Oxidy dusíku a síry v ovzduší: Informace o vlivu na životní prostředí a zdraví

Dospělý člověk spotřebuje denně kolem 15 kg vzduchu, z nichž se při klidném dýchání asi 1/2 kg kyslíku vstřebává do krve a je metabolizováno v těle. Ve srovnání s denní spotřebou přibližně 1,5 kg potravin a asi 2 l vody k pitným účelům je to značné množství. Člověk je až na výjimečné případy vždy odkázán na ovzduší, ve kterém se bezprostředně nachází bez možnosti jakéhokoliv výběru.

Dýchací systém je branou, jíž do organismu vstupují nejen plyny tvořící normální ovzduší, ale i plynné imise, které se dostanou do ovzduší jako znečišťující látky škodlivé až toxické pro organismus. Do organismu se dostávají tuhé imise (prach, popílek, saze) a mikroorganismy (baktérie, viry, spory plísní apod.). Při tom mají velký význam také fyzikální vlastnosti ovzduší (teplota, vlhkost, ionizace, barometrický tlak aj.).

Přirozené a antropogenní složky ovzduší

Kromě stálých složek atmosféry se v něm nacházejí další komponenty přirozeného původu, jejichž koncentrace značně kolísají. Jsou to, vedle již zmíněné vodní páry, oxidy dusíku a ozón vznikající za bouří v elektrických výbojích, oxid siřičitý, fluorovodík a chlorovodík vulkanického původu, sulfan z výronů kyselého přírodního plynu, ze sopek nebo jako produkt činnosti sirných baktérií.

Prach a aerosoly přirozeného původu v ovzduší představují solné částice pocházející z mořské vody, různé typy kondenzačních jader, půdní a rostlinné části, z nichž zejména rostlinné pyly mají z hlediska zdravotního pro nezanedbatelnou část populace značný význam, spóry baktérií apod. Nad mořskou hladinou lze najít nejmenší koncentrace částic v ovzduší (4 mg částic na 1 m3 převážně soli).

V atmosféře se mimo těchto přirozených složek vyskytují v různém množství další plynné příměsi, nebo příměsi kapalné či pevné, které jsou v poměrně nízkých koncentracích. Zatímco dusíku je v normálním ovzduší asi 78 objemových procent, kyslíku pak asi 20 %, je oxidu siřičitého, který se do ovzduší dostává např. s kouřovými emisemi ze spalování uhlí asi kolem 1 desetitisíciny objemového %.

Čtěte také: Proces vzniku NOx

Sloučeniny síry mají hlavně podobu oxidů SO2 a SO3, dále pak sulfanu a sirouhlíku. Ze sloučenin dusíku jsou nejvýznamnější jeho oxidy a amoniak. Oxidy dusíku vznikají při hoření za vysokých teplot, tedy především ve všech elektrárnách a teplárnách na fosilní paliva, a ve válcích pístových motorů.

Vliv znečištění na lidské zdraví

Jen velmi málo primárních znečištěnin si zachovává trvale svou chemickou identitu po vstupu do ovzduší. Skupina látek vytvářených v atmosféře reakcemi mezi znečištěninami buď za pomoci fotoaktivace (hlavně UV záření), nebo i bez ní - někdy označované jako sekundární emise, mohou byt dokonce škodlivější než látky výchozí. Nejznámější z těchto reakcí jsou ty, při nichž vzniká oxidační (dnes označovaný jako letní) smog.

Částice větší než 100 μm poměrně rychle sedimentují a mají proto relativně neveliký přímý zdravotní význam. Kvůli velikosti je omezena i jejich interakce s jinými znečištěninami ovzduší. Mohou to být anorganické prachy např. Pro svůj značný povrch dávají dobrou příležitost ke slučování a jiným reakcím na nich adsorbovaných plynných nebo kapalných znečištěnin. Vedle toho rozptylují světlo. Při jejich vyšším obsahu v ovzduší může docházet ke značnému snižování viditelnosti. Podle své chemické struktury mohou být značně jedovaté pro lidi, zvířata i rostliny.

Částice menší než 10 μm se označují jako aerosol. Hmotnostně je jejich obsah ve vzduchu poměrně malý. Mají velký biologický význam. Za 24 hodin se jich dostane do dýchacího systému téměř 0,01 g, což je několik miliard částic, většinou menších než 1 μm, které infiltruji průdušinkami až do plicních sklípků. Částice menší než 0,01 μm se začínají chovat jako plynné molekuly. Postupně klesá jejich retence v plicích a částice menší než 0,001 μm jsou vydechovány. Částice větší než 10 μm jsou zachycovány v horních dýchacích cestách.

Škodlivost prachů a aerosolů závisí na jejich retenci v plicích a ta je v rozhodující míře ovlivněna jejich disperzitou. Chemické složení prachu je další významný faktor při posuzování zdravotního rizika inhalace. Jestliže prach nemá specifické biologické účinky a působí jenom zaprášení plic, mluvíme o prachu biologicky inertním. Obvykle ale, se jedná o prach biologicky agresivní a v důsledku jeho vdechování vznikají různé plicní koniózy.

Čtěte také: Zdroje pevných částic v ovzduší

Oxidy dusíku mohou dráždit, po inhalaci se vstřebávají do krve za vzniku methemoglobinu, a jsou důležitým faktorem ve fotochemických reakcích. Oxidy uhlíku CO2 a CO vznikají při úplném, resp. nedokonalém spalování uhlíkatých paliv (hlavně z automobilové dopravy). Vysoké koncentrace CO mohou být i na některých pracovištích, např. v kotelnách.

Organických sloučenin je ve znečištěném ovzduší velké množství, hlavně nasycené i nenasycené uhlovodíky alifatické i aromatické a jejich kyslíkaté i halové deriváty. Jsou emitovány jako páry nebo prchavé sloučeniny. Řada polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU) má prokazatelné karcinogenní vlastnosti. Mezi organickými látkami v ovzduší nacházíme také silně dráždivé sloučeniny jako formaldehyd, kyselina mravenčí, akrolein a další.

V souvislosti s rostoucími problémy ve znečišťování atmosféře se tradičně používá název smog, často však nesprávně a v nevhodných souvislostech. Redukční typ smogu, tzv. londýnský smog, je směsí kouře, oxidů síry a dalších plynných spodin spalování uhlí při vysoké relativní vlhkosti vzduchu a je obvykle doprovázen hustou mlhou. Oxidační typ smogu, tzv. losangeleský, dnes označovaný jako letní smog, vzniká na základě zplodin spalování kapalných a plynných paliv a jeho vznik je spojován s masivním znečišťováním ovzduší výfukovými plyny automobilů.

Kouření má podstatně negativní účinek na zdraví z toho důvodu, že ani v oblastech s nejvíce znečištěným ovzduším a za nepříznivých povětrnostních podmínek se obvykle nesetkáváme s takovou mírou expozice člověka, která by byla srovnatelná s expozicí silného kuřáka. Přitom významného zlepšení zdravotního stavu téměř poloviny populace by bylo možné dosáhnout radikálním omezením spotřeby cigaret bez jakýchkoliv investic.

Oxidy dusíku: podrobnější pohled

Mezi nejběžnější oxidy dusíku patří oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO2). Oxidy dusíku jsou přirozenou součástí životního prostředí, vznikají především při spalovaní fosilních paliv za vysokých teplot, během bouřek, mezi producenty se řadí i mikroorganizmy. Oxidy dusíku se podílejí na vzniku kyselých dešťů a přízemního ozónu. NO je významným skleníkovým plynem.

Čtěte také: Jak oxidy síry znečišťují ovzduší?

Člověk je oxidům dusíku vystaven zejména vdechováním. Při zasažení očí a kůže dochází ke vzniku vážných popálenin. Při vdechování nízkých koncentrací se objevuje podráždění oči a sliznic horních cest dýchacích. Na emisích oxidů dusíků se kromě přírodních procesů podílí zejména člověk. Mezi hlavní zdroje patří doprava, chemický průmysl a v podstatě jakékoliv spalovací procesy. V atmosféře oxidy dusíku rychle reagují. Následně klesají zpět na zemský povrch. Z půdy je možný částečný odpar, většina oxidů je ale přeměněna na kyselinu dusičnou a další látky.

Mezi oxidy dusíku patří sloučeniny kyslíku a dusíku, ty nejběžnější jsou oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO2). Dále do této skupiny můžeme zařadit oxid dusitý (N2O3), tetraoxid dusíku (N2O4) a oxid dusičitý (N2O5). Oxidy dusíku vznikají především při vysokoteplotním spalování fosilních paliv. Na přirozených emisích se podílí bouřková a především mikrobiální činnost.

NO je za normálních podmínek bezbarvým až nahnědlým, nehořlavým plynem s typickým, ostře nasládlým zápachem. Bod varu NO je -151,74 °C. NO2 je za normálních podmínek kapalný, s výrazným, štiplavým zápachem. Při teplotě vyšší než 21,1 °C se stává hnědým až červeným plynem.

Znečištění ovzduší oxidy dusíku se dříve hodnotilo pomocí sumy oxidů dusíku označené jako NOx. Pro tuto sumu byl stanoven imisní limit a zároveň jako NOx (a dodnes jsou) udávané nejen emise oxidů dusíku, ale i emisní faktory z průmyslu, energetiky i z dopravy. Suma NOx je přitom tvořena zejména dvěma složkami, a to NO a NO2. Současná legislativa ponechává imisní limit pro NOx ve vztahu k ochraně ekosystémů, ale zavedla imisní limit pro NO2 ve vztahu k ochraně zdraví lidí.

Ze směsi tzv. oxidů dusíku je z hlediska lidského zdraví nejvýznamnější právě oxid dusičitý (NO2). Ten totiž velice snadno proniká do plic, kde je ho téměř 60 % pohlceno v krvi. Je málo rozpustný ve vodě, to znamená, že snadno proniká do dolních dýchacích cest, na rozdíl od např. dobře rozpustného oxidu siřičitého nebo formaldehydu, které působí zejména v horních cestách dýchacích. Zdraví lidé snesou bez následků krátkodobé zvýšení koncentrace až na 2 000 µg/m3, proto tyto látky představují riziko obtíží zejména pro děti a citlivé jedince nebo lidi s astmatickými potížemi. Pro ně je za bezpečnou považována koncentrace desetkrát nižší než pro zdravé lidi. Proto byl limit pro krátkodobou koncentraci stanoven na 200 µg/m3.

Hlavním toxickým účinkem oxidu dusičitého je dráždění sliznice. Nebezpečné pro lidské zdraví jsou už velmi malé koncentrace, jestliže působí po dobu delší než 30 minut. Při otravách směsmi oxidů dusíku je velmi nebezpečná hlavně dlouhodobá latence účinku. První náznaky otrávení se projevují pálením očí, poklesem krevního tlaku, bolestmi hlavy a dýchacími potížemi až po několika hodinách. Chronické otravy mohou být příčinou častější a větší kazivosti zubů, záněty spojivek atd.

Pokud se týká zatížení NOx vnitřků budov, tak je odlišné od venkovníhio prostředí. Do bytů pronikají NOx jednak z vnějšího ovzduší, jednak se uvolňují při kouření tabáku a při provozu plynových spotřebičů či naftových kamen. Zatímco emise ostatních látek klesají, celkové emise oxidů dusíku se za posledních 6 let příliš nezměnily. Naopak mírný nárůst je způsoben zvýšením emisí z dopravy.

Koncentrace oxidů dusíku jsou zvýšené, zvláště ve městech v těsné blízkosti dopravních tepen. Oxidy dusíku se podílejí na globálním oteplování. Emise škodlivin se dostávají do ovzduší, putují se vzdušnými masami a způsobují vznik kyselých srážek. Okyselování povrchových vod pak vyvolává další reakce. Reakcí vody s oxidy dusíku totiž vzniká slabá kyselina dusičná. Ta následně poškozuje prostředí (rostliny, horniny, vodu, stavební materiály).

Původně v tom oxidy síry byly sami, ale záhy se zjistilo, že oxidy dusíku (NOx) jim vydatně (na)pomáhají. Na emisích oxidů dusíku (NOx) se podílejí zdroje spalující fosilní paliva. Zdroje jsou v domácí topeniště na tuhá paliva až po teplárny a elektrárny takzvaně stacionární. Jedním z nemalých zdrojů jsou i veškeré spalovací motory takzvaně mobilní.

Oxidy dusíku vznikají při spalování fosilních paliv oxidací dusíku chemicky vázaného v palivu a molekulárního dusíku obsaženého ve vzduchu, který se účastní spalovacího procesu. Tvorbu NOx při samotné procesu spalováni (ne) dokážeme přesně kontrolovat.

Selektivní nekatalytická redukce, mezi které patří například u Dieslových aut metoda snižovaní NOx za použití AdBlue. Čpavek nebo močovina při spalování přednostně snižuje oxidy dusíku za vzniku jednoduchého dusíku a vodní páry.

Přes narůstající průmyslovou výrobu a spotřebu elektrické energie se produkce těchto polutantů neustále zvyšuje. V atmosféře vznikají přirozeně například působením blesků. Emise NOx vznikají také lidskou činností, například při hoření fosilních paliv.

Současný stav znečištění ovzduší v Evropě

Ačkoli je nyní náš vzduch znečištěn mnohem méně, než tomu bylo před několika desetiletími, každoročně v Evropě v důsledku znečištění ovzduší předčasně zemře přibližně 300 000 lidí. Evropanům nejvíce škodí jemné částice (PM2,5). Jsou tak malé, že se mohou dostat do plic a dokonce do krevního oběhu a způsobit vážné zdravotní problémy. Může se jednat o pevné částice i o kapky různých velikostí.

Emise látek znečišťujících ovzduší se od roku 1990 snížily. Nicméně podle nejnovějších údajů Evropské agentury pro životní prostředí bylo 97 % městské populace EU v roce 2021 stále vystaveno koncentracím jemných částic (PM2,5) nad rámec nejnovějších pokynů Světové zdravotnické organizace (WHO). Největšími zdroji látek znečišťujících ovzduší jsou zemědělství a spotřeba energie.

Oxidy dusíku (NOX) a amoniak (NH3) z ovzduší se usazují v půdě a ve vodních plochách. V rámci procesu nazvaného eutrofizace nadměrné množství těchto chemických látek v řekách, jezerech nebo mořích podporuje rychlý růst řas a vodních rostlin, které mohou při odumírání a rozkladu snižovat obsah kyslíku. Toto vyčerpání kyslíku poškozuje ryby a jiné vodní organismy.

Opatření ke snižování emisí

Emise oxidů dusíku lze stanovit nejlépe analýzou odpadních plynů a následně výpočtem ze zjištěné koncentrace a objemu vypuštěného plynu. Oxidy dusíku je možné stanovit několika analytickými metodami:

• Používá se fotometrické stanovení oxidů dusíku po jejich převedení na NO2 nebo dusičnany ve vhodném absorpčním roztoku.
• Další možností je coulometrická metoda.
• Pomocí instrumentálních on-line metod mobilních přístrojů. Pro instrumentální stanovení jsou nejčastěji využívána zařízení založená na stanovení obsahu oxidů dusíku pomocí chemiluminiscence.

Emise oxidů dusíku ze spalování vznikají ze tří hlavních důvodů a dle nich se nazývají palivové, vysokoteplotní a promptní.

• Palivové NOx: hlavním zdrojem těchto oxidů dusíku jsou paliva obsahující dusíkaté látky. Tento dusík je pak během hoření oxidován na oxidy dusíku a odchází společně s dalšími produkty hoření do ovzduší. Tento druh oxidů dusíku může tvořit až 50 % z celkové produkce oxidů dusíku při spalování olejů (LTO) a až 80 % při spalování uhlí. Emise lze snížit či vyloučit používáním bezdusíkatých paliv.
• Termické NOx: vznikají z molekul N2 obsažených ve vzduchu, který se účastní spalování. Vlivem vysoké teploty je tento atmosférický dusík rozštěpen a s přítomnými atomy kyslíku vznikají oxidy dusíku. Jejich množství je závislé na teplotě spalování a na době zdržení ve spalovacím prostoru. Emise proto lze snížit vhodným uspořádáním spalování.
• Promptní NOx: vznikají tak, že molekulární dusík je přeměňován přes meziprodukty na NO na rozhraní plamene radikálovými reakcemi za přítomnosti uhlovodíků. Emise lze snížit obtížně, avšak jejich podíl je obvykle malý.

Oxidy dusíku ve spalinách je nutno odstraňovat buď selektivní nekatalytickou redukcí s močovinou či amoniakem nebo pomocí selektivní katalytické redukce s amoniakem. Oběma metodami se NOX mění pomocí uvedeného redukčního činidla na elementární dusík a vodu. Nejnověji se pro odstranění NOx začínají uplatňovat kombinované tkaninové filtry, které mají na vnitřní straně filtrační tkaniny nanesenou katalytickou vrstvu.

Zdroje znečišťujících látek a jejich procentuální zastoupení v ovzduší

Následující tabulka znázorňuje procentuální zastoupení různých znečišťujících látek v ovzduší.

tags: #oxidy #dusiku #a #siry #v #ovzdusi

Oblíbené příspěvky:

• Ochrana mořských živočichů
• Mapa ohrožení lesů imisemi
• Fotografie přírody
• Definice a význam interakčních prvků
• Recyklace Starého Oblečení