Výparové Emise Plynu: Úvod do Problematiky Ultrajemných Částic

Diplomová práce je tvořena dvěma základními částmi. První část představuje úvod do problematiky ultrajemných částic a popisuje vlivy na lidské zdraví. Druhá část má aplikační charakter a zaměřuje se na snížení množství ultrajemných částic v ovzduší měst.

Problematika ovzduší v sobě spojuje více témat, která jsou 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 koncentracím výrazně vyšším. To znamená, že nemají „přístup" ke stejně kvalitnímu vzduchu, jako např. lidé nacházející se na znečištěném předměstí.

Problematika ultrajemných částic je poměrně nová, a tudíž ani mnoho publikací věnujících se pouze tomuto polutantu 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 srozumitelně popisují 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.

Čtěte také: Životní prostředí a znečištění dusíkem a sírou

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. Ultrajemné Částice

Definice Ultrajemných Částic

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).

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).

Čtěte také: Česká republika a emise

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 se používá pro rozšíření znalostí o účincích těchto látek na lidské zdraví.

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.

Imisní Limity v ČR

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. 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.

Čtěte také: EURO 7: Co Přináší Nového?

Součástí regulačního řádu je např. 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).

Zdroje Ultrajemných Částic

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 prod...

tags: #výparové #emise #plynu

Oblíbené příspěvky:

• Efektivní recyklace plastů
• Řešení mechanického znečištění vody
• Atmosférické znečištění
• Ekologická strategie EU
• Berlínské ekologické zóny