Metody boje proti znečištění ovzduší

Znečištění ovzduší je celosvětový problém, který ohrožuje zdraví lidí a životní prostředí. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní.

Tento článek se bude věnovat různým metodám a technologiím, které se používají v boji proti znečištění ovzduší, s důrazem na hmotnostní spektrometrii a další inovativní přístupy.

Hmotnostní spektrometrie

Dnes se podíváme na hmotnostní spektrometrii, termín, který spíše odrazuje. Na druhou stranu obor, který zásadně pomáhá třeba v boji proti terorismu. Jak? Hmotnostní spektrometrie je instrumentálně analytická technika, která dokáže ve stopových množstvích určit strukturu organické látky.

Ta metoda je velmi citlivá a velmi rychlá, dokáže pracovat ve velmi složitých směsích, a je tudíž předurčena pro analýzu škodlivých látek. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Stačí chvilka v bezpečnostním rámu a přístroje si zjistí nejenom to, co máte v tašce, ale také zkontrolují vaše chemické složení.

Přístroje dokáží během vteřiny zjistit, jestli cestující nedržel v ruce těsně před odletem chemickou trhavinu nebo jinou nebezpečnou látku. Můžete si vybavit, že jste třeba byli posláni stranou, kde speciální ostraha sejmula vzorek z vašeho příručního zavazadla nebo udělala stěr třeba z oděvu.

Čtěte také: Boj proti znečištění ovzduší: Deklarace

Ten stěr se potom dal do malého přístroje a zjistilo se, jestli potenciálně jsou tam nějaké markery výbušniny nebo nejsou. Hmotností spektrometry můžou měřit kdekoliv a cokoliv, v tom je jejich základní přednost. Zatím jsou na nejcitlivějších místech, třeba na amerických letištích. Vědci usilují, aby se spektrometry rozšířily víc. Jde o včasné varování. Musíme monitorovat například prostory metra po 24 hodin 7 dní v týdnu.

Tohle monitorování nepotřebuje lidskou obsluhu a je opravdu spolehlivé. Výhodou hmotnostní spektrometrie je, že ten samý systém dělá chemický i biologický monitoring dohromady. Fyzikální chemie posunula tuto metodu tak daleko, že pro vypátrání nějaké konkrétní látky jako stopa postačuje naprosto mizivé množství molekul.

Příprava nějakého útoku se dá zaznamenat i ve volné přírodě. Specifické bojové chemické látky zanechávají malé stopy a speciální zařízení hmotnostní spektrometrie je zpravidla najde. K výrobě chemických látek jsou potřeba nějaké výchozí látky. Tyto výchozí látky jsou také na seznamu kontrolovaných látek.

My se zabýváme právě látkami z tohoto seznamu a jsme schopni prokázat jejich přítomnost třeba ve vzorcích vody. A my vyvíjíme z hmotnostní spektrometrie metody, kterými jsme schopni prokázat přítomnost těchto látek třeba v povrchové vodě, v rybniční vodě, ve vodě z řeky.

Přístroje dokáží zjistit chemické složení na základě jedné fyzikální veličiny, totiž hmotnosti. Je to vlastně taková superjemná váha, která umí vážit molekuly. Hmotnostních spektrometrů, tedy ve vědeckém žargonu hmotníků, je celá řada. Příběh hmotníků začal na konci předminulého století.

Čtěte také: Přístupy ke Klimatické Změně

Je to pozoruhodné, ale přímo za vývoj této metody byly uděleny čtyři Nobelovy ceny, ta první někdy kolem roku 1906, jestli se nemýlím, za věci, které souvisely s konstrukcí prvního hmotnostního spektrometru. Začátkem 20. století výzkum začal s velmi jednoduchými látkami, vzácnými plyny. Hmotnostní spektrometrie se během století rozšířila prakticky do všech oblastí vědy a techniky.

S její pomocí se dají poznat těkavé látky, látky organické včetně těch nejsložitějších - bílkovin. Samotné bílkoviny jsou postaveny z 21 základních stavebních kamenů a řetězí se lineárně. To znamená, že těch 21 stavebních kamenů je za sebou, jako když hrajete domino.

Takže si dovedete představit, kolik vznikne možných kombinací, které tyto stavební kameny vytvoří. Hmotnostní spektrometrie má velký význam v oblasti biologie, medicíny a přírodních věd. V minulých deseti letech došlo k obrovskému rozvoji ve využití hmotnostní spektrometrie pro studium bílkovin a také DNA. Na této chemii je závislý život každé buňky, život celého člověka.

Základem většiny těchto přístrojů je magnet. V tomto případě je to supravodivý magnet, nepotřebuje žádnou elektřinu, jeho magnetismus mu pomáhá udržet kapalný dusík a helium, a tedy velmi nízká teplota -273 stupňů.

Na tomto přístroji se zkoumají mnohé biologické vzorky. Povedou třeba k poznání toho, jakými chemickými změnami se projevují různé nemoci. Čeští vědci vyvíjejí také vlastní jedinečné přístroje. Na tomto se kupříkladu budou zkoumat reakce, které můžou probíhat na povrchu stěn fúzního reaktoru ITER.

Čtěte také: Deklarace o znečištění ovzduší

První součást je terčík, na kterém máme nanesen náš vzorek. Náš vzorek, tedy molekuly, v tomto případě jsou to ty žluté kuličky, jsou rozpuštěny v kapce matrice. Matrice je látka, která musí být třeba při této analýze přítomná. Je tam v desetitisíci násobném nadbytku a má tu funkci, že až následně do tohoto vzorku vystřelíme laserem, tak tato matrice absorbuje energii toho primárního laserového svazku. Můžeme si to potom ukázat.

V tomto případě je ta látka zatím elektro neutrální. Proto, aby se převedla do nabitého stavu, do toho iontového stavu, musíme použít laser. Ionty letí analyzátorem, a toto je analyzátor z doby letu. Funguje tak, že my počítáme čas. Ionty, které jsou lehčí, tím analyzátorem proletí rychleji, kdežto ionty těžší v něm stráví daleko delší dobu.

V principu se dá říct, že dráha těch iontů je stejná. Ale rozhodující je čas, my počítáme čas. Ionty, které jsou pomalejší, jsou těžší. Kromě toho, že měříme vlastně přesné hmotnosti, tak ve speciálních experimentech se dají měřit i energie těch iontů. Ale pro klasickou strukturní analýzu stačí ta informace o molekulární hmotnosti, ta je velmi přesná.

Konkrétně tady tato ionizační technika, to znamená způsob, jak vyrábíme nabité částice, ionty, se jmenuje technika MALDI. Je to zkratka pro Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, česky tedy: desorpce laserem za přítomnosti matrice. Tohle je zrovna ionizační technika, za kterou dostal Koichi Tanaka v roce 2002 Nobelovu cenu.

Analýza tkání, respektive třeba pokožky pacientů by nešla dělat tímto způsobem, laserem. Ale používá se na to jiná ionizační technika, která se jmenuje desorpční elektrosprej, a to je natolik jemná technika, že nedojde k poškození tkáně živého pacienta. Řekl bych, že to nebolí.

První změny v lidském těle odhalí hmotnostní spektrometrie dlouho před tím, než propuknou takové nemoci, jako je rakovina, leukémie, Bechtěrevova choroba, cukrovka nebo třeba poruchy ledvin. Lidské tělo začne produkovat látky, které se v něm normálně nenacházejí nebo jen v nepatrném množství. Právě tyto látky můžou sloužit jako tzv. biomarkery, ukazatele, podle kterých odborníci poznají, že organizmus je v ohrožení.

Na živém člověku lze udělat přímou analýzu látek, které jsou přítomny na jeho pokožce, ať je to třeba jeho ukazovák. Jsme schopni určit velmi rychle, že ten člověk snědl nějaké léčivo nebo nějakou drogu, vlastně jaké cizorodé látky jsou přítomny v tom člověku, protože ony se vylučují. Včasná diagnóza znamená první krok pro úspěšnou léčbu. Hmotnostní spektrometrie odhalí poruchy i u ještě nenarozených dětí.

My jsme schopni prokázat přítomnost některých metabolitů, které by se neměly vyskytovat u novorozence v určité koncentraci. Pokud ta koncentrace je příliš vysoká, znamená to, že jeho organizmus v něčem selhává, že pracuje špatně a že je nutné provést nějaký zásah, tedy léčbu.

Můžeme použít pro identifikaci dané choroby skupinu molekul, které se říká markery. To mohou být bílkoviny nebo i nízkomolekulární látky. To mohou být látky i opravdu velmi malé, třeba formaldehyd, který pokud jsme schopni detekovat v dechu pacienta, jsme schopni tím pádem i určit, že má nějaký patologický stav.

Jejich identifikace a současně i kvantitativní zhodnocení, to znamená odpověď na otázku, kolik příslušných bílkovin je v dané tkáni nebo v buňce, to jsou všechno otázky, na které hmotnostní spektrometrie dává odpověď. Ten hmotnostní spektrometrista když vyhodnocuje tu analýzu, to své hmotnostní spektrum, tak ten výsledek posílá přes internet právě do takovéto databáze. Tam na základě několikavteřinového hledání získává rychlý výsledek, tedy tu identifikaci konkrétní bílkoviny, pokud samozřejmě ta bílkovina je přítomna v té databázi, v té knihovně spekter.

Nebýt spektrometrů, chyběly by lidem zásadní informace o znečištění vod nebo vzduchu. Metody hmotnostní spektrometrie při studiu globálního oteplování používá např. nositel Nobelovy ceny z roku 1995 Paul Crutzen. Například skleníkové plyny, které ohřívají atmosféru, jsou měřeny pomocí hmotnostní spektrometrie. Právě skleníkové plyny jsou příčinou globálního oteplování.

Podobně jako skleníkové plyny pomáhá hmotnostní spektrometrie měřit i množství ozónu v atmosféře nebo různé aerosolové částice. Ty můžou být v některých ohledech prospěšné, často ale lidské zdraví spíš ohrožují. Tyto částečky mohou mít pozitivní efekt, například pomáhají ochlazovat planetu, odrážejí světlo do vesmíru, a tím ji ochlazují.

Další metody boje proti znečištění ovzduší

Kromě hmotnostní spektrometrie existuje řada dalších metod a technologií, které se používají v boji proti znečištění ovzduší. Mezi ně patří:

• Filtrace vzduchu: Použití filtrů HEPA a aktivního uhlí k odstranění částic a plynných znečišťujících látek ze vzduchu.
• Ionizace: Rozptylování negativně (a/nebo pozitivně) nabitých iontů do vzduchu, které se vážou k částicím a způsobují jejich usazování.
• UV lampy: Použití ultrafialového záření k ničení mikroorganismů ve vzduchu.
• Fotokatalytická oxidace (PCO): Použití UV lamp spolu s katalyzátorem k likvidaci plynných znečišťujících látek.

HEPA filtrace

High Efficiency Particulate Air (HEPA) filtry, dříve zvané vysoce-účinné pojistky částic, byla původně vyvinuta během druhé světové války, aby se zabránilo propouštění radioaktivních částic z výstupů zařízení jaderných reaktorů. Vzhledem k jejich mimořádně vysoké filtrační účinností, HEPA filtry se od té doby staly zásadní technologií v průmyslových, lékařských a vojenských vnitřních prostorách.

Filtrační média skutečného HEPA filtru jsou vyrobena ze submicronických skelných vláken v tloušťce a textuře podobné savému papíru. HEPA filtr je tradičně definována s minimální účinností odstraňování všech částic 99,97% 0,3 mikrometrů a větší. Podle slov Americké plicní asociace, se považuje za "opravdový" HEPA filtr ten, který nepropustí více než 3 částice z 10 000 částic.

Solární energie

Hlavní přínos solárních panelů pro životní prostředí je značné snížení emisí skleníkových plynů, zejména oxidu uhličitého (CO2). Většina elektrické energie na světě se stále vyrábí ze spalování fosilních paliv, jako je uhlí, ropa a zemní plyn. Kromě emisí CO2 spalování fosilních paliv produkuje také další škodlivé polutanty, které znečišťují naše ovzduší.

Tradiční elektrárny často vyžadují obrovské množství vody pro svůj provoz, zejména k chlazení. Investováním do solární energie se stáváme méně závislými na fosilních palivech. Solární panely tedy nabízejí řadu výhod, které přesahují rámec jednoduché úspory energie nebo peněz.

Drony pro sběr prachu

Česká zemědělská univerzita rozbíhá zajímavý předaplikační projekt, který se pokusí naučit drony odebírat částice prachu z ovzduší. Princip je ten, že se přivádí velmi vysoké napětí na elektrody, které pomocí přitažlivých sil zachycují prachové částice. Vědci si pro testování této metody vybrali Moravskoslezský kraj. Jediný dron by měl sbírat částice v různých časových intervalech.

„Provoz bezpilotních letounů se řídí přísnými pravidly, která určuje Úřad pro civilní letectví. Druhou, a stejně důležitou fází je fáze analytická. „Nasbírané částice chceme podrobit fyzikálnímu i chemickému rozboru. „Pak bude následovat mineralogická i izotopová analýza...

Nákladnost a efektivita metod

Naprosto nekompromisní metoda má ale i své nevýhody. Je to třeba cena přístrojů, které jsou schopny určit, z čeho se skládají věci kolem nás. Nejdražší český hmotnostní spektrometr stál desítky milionů Kč. Spektrometrické monitorování je velmi nákladné.

Dopadají HEPA filtry, UV lampy a PCO v testech?

Některé studie ukazují, že koncentrace ozónu vyrobené generátory ozónu mohou překročit hygienické normy, i když se následují pokyny výrobce. Na koncentraci ozónu má vliv mnoho faktorů, včetně množství ozonu produkovaného stroji, velikost vnitřního prostoru, množství materiálu v místnosti, s níž ozón reaguje, venkovní koncentrace ozonu, a výše větrání. Tyto faktory způsobují, že je obtížné kontrolovat koncentrace ozónu za všech okolností.

Dostupné vědecké důkazy ukazují, že v koncentracích, které nepřesahují hygienické normy, ozón je obecně neúčinný v kontrole znečištění vnitřního ovzduší. Koncentrace ozónu by musely výrazně překročit hygienické normy, aby byly účinné při odstranění většiny znečišťujících látek v ovzduší. V procesu reakce s chemickými látkami v interiéru, může ozón produkovat další chemikálie, které samy o sobě mohou být dráždivé nebo žíravé.

Ačkoli u UV záření bylo prokázáno, že ničí mikroorganismy v určité vlnové délce a po určité době expozice a intenzity světla, UV lampy nejsou spolehlivým způsobem pro sterilizaci vzduchu. UV lampy vytvářejí zvýšená zdravotní rizika, problém s likvidací a zvýšení nákladů. Pravděpodobným důvodem, proč někteří výrobci zahrnují UV lampy do HEPA čističek vzduchu není jejich touha zvýšit efektivitu systémů, protože nelze zaručit, že bakterie budou skutečně spoehlivě zničeny pomocí UV lampy.

EPA (Agentura ochrany životního prostředí)"PCO čističky vzduchu používají UV lampy spolu s látkou, tzv. katalyzátorem, který reaguje se světlem. Někteří výrobci tvrdí, PCO čističkami vzduchu lze odstranit tabákový kouř, mikroorganismy, a další znečišťující částice ve vnitřních prostorách, i když přístroj není určen k odstraňování částic.""Užitečnost PCO čističek vzduchu v domácnostech je omezena, protože katalyzátory dostupné v současné době jsou neúčinné v ničení plynných znečišťujících ve vnitřním prostorách.

Tabulka: Srovnání metod boje proti znečištění ovzduší

tags: #v #boji #proti #znečištění #ovzduší #metody

Oblíbené příspěvky:

• Zákon o ochraně přírody – aktuální komentář
• Dopad skládky MEU na Vejprty
• Autoobory v Ostrožské Nové Vsi
• Třídění kovového odpadu
• Ochrana Arktidy a Antarktidy