zařadit všechny viry a část bakterií. Vlastnosti ultrajemných částic závisí "nejen na jejich chemickém složení, ale i na fyzikálních nebo chemických reakcích s okolím" (SKREHOTA, RUPOVÁ, 2011, s. 11). "Nejčastěji se udává distribuce koncentrace částic podle jejich velikosti, což je veličiny s největší pravděpodobností výskytu" (DOHANYOSOVA a kol., 2007).
Čtěte také: Studium ruštiny v Česku
Nejznámější je distribuce velikosti částic podle Whitbyho (1978), která rozlišuje celkem tři mody. Jeden mod náleží do oblasti ultrajemných částic, druhý náleží do oblasti jemných částic a jeden mod je z oblasti hrubých částic. (WHITBY, 1978). "Nukleační mod je tvořen částicemi menšími než 0,02 um a vzniká kondenzací par v atmosféře" (HOVORKA, 2011). "Částice o velikosti 0,02 - 1 um tvoří tzv. akumulačního modu" (HOVORKA, 2011, s. 132). Částice se neustále pohybují a dochází tak k jejich Brownovu pohybu, tj. difúzí (HOLOUBEK, 2017). Difúze je samovolné rozptylování částic z prostředí s vyšší koncentrací do prostředí s koncentrací nižší. Částice jsou z atmosféry odstraňovány suchou a mokrou depozicí. Suchá depozice spočívá v usazování částic na zemském povrchu či jeho částech. Mokrá depozice je odstraňování částic z atmosféry atmosférickými srážkami, a to vymytím (washout) a vypršením (rainout). Vymýváním se rozumí "pohlcování plynných látek a aerosolových částic kapkami oblaku během jejich průchodu troposférou" (HUNOVA, 2011, s. 165). Koncentrace těchto látek jsou v oblaku výrazně menší než v podoblačné vrstvě (např. vlečka v okolí emisních zdrojů). Vypršení je odstraňování částic z atmosféry atmosférických srážek. Ultrajemné částice mají malou hmotnost a nižší pádovou rychlost, což zvyšuje účinnost vymývání (HUNOVA, 2011). Největší vliv na odstraňování částic z atmosféry způsobují tzv. déšť. Déšť nevymývá částice nukleačního modu či modu hrubých částic a dochází tak déle k jejich akumulaci v atmosféře. (JANČÍK a kol., 2013). "Zdroje v blízkosti obydlí ovlivňují především koncentrace částic nukleačního modu" (HOVORKA 2011, s. 132).
Ultrajemné částice tvoří malé shluků (aglomerátů), které nabývají hroznovitého nebo řetízkovitého tvaru. Velikost částic vzniklých těmito procesy zpravidla nepřekročí velikost 2 um. (JANČÍK a kol., 2013). V současné době se při monitoringu ovzduší měření částic P M i 0 a PM2 > 5. Pro měření velikosti částic se používají různé fyzikální principy. Každá z těchto metod má však jistá omezení. Ultrajemné částice se měří např. pomocí jejich pohyblivosti v elektrickém poli. Měření ultrajemných částic není v současné době upraveno žádnou zákonnou směrnicí (UFIREG, 2014). Ke zjištění koncentrace a velikosti ultrajemných částic se používá přístroj SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer - SMPS). Tato skupina přístrojů (viz obr. 2) se používá pro rozšíření znalostí o účincích těchto látek na lidské zdraví.
Obr. 2. Schéma SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer).
Přístroj SMPS se skládá ze dvou hlavních částí - analyzátoru pohyblivosti částic (DMA - Differential Mobility analyse) a počítače částic (CPC - Condensation Particle Counter). V analyzátoru pohyblivosti jsou částice nejprve ionizovány, aby do D M A vstupovaly v rovnovážném stavu nabití. Ionizované částice jsou poté unášeny proudem vzduchu v elektrostatickém poli vzniklém mezi koncentrickými elektrodami. Změnou velikosti elektrického poleje možno dosáhnout požadovaného velikostního spektra. Částice, které projdou analyzátorem jsou jako monodisperzní proud zjišťovány pomocí CPC. Pomocí přístroje CPC lze počítat částice o průměru 1 nm - 1 000 nm. Přístroje SMPS jsou plně automatizovány.
V České republice je v rámci SVRS (Státnímu monitoringu životního prostředí) provozován Českým hydrometeorologickým ústavem (ČHMU). Sledovanými polutanty v rámci SVRS jsou podle zákona č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší částice P M 1 0 , S02 , N 0 2 a 03 . Součástí SVRS jsou i automatické monitorovací stanice, což jsou stanice na základě jejich mšření lze vyhlašovat smogové situace. V rámci Jihomoravského kraje je šest stanic a čtyři z nichse nacházejí v Brně (viz obr. 3). Další dvě jsou umístěny v Pohořelicích a Mikulov-Sedlec (ČHMU, 2013). V případě, že tedy dojde např. k překročení imisního limitu, je možné v daném prostředí vyhlásit smogovou situaci (MZP, 2012). Poté jsou o této skutečnosti informovány dotčené subjekty. Dle Ministerstva životního prostředí "je pro hodnocení úrovně znečištění v oblasti reprezentativní právě dvě měřící lokality" (MZP, 2012, s. 46). V momentě, kdy obec zjistí, že je na jejím území překročen imisní limit, potom může obec vydat tzv. regulační řád. Součástí regulačního řádu je např. omezení provozu největších znečišťovatelů (MZP, 2012) či omezení provozu motorových vozidel.
Čtěte také: Efektivita obnovitelných zdrojů
Za překračování imisních limitů znečištění, za které byl označeny pouze Agma, a.s. (cementárna Radotín), Kámen Zbraslav, a.s. (lom Zbraslav) a Kamenolomy ČR s.r.o. kameniva Reporyje) a Pražské služby a.s. (ZEVO Malešice). (MŽP, 2012, s. 47). Novela zákona č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší vešla v platnost 1. 9. 2012. Tato novela zavedla tzv. informativní prahové hodnoty pro P M 1 0 . V případě překročení těchto hodnot je doporučeno omezit větrání a pobyt venku. V současné době se smogová situace vyhlašuje na základě průměrných 24 hodinových koncentrací průměrů. V budoucnu se má však smogová situace vyhlásit na základě hodinových průměrů. V takovém případě by se mohla smogová situace či regulaci vyhlásit častěji (ČHMÚ, 2017). Částice ultrajemné velikosti mohou pronikat až do plicních sklípků (SZU, 2007). V současné době se polutant PM2 > 5 na celé řadě stanic vůbec neměří. Např. v rámci Jihomoravského kraje se tato znečišťující látky měří pouze na jedné stanici (CHMU, 2017).
Obr. 3. Automatické monitorovací stanice na území Brne.
Mezi největší zdroje ultrajemných částic patří motory motorových vozidel. Podílí se na z celkového množství UFPs nacházejících se v ovzduší (PEY et al., 2009, s. 7). Mezi další zdroje patří např. vytápění (ČHMU, 2014) či průmysl (N02 ). Ultrajemné částice vznikají spalováním fosilních paliv či chemickou reakcí. Dle PEY at al. (2009) se doprava podílí 40 % na celkového množství UFPs v ovzduší (PEY at al., 2009, s. 4). "Spalovací procesy jsou doprovázeny emisemi velkého množství kondenzujících látek" (DOHANYSOVÁ a kol., 2007, s. 12). Vznik sekundárních UFPs z S 0 2 je poměrně rychlý. Ve městech produkují vozidla s dieselovým motorem více UFPs, in MORAWSKA, et al, 2008, s. 10). než benzinové motory (ČISTÉ NEBE, 2015). Dieselová paliva obsahovala ještě v roce 2001 zhruba třikrát více síry než benzín (EUR4ex, 2009). Spalování paliv s vyšším obsahem síry obsažené v palivu totiž vede ke vzniku většího množství ultrajemných částic. Ristovski et al. (2006) zjistili, že snížení obsahu síry v palivu vedlo ke snížení množství částic až 74 % částic menších než 50 nm. (Ristovski et al., 2006, s. 101). Proto se v současné době klade důraz na snižování obsahu síry v automobilových silničních palivech. V současné době nesmí automobilová paliva překročit obsah síry 10 ppm (tzv. bezsirná paliva) (EUR4ex, 2009). To znamená, že v 1 kg paliva tedy nesmí být více než 10 mg síry (PETROLEUM, 2017). Rovněž dnešní motorové oleje se vyrábí pouze s nízkým obsahem síry. I přesto, že se jedná o malé množství, tak i tyto oleje přispívají ke vzniku ultrajemných částic. Ultrajemné částice vznikají jak ze zážehové, či vznětové motory. U starších vozidel dochází k vyšší produkci UFPs. Důvodem je příliš krátká doba vstřiku paliva. Palivo se tak nestíhá odpařit z válce, což vede k formování sazí. Filtry pevných částic (DPF) se používají jenom u aut se vznětovými motory (AUTOREVUE, 2013). Tyto filtry dokáží až 99 % ultrajemných částic odfiltrovány (BIOM, 2007). Starší auta s EURO normou 2 a 3 mohou vyprodukovat méně částic než moderní auta s vyšší EURO normou. Používání filtrů pevných částic tak alespoň k nějakému snížení produkce ultrajemných částic. Emise UFPs ovlivňuje i technický stav vozidla. Na produkci ultrajemných částic má vliv i neautorizované zvýšení výkonu tzv. chip tuning (ČISTÉ NEBE, 2012). Jedná se o elektronický zásah do řídící jednotky motoru. Součástí chip tunningu je speciální software, který umožňuje provést změny potřebné pro navýšení výkonu. Dále také malé motory výrazně přispívají k nárůstu ultrajemných částic v ovzduší. V současné době platí pro nové automobily emisní norma EURO VI. Současné technologie jsou již schopny zajistit nízké emise UFPs. Z hlediska produkce UFPs jsou problematická jednostopá motorová vozidla. Skútry a motocykly produkují při stejném jízdním cyklu více UFPs než auta benzinová. Největší množství UFPs je potom vyprodukována při zrychlení či při „vysoké" rychlosti. Na produkci UFPs má vliv i konstrukce motoru. Produkce UFPs je u dvoutaktního motoru a čtyřtaktního motoru podobná, ale v modu akumulačním se jejich velikost výrazně liší. Dvoutaktní motory produkují až pětkrát více částic než motory čtyřtaktní. Velký vliv na produkci UFPs má i kvalita motorového oleje.
Dalším zdrojem ultrajemných částic představuje letecká doprava. Letadla produkují ultrajemné částice (KRISTENSEN, 2016). Letecké motory nejsou uvedeny do pohybu písty, ale turbíny (21STOLETI, 2013). Tyto motory se vyznačují obrovským výkonem. Spotřeba paliva je u letadel obrovská, mnohonásobně vyšší než u osobních automobilů! Např. spotřeba paliva určeného pro leteckou dopravuje letecký petrolej označovaný jako JET A - 1. Palivo musí splovat celou řadu specifických podmínek (PETROLEUM, 2016). Mezi nejdůležitější patří nízkoteplotní vlastnosti, stabilitu a příměsi paliva (PETROLEUM, 2016). Z hlediska vzniku ultrajemných částic je však nej zajímavější požadavek na obsah síry v palivu. Podle normy smí být maximální povolené množství síry je až 3 000 mg na 1 kg leteckého paliva (PETROLEUM, 2016). Letecká doprava tedy významně přispívá k znečišťování ovzduší v okolí letiště ultrajemnými částicemi. Podle Kristensena (2016) se částice z letecké dopravy podílí na celkovém znečištění ovzduší 3 %. (KRISTENSEN, 2016). Produkce UFPs je závislá na typu letadla (ČESKA TELEVIZE, 2014). Množství vyprodukovaných UFPs vykazuje variabilitu množství UFPs v čase. Největší množství UFPs jsou vyprodukovány leteckou dopravou. Částice se však šíří i mimo samotné letiště. Podíl částic pocházející z letiště tvoří přibližně 10 %. Na znečištění se také podílí i tahače letadel. Tyto částice se tak dostávají do kontaktu s lidmi. Ultrajemné částice jsou unášeny do vyšších vrstvy. Velikost ultrajemných částice vyprodukovaných motory letadel (BARRETT, BRITTER WAITZ, 210). je 6 - 4 0 nm (KRISTENSEN, 2016). I přesto, že se jedná o malé množství, ale hrají významnou roli při formování sekundárních částic. Problémem však není jen letecká doprava, ale v Číně a Indii. Ultrajemné částice se mohou šířit i na velké vzdálenosti vlivem proudění vyskytujícího se ve vyšších vrstvách atmosféry. Dochází tak ke globálnímu znečišťování ovzduší ultrajemnými částicemi (KRISTENSEN, 2016).
Zdroje znečišťování ovzduší se dělí dle zákona "na stacionární a mobilní zdroje a na znečišťování pocházející z výrobků a procesů" (MZP, 2012, s. 1). Stacionární zdroje se dělí ještě na vyjmenované a nevyjmenované. Dále se vyjmenané zdroje dělí na velké, střední a malé, ale pouze na zdroje vyjmenované a nevyjmenované v příloze č. 2 zákona č. 201/2012 Sb. Za vyjmenované zdroje se platí poplatek za znečišťování ovzduší. Výše poplatku je závislá na velikosti zdroje, která je stanovena dle množství emitovaných polutantů (ENVIPROFI, 2012). Mezi nevyjmenované zdroje patří zdroje o výkonu do 300 kW a nižším (MZP, 2012). Jedná se tedy především o lokální zdroje vytápění. Z hlediska vlivu na kvality ovzduší mají největší vliv kotle na tuhá paliva (MZP, 2007). Lokální topeniště významně přispívají ke zvýšení koncentrace ultrajemných částic v okolí lidských sídel. V zimních měsících mohou být koncentrace UFPs pětkrát až desetkrát v porovnání se stejnou lokalitou bez zápachu kouře. (SLDB-VDB, 2011). Na vzniku UFPs se podílí i vznik sekundárních částic. K nárůstu koncentrace ultrajemných částic v mísící zóně na vrcholu komína dochází při nedostatečném přísunu vzduchu. V takovém případě lze zaznamenat vyšší koncentrace. Na rozptyl ultrajemných částic má vliv i zvýšené rychlosti větru.
Důležitým faktorem ovlivňující kvalitu spalování je i vlhkost paliva. "Výhřevnost je definována jako množství tepla uvolněné dokonalém spálení jednotkové hmotnosti paliva" (HORÁK, 2012). Obdobné výhřevnosti dosahuje i samotné suché smrkové palivové dřevo. Vlhkost dřeva je obzvláště důležité, jelikož existuje přímá úměra mezi vlhkostí a výhřevností. Např. smrkové dřevo o vlhkostí 36,5 % je výhřevnost pouze 10,8 MJ/kg. Palivo s vyšší vlhkostí se hůře zapaluje. Dřevo s vyšší vlhkostí obsahuje více vody, než hořlavin. Voda dále obsažený kyslík a dusík nedisponují žádnou energetickou hodnotou. Snižuje se tak podíl hořlavin v důsledku odpařování vody. Při spalování vlhkého dřeva je spotřebováváno výparové teplo, které odpovídá přibližně 2,45MJ/kgv o d y . Z hlediska konstrukce se kotle na tuhá paliva dělí na prohořívací, odhořívací, zplyňovací a automatické kotle (DRASTICHOVA, 2015). Prohořívací kotle jsou takové kotle, u kterých jsou spaliny vedeny skrz dávku paliva. Naopak u odhořívacích kotlů jsou spaliny vedeny mimo vrstvu paliva, a to buď do strany, nebo dospod. U zplyňovacích kotlů dochází k přeměně paliva na hořlavé plyny v jiné části kotle, než kde jsou poté spalovány. Do kotle je pomocí ventilátoru přiváděn další vzduch (KOLONICNY, a kol, 2011). Mezi nejméně účinné patří prohořívací kotle (DRASTICHOVA, 2015). Většina kotlů je konstruována na používání prohřívacích kotlů na jmenovitý výkon. V takovém případě se jedná o tzv. ekodesign. V praxi se ovšem topí i na snížený výkon, např. 50% jmenovitého výkonu (DRASTICHOVA, 2015). To závisí na izolačním vlastnostem domu. Účinnost hoření je u starších typů (DRASTICHOVA, 2015). Podle zákona č. 201/2012 Sb. musí kotle splňovat minimální účinnost 50 % pro aerodynamický průměr o velikosti X um (MZP, 2012). Kotle prohořívací a odhořívací spadají v naprosté většině případů do emisní třídy 1. To je tedy do kategorie kotlů, které dle zákona 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší nesmí být od 1. 1. 2014 prodávány na českém trhu. Navíc od 1. 1. 2018 se zakazuje prodej i na kotle emisní třídy 3. Nevyhovující kotle 1. a 2. emisní třídy musí být v domácností úplně v roce 2022, kdy začne platit zákaz provozu těchto kotlů (MZP, 2016). Větší produkce ultrajemných částic je i v případě používání otevřených ohnišť a ústředního vytápění.
Dalším zdrojem ultrajemných částic jsou tzv. barbecue pointy neboli místa s veřejnými grily. Na území města Brna pouze pět veřejných grilů. Jeden z nich je umístěn na Kraví horu (PRŮVODCE BRNEM, 2016). Další se nacházejí v okolí Brněnské přehrady (viz obr, 4)- a to na Rokli, Pod Dymou a Kozí Horce (LESWEB BRNO, 2017). Problém je, že se ohniště nacházejí v dýchací zóně...
tags: #diplomova #prace #měření #emisí #biopaliv