Ionizátor jako nábytkový zařizovací prvek v interiéru pro redukci vybraných znečišťujících látek

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nábytku, designu a bydlení Ionizátor jako nábytkový zařizovací prvek v interiéru pro redukci vybraných znečišťujících látek Diplomová práce 2013 Bc. Zdenka Černá

2 Místo této stránky vevázat zadání práce.

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Ionizátor jako nábytkový zařizovací prvek v interiéru pro redukci vybraných znečišťujících látek zpracovala sama a uvedla jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne:... podpis studenta

4 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Jaroslavu Svobodovi Ph.D., Ing. Zdeňkovi Muzikářovi Ph.D., Stéphane Schröder, Ing. Zdeňkovi Holoušovi Ph.D., doc. Ing. Karlu Drápelovi, CSc. a Ing. Janu Trochtovi za cenné rady a odborné vedení při zpracování této diplomové práce. V neposlední řadě bych také ráda poděkovala všem svým přátelům za podporu a pomoc.

5 Když teď všude čtu tolik špatného o kouření, tak uvažuji, že přestanu číst. (Winston Churchill)

6 Autor: Bc. Zdenka Černá Název diplomové práce: Ionizátor jako nábytkový zařizovací prvek v interiéru pro redukci vybraných znečišťujících látek Abstrakt: Diplomová práce je zaměřena na problematiku kvality ovzduší ve vnitřním prostředí. Práce se zabývá obecně mikroklimatem interiéru, faktory, které ovlivňují jeho kvalitu, elektroiontovým mikroklimatem, důsledky nevhodného mikroklimatu na lidské zdraví v podobě syndromu nemocných budov. Praktická část řeší problematiku využití umělé ionizace s důrazem na redukci vybrané znečišťující látky, cigaretového kouře. Vliv umělé ionizace na redukci daného polutantu potvrdilo měření změn jeho koncentrace ve zkušebním zařízení. Doplňkově bylo stanoveno i množství kladných a záporných iontů před a po redukci znečišťující látky. Navržený nábytkový solitérní zařizovací prvek určený do obytného interiéru s integrovaným ionizátorem vycházel ze získaných informací. Klíčová slova: bambus, cigaretový kouř, CO, ionty, mikroklima, NO, NO 2

7 Author: Bc. Zdenka Černá Diplom thesis: Ionizer as a designer item in the interior used for reduction of chosen pollutants Abstract: This diploma thesis draws on the issue of the quality of the air in the indoor environment. It focuses on the microclimate on the indoor microclimate, on factors which influence its quality. It also focuses on the electro ion microclimate and on the consequences of the bad microclimate on the human health (in a form of sick buildings). The practical part examines on the use of artificial ionization with an emphasis on the reduction of a chosen polluting substance, cigarette smoke. The influence of the artificial ionization on the reduction of the chosen pollutant has been proven by measuring the changes of its concentration in a measuring device. The amount of negative and positive ions before and after the reduction of the pollutant has also been defined. The designed solitaire item which is designated for indoor usage has come out of the acquired information. Key words: bamboo, cigarette smoke, CO, ions, microclimate, NO, NO 2

8 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ A JEHO MIKROKLIMATICKÉ SLOŽKY Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního ovzduší Cigaretový kouř jako zdroj polutantů v interiéru Aktivní a pasivní kouření Primární a sekundární proud cigaretového kouře Cigaretový kouř Chemické složení cigaretového kouře Složky cigaretového dýmu Chemické látky cigaretového kouře Ostatní polutanty v interiéru Vliv polutantů v interiéru na zdraví Syndrom nemocných budov ELEKTROIONTOVÉ MIKROKLIMA Historie výzkumu vzdušných iontů Dělení iontů Pohyblivost iontů Vznik iontů Zdroje ionizační energie v přírodě Přirozené elektroiontové prostředí Koeficient unipolarity P Zánik iontů Vliv materiálů na koncentraci lehkých iontů Vliv lidských činností na ionizaci vzduchu Vliv iontů na člověka Subjektivní hodnocení Objektivní hodnocení Umělá ionizace vzduchu Druhy ionizátorů Ionizátory s koronovým výbojem Ionizátory elektrofluviální Ionizátory s radioaktivním zářičem Hydrodynamické ionizátory Ionizátory s UV zářením Termické ionizátory Doporučené hodnoty METODIKA A POSTUP PRÁCE Stanovení postupu měření Metodika Podmínky měření ve zkušebním prostředí Použitý materiál Použité přístroje Ionizátor a čistička vzduchu Bionic YB Měřící zařízení Madur GA- 12 plus Iontmetr... 33

9 5.5.4 Ventilátor Digitální teploměr s vlhkoměrem Postup práce Výsledky měření Výsledky doplňkového měření počtu iontů Dokumentace vlivu umělé ionizace NÁVRH NÁBYTKOVÉHO SOLITÉRNÍHO PRVKU Koncept Charakteristika materiálu Návrh pro odpočivnou část interiéru- Zaya Návrh do společenské části interiéru- Zafra DISKUZE ZÁVĚR SUMMARY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH... 56

10 1 ÚVOD Ovzduší je nejdůležitější složkou životního prostředí, protože pro život vzduch potřebujeme trvale. Týká se to jak venkovního ovzduší, tak i ovzduší vnitřního, tj. ovzduší v obytných prostorech. Člověk ve vyspělých zemích tráví až 90% svého času ve vnitřním prostředí. Podle Maxe von Pettenkofer je odpovídající dávka venkovního vzduchu pro osoby nevykonávající fyzickou činnost přibližně m 3 /h.os. (Rubinová, 2012) Lidský organizmus denně spotřebuje okolo 350l kyslíku. Spolu s rozvojem průmyslu došlo ke zhoršení kvality venkovního ovzduší a tím i vzduchu ve vnitřním prostředí. Mikroklima v interiéru ovlivňují mimo jiné materiály použité na samotné stavby, zařizovací a dekorační prvky a vybavení, které člověk potřebuje ke svému životu. Kromě znečišťování vnitřního ovzduší zvyšováním koncentrace polutantů obsažených ve vnějším ovzduší, má vliv na jeho kvalitu také snaha o snižování energetických ztrát a nahrazení přirozené cirkulace vzduchu klimatizací, kdy dochází ke kumulaci znečišťujících látek uvnitř budov. V důsledku těchto faktů se u lidí objevuje pocit diskomfortu, snížení pracovní výkonnosti a různé zdravotní problémy. Problémy vyskytující se v návaznosti na mikroklima v interiéru se nazývají syndrom nemocných budov. Nevhodné prostředí může u člověka vyvolat alergické reakce s různými projevy a důsledky na jeho zdraví. Součástí ovzduší je elektroiontové mikroklima. Bylo prokázáno, že ionty různé hmotnosti a polarity mají odlišný vliv na lidský organizmus. Záporně nabité ionty působí příznivě na zdraví člověka. Kvalit uvnitřního mikroklimatu lze zlepšit zvýšením jejich koncentrace. Vzhledem k rostoucím počtům onemocnění a zhoršování kvality ovzduší uvolňovanými polutanty, je třeba se zabývat elektroiontovým mikroklimatem a možnostmi eliminace znečišťujících látek vyskytujících se v interiéru. 1

11 2 CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce je podat přehled ohledně přirozené a umělé ionizace, zjistit, jak může ionizátor umístěný v interiéru zlepšit kvalitu ovzduší v rámci redukce vybraných složek cigaretového kouře a navrhnout solitérní nábytkový prvek, který bude plnit funkci ionizátoru a nebude zatěžovat mikroklima v místnosti. Práce v teoretické části popisuje obecné informace ohledně mikroklimatu interiéru s důrazem na elektroiontové mikroklima, faktory, které ovlivňují jeho kvalitu, syndromem nemocných budov, kouřem tabákových cigaret coby jedním z největších zdrojů polutantů ve vnitřním prostředí a umělou ionizací s důrazem na redukci vybrané znečišťující látky - cigaretového kouře. Praktická část se zabývá stanovením množství znečišťujících látek ze dvou tabákových cigaret, vlastním měřením koncentrace znečištění zkušebního prostředí polutanty před a během umělé ionizace. Ve zkušebním zařízení následně je změřena i koncentrace kladných a záporných iontů před a po redukci znečišťující látky. Vliv umělé ionizace na eliminaci polutantů je zdokumentován videem. Ze získaných informací a měření vychází návrh ionizátoru, jako solitérního zařizovacího nábytkového prvku určeného do obytného interiéru. 2

12 3 ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ A JEHO MIKROKLIMATICKÉ SLOŽKY Životní prostředí člověka je fyzická realita, která ho obklopuje a je ve vzájemném působení. Prostředí ovlivňuje stav organizmu člověka a stejně tak i člověk ovlivňuje svojí činností prostředí kolem sebe. Člověk je neustále obklopen vrstvou vzduchu, jakožto hlavní složkou jeho prostředí. Vzduch je všudypřítomný, jeho výskyt není prostorově omezený. Ovzduší se v poslední době stalo nejohroženější složkou životního prostředí. Zdrojem znečišťování je především průmyslová činnost, těžba surovin, energetický průmysl, doprava atd. Čistý vzduch neobsahující žádný prach ani jiné částice včetně plynných znečišťujících látek je ideální plyn a v přírodě se v takovéto podobě nevyskytuje. (Tölgyessy, Fargašová, 1991) Prostředí lze rozdělit podle situování na interní a externí. Interní prostředí je vnitřní prostředí, tzn. interiér budov. Externí prostředí zahrnuje vnější prostředí vyskytující se mimo stavby. (Jokl, 1991) Interiér rozlišujeme na privátní a veřejný. Privátní interiér je určen pro pobyt a činnosti konkrétního člověka nebo jasně definované skupiny osob (např. rodina) a jejich potřeby. Veřejný interiér slouží jako místo pro pobyt, styk a komunikaci mezi osobami a vykonávání činností, pro něž je vytvořeno. (Hála, 2009) Každé prostředí má své specifické mikroklima. Mikroklima dle Jokla (1991)je složka vymezeného prostoru, tvořená jednotlivými mikroklimatickými složkami, na jejichž přenosu se podílí vzduch. Mikroklima prostředí lze rozdělit na tepelněvlhkostní, odérové, toxické, aerosolové, mikrobiální, elektroiontové, elektrostatické, elektromagnetické, ionizační, akustické a světelné mikroklima. Organismus člověka je přírodou vybaven určitou schopností přizpůsobit se změnám podmínek, ovšem dnes se adaptabilita lidského organismu nestíhá vyrovnávat se změnami ve svém životním prostředí a dochází tak k prudkému nárůstu tzv. civilizačních onemocnění. (Meletová, ) 3

13 Zvyšování znečištění vnitřního ovzduší je způsobeno třemi hlavními důvody: 1. Z důvodů rostoucích cen za energie se během projektování budov klade důraz na co největší snížení tepelných ztrát. Přirozené větrání okny je nahrazováno klimatizací a tím dochází ke kumulaci škodlivin ve vnitřním ovzduší. 2. V budovách se stále více zvyšuje výskyt chemických látek. Jejich zdrojem jsou látky obsažené v nových konstrukčních materiálech, nábytku, užívaných chemických čisticích a úklidových prostředcích, nedostatečná údržba prostorů, kouření v interiéru atd. (Drahoňovská, 1996) 3. Vlivem činností člověka, především průmyslovou činností (těžba surovin, energetický průmysl, doprava atd.), dochází ke znečišťování vnějšího ovzduší, které pak ovlivňuje kvalitu vzduchu uvnitř budov. (Tölgyessy, Fargašová, 1991) 3.1 Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního ovzduší Dle Provazníka (2000) člověk tráví 21h ve vnitřním prostředí, kde inhaluje polutanty. Faktory, které ovlivňují kvalitu vnitřního ovzduší, lze rozdělit do tří základních kategorií: 1. Fyzikální: vlhkost, teplota, proudění vzduchu 2. Chemické: organické a anorganické škodliviny 3. Biologické: roztoči, plísně, bakterie, viry, pyly, prvoci, části rostlin, prach ze srsti a exkrementů zvířat, textilní prach (Meletová, ) 3.2 Cigaretový kouř jako zdroj polutantů v interiéru Kouření tabáku a cigaret patří mezi největší zdroje polutantů ve vnitřním prostředí. Cigaretový kouř obsahuje řadu chemických látek, které působí negativně na zdraví člověka a to jak v případě aktivního tak i pasivního kouření Aktivní a pasivní kouření Aktivní kuřák, je osoba, která dobrovolně přijímá kouř cigarety nebo jiných tabákových výrobků. Aktivní kuřák sám inhaluje látky obsažené v daném tabákovém výrobku, ale zároveň jim vystavuje své okolí v podobě vydechovaného a sekundárního kouře. Inhalace vydechovaného kouře spolu s vdechováním sekundárního kouře se nazývá pasivní kouření. 4

14 3.2.2 Primární a sekundární proud cigaretového kouře Primárním proudem cigaretového kouře je ta část kouře, která je vdechována kuřákem a je filtrována cigaretovým filtrem. Obsahuje vždy o něco méně škodlivin než sekundární proud kouře. Sekundární proud kouře uniká volným hořením cigarety. Pasivní kuřák vdechuje kouř vydechovaný kuřákem a zároveň i sekundární proud kouře. Sekundární kouř obsahuje daleko více škodlivých látek, protože se k příjemci dostává v nefiltrované podobě. Tabák navíc hoří za podstatně nižších teplot, a je tedy méně dokonale spalován. Sekundární kouř obsahuje více rakovinotvorných a dráždivých látek. (Palátová, 2004) Obr. 1 Procentuální podíl silných kuřáků podle věkových kategorií (Jandová, Cechl, 2012) Cigaretový kouř Cigaretový kouř je aerosol, který tvoří přibližně z 10% pevné částice rozptýlené v plynné fázi, která tvoří 90% kouře. Hořením cigarety dochází k nedokonalému spalování skrz nízkou a nestabilní teplotu hoření tabáku za nedostatečného přístupu kyslíku spolu s přítomností málo hořlavých částí rostlin a různých aditiv regulující hoření cigarety. Vzniká tak řada toxických plynných látek Chemické složení cigaretového kouře V tabákovém kouři bylo dodnes identifikováno přes chemických substancí podílejících se na škodlivých účincích kouření, ze kterých 60 má karcinogenní účinky. Samotný kouř z cigaret je klasifikován do seznamu karcinogenů I A třídy. (viz Tab.1) 5

15 Tab. 1 Klasifikace karcinogenů dle IARC (Mezinárodní agentury pro výzkum rakoviny), Lyon, 1998 (Černohorský, 2001) Klasifikační třída 1 Karcinogenní látky Složky cigaretového dýmu Definice látky 2 A Pravděpodobné karcinogeny 2 B Možné karcinogenní látky 3 Zatím neklasifikované karcinogeny 4 Pravděpodobně nekarcinogenní látky Část těchto látek pochází z tabáku, část jich pochází z přísad, které se do cigaret přidávají. Celkem je to okolo 700 látek, které se do cigaret přidávají pro zlepšení jejich senzorických vlastností, pro zajištění stejnoměrného vyhoření a neuhasínání, aby se kouř vinul atp. Nejvíce látek vzniká při hoření cigarety, a to pyrolýzou substancí obsažených cigaretě, které se vysokou teplotou mění na jiné chemické látky Chemické látky cigaretového kouře Oxid uhelnatý CO Oxid uhelnatý je vysoce toxický plyn bez barvy a zápachu. V těle se váže na hemoglobin za vzniku karboxyhemoglobinu (COHb), dochází tak k zablokování přenosu kyslíku v organizmu a to vede k vnitřnímu dušení. Již při transformaci 25 % hemoglobinu se projevuje u člověka otrava v podobě bolesti hlavy, nevolností a celkovou slabostí. Vyšší koncentrace tohoto plynu v organizmu způsobují zvracení, dezorientaci, ztrátu vědomí a smrt. (Peštálová, 2003) Hlavním zdrojem oxidu uhelnatého v dnešní době je také nedokonalé spalování zemního plynu např. v karmách, nedostatečně větrané kuchyně s plynovým sporákem, výfukové plyny atp Oxidy dusíku NOx Ve vnitřním prostředí se může vyskytovat osm dusíků, ze kterých jen dva mohou svojí koncentrací způsobit prokazatelný vliv na zdraví a to oxid dusičitý (NO 2 ) a oxid dusný (NO). 6

16 Oxid dusičitý je dráždivý jedovatý plyn. Částečně ho pohlcuje při vdechnutí hlen dýchacích cest, ale protože není ve vodě rozpustný, tak horní cesty dýchací zachytí relativně malé množství. Způsobuje záněty dýchacích cest nebo dokonce edém plic. (Šuta, 2008) Oxid dusný, triviálním názvem rajský plyn, je bezbarvý, nehořlavý plyn s nasládlou vůní. (drogy-info.cz, 2003) V krvi se váže na hemoglobin, vzniká methemoglobin (met-hb) a zabraňuje tak transportu kyslíku z plic do tkání. (Maxdorf, s.r.o, 2008) Drahoňovská (1996) uvádí, že ke špatnému okysličování tkání organizmu dochází oběma plyny zároveň, protože většina zařízení ve vnitřním prostředí produkuje oxid uhelnatý a zároveň i oxid dusný. Primárními zdroji oxidů dusíku jsou v interiéru kromě cigaretového kouře emise z automobilové dopravy a zdroje spalující fosilní paliva za vysokých teplot, plynové sporáky atp. uvádí se, že na území České republiky používá plyn v kuchyni k vaření a pečení kolem 80 % domácností, elektřinu přibližně 18 % a zbylá 2 % využívají jiné zdroje, včetně spalování pevných paliv Ostatní látky obsažené v cigaretovém kouři Nikotin je rostlinný alkaloid obsažený v tabáku a nejvýznamnější alkaloid v tabákovém kouři. Vyvolává psychickou a fyzickou závislost, je tedy považován za drogu. V dávce přibližně 50mg se stává smrtelným. Cigareta obsahuje od 1 až 4 mg. Během několika sekund po inhalaci kouře do plic se nikotin dostává krevním řečištěm do mozku, kde obsazuje specifické nikotinové receptory. Váže se také na receptory v periferním vegetativním nervovém systému, který řídí vnitřní orgány. Dalšími alkaloidy tabákového kouře jsou anatabin, anabasin a v malém množství také anatallin. Kyanovodík je jedovatý plyn, který patří mezi nejrychleji působící a nejprudší jedy. (Mlčoch, ) Do organismu proniká velmi rychle sliznicemi, kůží i plícemi. V těle se váže na iont železa a zabraňuje tak přenos kyslíku z hemoglobinu do tkání lidského organizmu. Působí také na centrální nervový systém.(integrovaný registr znečišťování, 2006) Nitrosaminy patří mezi nejvýznamnější skupinu škodlivých látek tabákového kouře. Experimentálními pokusy na laboratorních zvířatech byly označeny 7

17 za karcinogenní látky a s největší pravděpodobností mají stejné účinky i na organizmus člověka. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) jsou v organismu člověka metabolizovány na reaktivní substance, které mají karcinogenní účinky. Cigareta je významným zdrojem benzoapyrenu (10-30 ng v cigaretě), jednoho z nejnebezpečnějších polycyklických aromatických uhlovodíků této skupiny látek vykazující silné karcinogenní a mutagenní vlastnosti, dále pak kouř obsahuje benzeopyren, chrysen atp. V cigaretovém kouři je stopové množství asi 30 kovů, ze kterých ve větším množství z kovů nebezpečných pro zdraví je to především nikl, karcinogenní kadmium a arsen. Kovy jsou v cigaretě přítomny skrz jejich výskyt v půdě, ve které rostou rostliny tabáku, v umělých hnojivech a zemědělských postřicích používaných při jejich pěstování. V místnostech, kde se opakovaně kouří, byla zjištěna zvýšená koncentrace radioaktivního polonia-210 a olova-210. Tyto látky se usazují v plicích a uvolňuje se z nich radioaktivní alfa záření, které zvyšuje pravděpodobnost výskytu rakoviny plic. (Mlčoch, ) Hladina těchto látek může být zvyšována chemickými polutanty vyskytující se v interiéru viz Kap. 3.3 Ostatní polutanty v interiéru 3.3 Ostatní polutanty v interiéru V interiéru se vyskytuje značné množství chemických a biologických polutantů. Jejich zdroje mohou být přímo ve vnitřním prostředí nebo se dovnitř dostávají z vnějšího ovzduší. Mezi chemické polutanty vyskytující se v interiéru patří např. formaldehyd, VOC látky, oxidy síry, oxidy dusíku a uhlíku atp. Jejich zdroje bývají přímo ve vnitřním prostředí (např. nábytek, stavební materiály, nátěry, čistící prostředky), nebo se do interiéru dostávají z vnějšího ovzduší (např. látky vznikající z automobilového provozu, průmyslové činnosti atp.). Tyto látky zvyšují hladinu polutantů uvolňujících se z cigaretového kouře. (Drahoňovská, 1996) Další chemickou látkou znečišťující vnitřní mikroklima je radon, který se do interiéru dostává prasklinami ve stěnách z podloží a půdy, na kterém je objekt postaven. (Provazník, 2000) Česká republika se skrz svoji geologickou stavbu řadí k zemím s vyšší průměrnou koncentrací radonu 8

18 v bytech. (Broncová, Kopec, 2010) V interiéru se většinou tyto látky vyskytují v podprahových hodnotách, mohou však být zdrojem nepříjemných odérů nebo dosáhnout koncentrací, kdy začnou vykazovat toxické účinky. Mezi další polutanty vyskytující se ve vnitřním prostředí patří azbestová vlákna, která se do vzduchu uvolňují mechanickým poškozením izolací z azbestu. Azbest může mít karcinogenní účinky a kouřením v místnosti s výskytem těchto vláken se zvyšuje pravděpodobnost jejich vdechnutí. (Drahoňovská, 1996) Interiér z vnějšího prostředí znečišťuje polétavý prach, který je tvořen tuhými, pevnými částicemi unášenými vzduchem. Částice mají různou velikost, chemické složení a původ. Prach (PM 10 ) větší než 10 µm je při běžném povrchovém dýchání zachycen sliznicí dutiny nosní. Částice (PM 5-10) o velikosti mezi 5 až10 µm se usazují v jemných dýchacích cestách. Vážné respirační problémy způsobuje zejména hrubá frakce polétavého prachu PM 2,5-10, protože se skrz svoji velikost (2,5 10 µm) dostává hluboko do dýchacích cest. (Šuta, 2008) Ve vnitřním prostředí se vyskytují také biologické polutanty, které zahrnují prach, pyly, chlupy, plísně, mikroby, roztoče, frakce jejich těl a produkty jejich metabolismu, šupinky lidské kůže, vlasy, částečky textilií a potravin. Všechny tyto částice tvoří bytový prach. Lidský organizmus je na mikroorganizmy a biologické polutanty dlouhodobě adaptován, ale při výskytu ve vnitřním prostředí však mohou mít na zdraví člověka negativní vliv.(meletová, ) V případě mikrobiálního znečištění hrozí nejen jejich dráždivé vlastnosti pro lidský organizmus, ale i možné uvolňování toxických látek např. plísně. (Provazník, 2000) Na rozdíl od ostatních polutantů se ve vnitřním prostředí mikrobi mohou kumulovat a dále rozmnožovat. (Meletová, ) Dalším významným biologickým polutantem expandujícím z vnějšího prostředí jsou pyly, které vyvolávají alergické reakce a to zejména jejich menší zrna. Obvyklá velikost většiny pylových částic se pohybuje od 15 do 200 µm. Ve Střední Evropě je pylová sezóna poměrně dlouhá, protože má tři hlavní období v roce- jaro, léto a podzim.(rybníček, 1996) 3.4 Vliv polutantů v interiéru na zdraví Inhalované polutanty vyvolávají alergické reakce, které se mohou projevovat v podobě zánětů horních cest dýchacích, vyrážek, podrážděností smyslových orgánů, 9

19 otoků, astmtu apod. V interiéru se vyskytují ale také látky vyvolávající závažnější zdravotní potíže. Konkrétně v případě zkoumaného cigaretového kouře se jedná nejen o substance, které dráždí oči a dýchací cesty, ale i toxické látky, karcinogeny, mutageny, ovlivňující genetickou informaci DNA, a látky zhoršující početí a zdravý vývoj plodu (více Mlčoch, a Drahoňovská, 1996) (viz Kap Chemické složení cigaretového kouře a 3.3 Ostatní polutanty v interiéru) Polutanty také přispívají ke vzniku SBS syndromu (viz Kap. 3.5 Syndrom nemocných budov) Tab. 2 Příklady možného negativních působení znečištěného vnitřního prostředí na různé cílové populační skupiny (Provazník, 2000) Cílová skupina Obyvatelé budovy Architekti, stavitelé, výrobci Vlastníci budov Zaměstnavatelé Negativní účinky Poškození zdraví, diskomfort, akutní onemocnění, nespokojenost, ztráta výkonnosti v práci a nevyužití pracovní doby Zvýšení nákladů na právní výkony, soudní výroky a vyrovnání, obchodní ztráty a ztráty reputace Zvýšení nákladů na právní výkony, soudní výroky a vyrovnání, náklady na opravy, ztráta času a výnosu Ztráta produktivity a výnosu, kompenzace zaměstnancům, ztráta image 3.5 Syndrom nemocných budov Pojem Syndrom nemocných budov známý jako Sick Building Syndrome SBS zavedla v r Světová zdravotnická organizace. Syndrom označuje zdravotní obtíže lidí pracujících nebo žijících v budově, které vznikají bez zjevné příčiny. Příznaky se zhoršují v okamžiku pobytu člověka v budově, a ustupují nebo zcela mizí, když budovu opustí. Jeho působením se zhoršují mezilidské vztahy, pracovní výkonnost a celkový zdravotní stav člověka. Provazník et al (2000) uvádí, že nejčastějšími příznaky jsou zrakové potíže, záněty horních cest dýchacích, krvácení z nosu a kožní příznaky. Často se Syndrom nemocných budov projevuje také celkovou únavou, bolestmi hlavy, insomnií, zažívacími potížemi, poruchami soustředění, podrážděností a problémy se štítnou žlázou. Budovy způsobující syndrom mají společné charakteristické znaky, které se objevují jak v činžovních domech, tak i v rodinných domech a ve všech ostatních typech budov, kde se u lidí objevily příznaky SBS. Ve všech budovách se nemusí 10

20 vyskytnout všechny typické znaky a ne všechny tyto znaky musí vyvolávat syndrom. Postižené budovy bývají postavené v 60. letech nebo později, jsou vybaveny klimatizací s možností chlazení, osvětlení ostře září nebo bliká, nevhodná úroveň větrání, špatná regulace teploty projevující se příliš vysokými teplotami nebo kolísáním teplot během dne, nevhodná relativní vlhkosti vzduchu, velké množství čalouněného nábytku a koberců, nový nábytek, nové malby a nátěry, špatná údržba budovy, nedostatečný úklid, mnoho otevřených regálů a kartoték, ovzduší je znečištěno prachovými částicemi a vlákny, tabákovým kouřem, ozónem, VOC a odéry, často také v postižených prostorech se vyskytuje velké množství výpočetní a komunikační techniky. Podle průzkumu organizace WHO z r se Syndrom nemocných budov projevuje u 30 % novostaveb nebo zrekonstruovaných objektů. (Provazník et al., 2000) 11

21 4 ELEKTROIONTOVÉ MIKROKLIMA Vnitřní i venkovní ovzduší je neustále více nebo méně ionizováno. Vzduch obsahuje určité množství volných atmosférických iontů, které tak v ovzduší vytváří elektroiontové mikroklima. (Lajčíková, 2007) Molekuly plynů jsou za normálního stavu elektricky neutrální. Vlivem ionizační energie dochází k neelastickým srážkám neutrálních molekul. Jokl (1991) popisuje ionizaci vzduchu jako odtržení jednoho nebo více elektronů z orbitální sféry atomu. Výsledkem jsou elektrony s negativním nábojem a elektrony nesoucí kladný náboj. Na zemském povrchu působí zdroje ionizační energie neustále, proto v přírodě dochází k ionizaci ovzduší v každém okamžiku. Elektricky neutrální ovzduší se v přírodě vůbec nevyskytuje. Probíhá neustále, nejedná se tedy o stav, ale stále probíhající děj. Na ionizovaný vzduch je lidský organizmus dlouhodobě adaptován a pro jeho pocit komfortu se v prostředí musí vyskytovat určitý počet atmosférických iontů. (Lajčíková, 2007) 4.1 Historie výzkumu vzdušných iontů Koncem 19. a začátkem 20. století si řada fyziků všimla jevu, kdy docházelo k samovolnému vybití nabitého elektroskopu. Vybití způsobují vodivé částice, neboli ionty, které jsou přítomny v okolním ovzduší. Po první světové válce se o atmosférické ionty kromě fyziků začali zajímat i lékaři. Ukázalo se, že vzdušné ionty mají význam nejen v přírodě, ale i ve vnitřním prostředí budov. Začaly se konstruovat měřiče a generátory iontů. V 60. letech 20. století se začaly ve světě zakládat specializovaná pracoviště zaměřující se na výzkum v oblasti ionizace vzduchu. V Moskvě vznikla Centrální laboratoř pro studium účinků atmosférických iontů při Akademii věd a byla zpracována pravidla pro iontovou terapii. V 70. letech bylo v Paříži vybudováno podobné pracoviště a prakticky současně vznikla stejně zaměřená pracoviště v USA, Izraeli a Německu. Získané poznatky byly spíš povahy bioklimatologické a biometeorologické, než přímo medicínské. Nezvratně však došlo k prokázání fyziologických účinků na lidský organizmus. 12

22 U nás byl průkopníkem studia ionizace vzduchu akademik František Běhounek, zakladatel Ústavu dozimetrie záření ČSAV. Ve 20. a 30. letech 20. stol. uskutečnil řadu měření elektrického stavu vzduchu v Praze, ve Vysokých Tatrách a během svých dvou expedic k Severnímu pólu. Měření provedl přístroji, které sám zkonstruoval. (Lajčíková, 2007) 4.2 Dělení iontů Atom je nejmenší částice běžné hmoty, kterou lze dále dělit pouze fyzikálně ne chemicky a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z jádra a obalu. Atomové jádro obsahuje protony a neutrony, obal tvoří elektrony. Odevzdáním nebo přijetím elektronu se z atomů stávají elektricky nabité částice, ionty. (Dytrtová, 2009) Ionty lze rozdělit podle několika vlastností: Podle polarity: Kladné ionty (kationty) mají kladný náboj. Vznikají z atomů, molekul nebo částí molekul, které odevzdaly elektron a začal tak převládat kladný náboj jádra. V elektronovém obalu mají po té méně elektronů než jim odpovídající atom. Hlavním zástupcem kationtů v atmosféře je ion dusíku. Záporné ionty (anionty) mají záporný náboj. Vznikají z atomů, molekul nebo částí molekul, které přijaly elektron, takže v elektronovém obalu mají více elektronů než jim odpovídající atom. Anionty v atmosféře zastupují ionty kyslíku nebo vodní páry. Podle hmotnosti: Lehké ionty jsou shluky molekul plynů o vysoké pohyblivosti a životnosti několika sekund, neustále vznikají. Velikost lehkých iontů se pohybuje kolem 10-8 cm. Z hlediska biologického působení jsou nejdůležitější. Střední ionty jsou tvořeny shluky stovek molekul s životností několika minut až hodin. Výskyt středních iontů závisí na vlhkosti vzduchu. Velikost středních iontů je přibližně 10-7 cm. Těžké ionty, Langevinovy ionty, tvoří shluky až tisíců molekul s životností i několik týdnů. Obsahují zpravidla tzv. kondenzační jádro, které je tvořeno částicí prachu, kouře, dýmu nebo mlhou. Čím těžší je kondenzační jádro, tím rychlejší je sedimentace a zánik těžkého iontu. Velikost těžkých iontů se pohybuje kolem 10-5 cm. (Lajčíková, 2007) 13

23 Konečnou podobu rozdělení iontů dali vědci a autoři U. Hõrrak a H. Israël na základě jejich pohyblivosti a atomovém poloměru (viz Tab.3 a 4), rozdělení obou autorů se používá dodnes. (Pončík, 2009) Tab. 3 Rozdělení iontů podle U. Hõrraka (Pončík, 2009) Druh iontů k [ cm 2.V -1.s -1 ] d [nm] Těžké velké ionty 0,0042 k 0, ,0< d 79,0 Lehké velké ionty 0,0740 k 0,0042 4,80 < d 22,0 Střední ionty 0,5 k 0,074 1,60 < d 4,80 Velké seskupení iontů 1,28 k 0,50 0,85 < d 1,60 Malé seskupení iontů 3,20 k 1,28 0,36 < d 0,85 Tab. 4 Rozdělení iontů podle H. Israëla (Pončík, 2009) Druh iontů k [ cm 2.V -1.s -1 ] d [nm] Těžké a ultra těžké ionty 0,0025 k d 114 Langevinovy ionty 0,001 k 0, ,0 < d 114 Střední ionty 0,01 k 0,001 15,6 < d 50,0 Malé střední ionty 1,0 k 0,01 1,32 < d 15,6 Lehké ionty k 1,0 1,32 d 4.3 Pohyblivost iontů Ionty se v ovzduší pohybují rozdílnou rychlostí, která závisí na jejich hmotnosti a kvalitě prostředí. Čím jsou ionty menší, tím rychleji se pohybují, zároveň platí, že čím vyšší rychlost pohybu, tím větší riziko zániku. Anionty jsou menší než kationty, snadněji tedy zanikají. Neustálým procesem vzniku a zániku iontů se v ovzduší udržuje jejich určitá koncentrace. Tab. 5 Rychlost iontů v čistém prostředí (Lajčíková, 2007) Typ iontů Rychlost Lehké 1 2 cm.s -1 Střední 0,5 cm.s -1 Těžké 0,001 cm.s -1 Lehké a záporné ionty se pohybují o něco rychleji a tím se zvyšuje pravděpodobnost jejich zániku. Jejich rychlost značně ovlivňuje prostředí, ve kterém se pohybují. 14

24 4.4 Vznik iontů Ionizace probíhá ve třech fázích: V první fázi dochází k vytržení elektronu z obalu atomu a projeví se tak kladný náboj jeho jádra. V druhé fázi se volný elektron naváže na elektricky neutrální atom nebo molekulu, za kterých se tak stanou záporně nabité částice. Ve třetí fázi se vytváří lehké ionty. Lehké ionty se vyskytují zpravidla v podobě shluku o počtu plynných molekul. Celý shluk nese náboj elektrické částice, na kterou jsou navázané. Ionty tedy mohou vzniknout dvěma způsoby: Prvním způsobem dochází k vytržením elektronu z atomu, začne převládat kladný náboj atomového jádra a vzniká kationt. Druhým způsobem se vytržený elektron zachytí na neutrální atom nebo molekulu, ten tak získá záporný náboj a vzniká aniont. (Lajčíková, 2007) Atmosféra je složena z 78% dusíku, 21% kyslíku a zbylé přibližně 1% tvoří vodní pára, vedlejší a vzácné plyny. (Duda, 2008) Vzhledem k faktu, že 4/5 plynných molekul tvoří dusík, je čtyřikrát větší pravděpodobnost, že ionizace postihne molekulu dusíku než molekulu kyslíku. (Jokl, 2009) Během procesu ionizace se spotřebuje energie na samotnou ionizaci, excitaci a vyzařování vznikající během procesu. Výsledná spotřeba energie je tedy vyšší než jen čistě při ionizaci. Průměrně potřebuje jeden iontový pár ev. Celý proces ionizace, od tvorby po zánik iontů, trvá přibližně 10-6 sekundy. Ionizací dochází k uvolňování vedlejších, toxických, látek. Kyslík a voda v podobě páry jsou pro svoji velkou afinitu k elektronům základem záporných iontů v ovzduší. Ionizovaná molekula kyslíku disociuje na atomární iont kyslíku a na neutrální atomární kyslík, ten reaguje s dusíkem a vznikají tak oxidy dusíku nebo reaguje s další molekulou kyslíku a vzniká tak ozón. V procesu ionizace se tedy prakticky nelze vyhnout vzniku těchto toxických látek. (Lajčíková, 2007) 15

25 Obr. 2 Schéma vzniku ionizovaných částic (Hradecký, 2004) 4.5 Zdroje ionizační energie v přírodě K překonání elektrostatických sil mezi atomovým jádrem a jeho elektronovým obalem je potřeba ionizační energie. Každý plyn má jinou spotřebu energie na odtržení elektronu z elektronového obalu. Elektromagnetické a radioaktivní záření je prakticky všudypřítomné a zajišťuje 95% ionizace. Elektromagnetické záření je nejvýznamnějším zdrojem ionizační energie, pochází z kosmického záření, ultrafialové složky slunečního záření a gama záření radioaktivních látek. Dalším zdrojem ionizační energie je radioaktivní záření vycházející z nitra Země. Vyzařují ho přirozené radionuklidy, konkrétně alfa a beta záření radonu a thoriu vyskytující se v zemské kůře. Koncentrace radioaktivních látek v zemském povrchu není všude stejná. Pole radioaktivního záření není tedy na všech místech stejně silné, a proto na různých místech je i produkce iontů odlišná. Mezi další zdroje patří baloelektrický Lenardův efekt. Rozprašováním vody, při prudkém nárazu vodní kapky na překážku nebo při unikání a praskání bublinek plynu z vody, dochází k tvorbě negativních a pozitivních iontů oddělováním malých částic z povrchu vody, které zčásti nesou záporný (baloelektricý) náboj, vzniklý přesunutými elektrony z jedné molekuly na druhou. Část molekul nebo skupin molekul vody, odtržených z povrchu vody nese tedy negativní náboj. Větší kapky nebo celá 16

26 hmota vody se tak stávají pozitivně nabité. Během tohoto procesem nedochází k uvolňování vedlejších dynamických zplodin, jako jsou oxidy dusíku nebo ozón. Různé druhy vody vykazují odlišnou produkci iontů (viz Tab.6) S rostoucí koncentrací elektrolytu 1, se snižuje množství unikajících záporných nábojů do vzduchu, až při dosažení určité zvratové, neboli reversní, koncentrace se výsledný baloelektrický náboj stává nulovým. Tab. 6 Vliv složení rozprašované vody na tvorbu negativních lehkých iontů hydrodynamickým ionizátorem v prostředí s počáteční koncentrací záporných lehkých iontů 450 iont.cm -3 (Pavlík, 1972) Rozprašovaná voda Destilovaná voda Pitná voda Minerální voda 700 Koncentrace záporných iontů (iont.cm -3 ) Odpařováním vody z vodní hladiny dochází k unikání molekul vodní páry do vzduchu. Procesem odpařování není unášen žádný elektrický náboj, protože molekulární síly, které jsou elektrické povahy, nedovolí únik elektrického náboje a k tvorbě iontů tak nedochází. Dalším zdrojem ionizace je Rudgeův efekt, kdy se vzduch ionizuje pomocí víření prachu, písku a krystalů ledu, stejně tak i Hallwachsovým fotolektrický efekt, různé chemické procesy, hoření, koronové výboje, blesky a elektrická pole různých přístrojů. Kosmické záření je zdrojem ionizační energie zejména pro vyšší vrstvy atmosféry. Ve výšce 4 km nad zemí je jeho intenzita 7 krát větší než na povrchu země a ve výšce 6 km se 20 krát zvyšuje. Ionizaci v nižších vrstvách atmosféry zajišťují radioaktivní látky uvolňující se do ovzduší z půdy, které mají silnou kinetickou energii, a proto jsou i silným ionizátorem. (Lajčíková, 2007) 1 Elektrolyt je vodič z polární látky, která obsahuje kationty nebo anionty. Používá se v podobě taveniny nebo kapalné formě. Vedení elektrického proudu se uskutečňuje pohybem iontů. Elektrolytem mohou být roztoky kyselin, zásad a solí. (Reichel, Všetička, ) 17

27 4.6 Přirozené elektroiontové prostředí Na jednom místě se nevyskytuje stejný počet kladných a záporných iontů, přestože ionizací vzniká dvojice iontů s opačnými znaménky. Země má záporný náboj a ionosféra, dobře vodivá, nabitá vrstva vzduchu ve výši asi 50 km nad zemským povrchem, nese kladný náboj. Mezi těmito dvěma póly se vytváří ve vzduchu elektrické pole, ve kterém jsou kladné ionty přitahovány k Zemi a zároveň záporné ionty k ionosféře. Nad zemským povrchem proto neustále mírně převažují kladně nabité ionty. Na horských vrcholcích je silnější koncentrace ekvipotenciálních čar. Intenzita elektrického pole je v tomto případě větší u malé elektrody, u Země, a menší u velké elektrody, ionosféry. V blízkosti Země dochází v elektrickém poli k urychlení již existujících vzdušných iontů, které mají dostatečnou kinetickou energii pro vznik neelastických srážek s molekulami vzduchu, a dochází tak k nárazové ionizaci. Existují místa, která vykazují výjimečně příznivé elektroiontové mikroklima. Na horách vlivem koncentrace ekvipotenciálních čar je jedna z nejvyšších koncentrací iontů. Jeskyně vykazují velmi příznivé elektroionotvé mikroklima, zejména jeskyně vápencového původu kde se uvolňuje radon, který je zdrojem ionizace. Vysoká koncentrace iontů bývá u vodopádů nebo horských řek, protože zde dochází k Lenardovu efektu. Také na místech po bouřce byla zaznamenána vysoká koncentrace iontů, protože blesk je významným zdrojem ionizační energie. (viz Kap. 4.5 Zdroje ionizační energie v přírodě) (Jokl, 1991) Koncentraci atmosférických iontů ovlivňuje atmosférický tlak, množství srážek, teplota, vlhkost a proudění vzduchu. Stejně tak je odlišná koncentrace v průběhu, dne, měsíce a roku. Na změny koncentrace iontů a jejich polarity reaguje organizmus zejména u tzv. meteosenzitivních jedinců, změny vyvolávají zdravotní potíže (např. bolesti hlavy, únava, nesoustředěnost atp.). Symptomy mohou přetrvávat až několik dní po změně počasí. Meteosenzitivní citlivostí trpí přibližně 30% populace. (Lajčíková, 2007) 18

28 4.7 Koeficient unipolarity P Koeficient unipolarity vyjadřuje poměr kladných iontů k záporným. S rostoucím znečištění ovzduší roste i počet středních a těžkých iontů a klesá počet lehkých iontů, protože zanikají vlivem znečišťujících látek. Koeficient unipolarity v přírodě dosahuje hodnot vždy vyšších než 1,0. Stupeň znečištění vnitřního, ale i venkovního, ovzduší může být tedy stanoven na základě počtu vyskytujících se lehkých iontů. Tab. 7 Koeficient unipolarity v jednotlivých prostředích (Lajčíková, 2007) 4.8 Zánik iontů Prostředí Koeficient unipolarity Příroda 1,0 Znečištěná atmosféra 1,15 1,25 Silně znečištěné prostředí 4,0 6,0 (průmyslové oblasti) K jejich zániku dochází v ovzduší i na pevném povrchu a to jak ve venkovním tak ve vnitřním prostředí. Nejčastěji k zániku iontů dochází rekombinací, kdy se setkají dvě částice opačných znamének, které si předají elektron a stanou se tak opět elektricky neutrálními. K neutralizaci dochází i při styku s opačně nabitými povrchy a vodiči, nebo při setkání lehkého iontu s kondenzačním jádrem, které může být tvořeno kouřem, prachem nebo mlhou. Po setkání lehkého iontu s kondenzačním jádrem se z něj stává střední nebo těžký iont a ten se skrz svoji větší hmotnost rychleji usazuje. Vzhledem ke krátké životnosti zejména lehkých iontů probíhá proces jejich zániku téměř kontinuálně spolu s tvorbou nových iontů, protože přirozené ionizační procesy probíhají neustále v každém okamžiku. Koncentraci iontů ve vnitřním prostředí ovlivňuje člověk svými aktivitami. (viz Kap Vliv lidských činností na ionizaci vzduchu) (Lajčíková, 2007) 19

29 4.9 Vliv materiálů na koncentraci lehkých iontů Všechny materiály použité na konstrukci budovy a vnitřní vybavení jsou v interiéru v kontaktu se vzduchem a ovlivňují tak jeho ionizaci. (Lajčíková, 2007) Existují případy staveb, ve kterých byly naměřeny dokonce nulové koncentrace iontů obou polarit. Roku 1972 v Německé spolkové republice, byla postavena administrativní budova o 10 podlažích z železobetonu, s využitím curtain wall 2, okny vybavenými žaluziemi s nastavitelnými listy pomocí fotobuňky, které se polohovaly podle úhlu dopadu slunce. K úpravě vzduchu byla využita klimatizace nastavená na 22 C, relativní vlhkost 46% a maximální rychlost proudění vzduchu na 0,2 m.s -1. Ve vnitřním prostředí nebyl naměřen jediný negativní ani pozitivní iont. (Jokl, 1991) Veškeré povrchy, které se dostanou do styku s vnitřním ovzduším, způsobují velký zánik vzdušných iontů. Eliminace lehkých vzdušných iontů na povrchu materiálu závisí na velikosti daného povrchu, na fyzikálně-chemických vlastnostech a elektrickém odporu materiálu, vlivu elektrického pole na materiál a na jeho vodivosti. Rozhodující je také polarita elektrostatického náboje na povrchu materiálu, protože ionty jsou přitahovány k opačně nabitým plochám. Dalšími faktory, které se podílí na zániku lehkých iontů kontaktem s povrchem nějakého materiálu, jsou relativní vlhkost, teplota a ionizace vzduchu okolního prostředí. Rozměry styčné plochy mají zásadní vliv na množství eliminovaných iontů. Drsný, nerovný nebo porézní povrch má větší kontaktní plochu a tím je i větší pravděpodobnost zániku lehkých částic při kontaktu s ním. Kompaktní materiály a materiály se zcela hladkým povrchem vykazují menší eliminaci vzdušných iontů. (Lajčíková, 2007) Příznivé pro ionizaci ovzduší je cihlové zdivo a dřevěné konstrukce, protože jsou propustné pro elektrické pole, které ovlivňuje iontové mikroklima v interiéru. (Jokl, 2009) Elektrické pole uvnitř budov, závisí na typu stavební konstrukce. Železobetonové konstrukce, používané na běžné panelové výstavby a konstrukce s ocelovým skeletem, vytvářejí kolem vnitřního prostoru Faradayovu klec. Elektrický 2 Curtain wall je závěsová nenosná stěna, která má odolávat pronikání vody a vzduchu, silám větru, seismickým silám. (Wheaton & Sprague Engineering, Inc., 2013) 20

30 náboj je na Faradayově kleci soustředěn pouze na povrchu a uvnitř klece nepůsobí žádné elektromagnetické nebo elektrické pole. Obr. 3 Schéma Faradayovy klece bez působení žádného elektrického pole (a), Faradayova klec během působení elektrického pole (b), zachování neutrálního prostředí uvnitř Faradayovy klece (Magnet Lab, ) Pokud je stavba z materiálu, který obsahuje ve větší míře radioaktivní látky např. panely z rynholeckého škvárobetonu, pak jejich rozpadem se ovzduší ionizuje a koncentrace iontů vnitřního ovzduší může být vyšší než u venkovního ovzduší. Výjimečný vliv na iontové mikroklima má sklo, protože sklo se chová jako izolant a nenabíjí se, ionty se tak při styku skleněným povrchem odráží. V blízkosti oken, zrcadel a dalších skleněných povrchů tedy potencionálně vzniká převaha iontů. Obecně lze materiály rozdělit na antistatické, omezeně elektrizovatelné a neelektrizovatelné. Antistatické materiály se nenabíjí a tím je jejich vliv na ionizaci vnitřního ovzduší minimální. Elektrizovatelné materiály mohou více nebo méně ovlivňovat koncentraci vzdušných iontů v interiéru. Hodnota pohlcených vzdušných iontů různými materiály se při měření pohybovalo od 0 do 60 %. Materiály lze orientačně rozdělit do 4 skupin, ve kterých jsou seřazeny od materiálu nejvíce pohlcujícího lehké ionty po materiál s nejmenším vlivem na koncentraci lehkých částic. 21

31 Tab. 8 Množství eliminovaných lehkých iontů při kontaktu s elektrizovatelnými materiály (Lajčíková, 2007) Množství eliminovaných lehkých iontů 60% 41 60% 21 40% 20% Materiál čerstvě pálené cihly bez povrchové úpravy překližka bez povrchové úpravy čalounická potahová bavlněná látka přírodní dřevo hladce opracované čerstvá cementovápenná omítka vlněný tkaný koberec hliníkový plech lakovaný ocelový plech křídový papír suché vyzrálé cihly sololit balicí papír papírová tapeta syntetický koberec z PP (Sparta) měděný plech vysušená cementovápenná omítka přírodní korek bez povrchové úpravy syntetický koberec Kovral umakart lakovaný korek s tvrzeným povrchem nerezová ocel mosazný plech lino PVC dřevotříska se syntetickou dýhou nášlapná fólie Novoplast syntetická záclonovina tabulové sklo Čerstvé, nevyzrálé, nevyschlé materiály mají vyšší vlhkost, jsou proto vodivější a roste tak i riziko zániku iontů při styku s jejich povrchem. Vyschnutím se vodivost snižuje a tím klesá jejich vliv na ionizaci vzduchu. Bez měření v konkrétním prostředí a s konkrétními materiály je odhad vlivu materiálů na elektroiontové mikroklima orientační, protože je ovlivňováno více faktory zároveň. (Lajčíková, 2007) 22

32 4.10 Vliv lidských činností na ionizaci vzduchu Lehké ionty se vlivem znečištění mění na střední a těžké ionty a tím v podstatě zanikají. Člověk svými činnostmi znečišťuje ovzduší v interiéru vypouštěním látek nebo samotnými biologickými funkcemi jeho organizmu. Kouření v interiéru nejvíce znečišťuje vnitřní ovzduší. Cigaretový dým je aerosol obsahující množství chemických látek. Hlavní složku cigaretového dýmu tvoří dehet. Mikroskopické kapičky dehtu na sebe váží velké množství lehkých záporných iontů, vznikají tak střední a těžké ionty, které rychleji sedimentují a dochází tak k jejich zániku. Dlouhodobý pobyt více lidí v nedostatečně nebo úplně nevětrané místnosti způsobuje pocit vydýchaného vzduchu a nedostatku kyslíku. Tento subjektivní dojem nastává z nedostatku lehkých záporných iontů ve vnitřním prostředí. Úpravou vnitřního ovzduší pomocí klimatizace se vzduch filtruje, vlhčí a dopravuje potrubím často na značně vzdálená místa. Po celou dobu dopravy vzduchu tak dochází k neutralizaci iontů a výsledkem je vzduch chudý na ionty. V obytném prostředí se klimatizace se využívá výjimečně. Provoz televizní a počítačové obrazovky v obytných prostorech ovlivňuje okamžitou ionizaci vzduchu. Podílejí se na rychlejším zániku lehkých iontů. (Lajčíková, 2007) U obrazovek vzniká vysoké kladné anodové napětí, které působí jako silná potenciálová jáma právě pro lehké negativní ionty v ovzduší. (Jokl, 2007) Tento jev nastává u obrazovek CRT typu 3, dnes se již používají zejména obrazovky typu LCD 4, u kterých vznik potenciálové jámy prakticky nehrozí. Důležitý je také úklid a údržba vnitřního prostředí (viz Kap. 3.3 Ostatní polutanty v interiéru), kdy se tak snižuje množství potencionálních kondenzačních jader způsobujících neutralizace záporně nabytých lehkých částic. (viz Kap. 4.8 Zánik iontů) 3 CRT princip je založen na vystřelování paprsků z katodové trubice obrazovky (CRT = Cathode Ray Tube), které jsou usměrněné elektromagnetickým polem a dopadají na stínítko přes masku, jenž omezuje jejich rozptyl a pomáhá je přesně usměrnit na požadované místo. (Počítačová grafika, 2007) 4 LCD obrazovka funguje na principu tekutých krystalů (anglicky liquid crystal display, zkratkou LCD). Jedná se o tenké a ploché zobrazovací zařízení skládající se z omezeného počtu barevných nebo monochromatických pixelů, podle velikosti obrazovky, seřazených před zdrojem světla nebo reflektorem. (Kovač, 2013) 23

33 Tab. 9 Koncentrace záporných iontů v jednotlivých prostředích (Lajčíková, 2007) (Jokl, 1991) Název prostoru Koncentrace záporných iontů Vzduch v klimatizované místnosti iont cm -3 Vzduch v městském bytě iont cm -3 Vzduch na ulici ve městě iont cm -3 Vzduch na horách iont cm -3 Vzduch v jeskynních prostorech iont cm -3 Vzduch u vodopádů iont cm -3 Vzduch po bouřce iont cm Vliv iontů na člověka Změna koncentrace iontů mění stav ovzduší, který má vliv na člověka jak po stránce subjektivní tak i objektivní Subjektivní hodnocení Dle subjektivního hodnocení se k množství iontů v ovzduší lidé většinou vyslovují jako: Ovzduší chudé na jakékoli ionty je vnímáno jako težké. Vzduch, ve kterém výrazně převažují pozitivní ionty, člověk popisuje jako dusno. Tento jev nastává např. před bouřkou nebo během föhnu 5. Vzduch s převahou negativních iontu působí jako řídký a chladný. Ovzduší s optimálním poměrem pozitivních a negativních iontů v dostatečné nebo velmi příznivé celkové koncentraci je vnímán jako lehký a čistý Objektivní hodnocení Objektivní vlivy iontové nerovnováhy se rozlišují na nepřímé a přímé. 5 Föhn je teplý nárazovitý vítr proudící zpravidla v závětrných stranách pohoří. (Dvořák, ) 24

34 Mezi nepřímé vlivy patří schopnost negativních iontů dosáhnout bakteriostatického až baktericidního účinku na bakterie obsažené ve vzduchu. Tento vliv lze využít v rámci čištění vzduchu v interiéru, kdy tak lze předejít výskytu onemocnění způsobené bakteriemi v ovzduší. Přímé, metabolické, účinky jsou ty, které působí přímo na biologické funkce lidského organizmu. Záporné ionty mají příznivý vliv na alergická a zánětlivá onemocnění plic. Krevním oběhem jsou kyslíkové záporné ionty snadno transportovány do mezimozku, kde probíhá maximum tvorby neurohormonu serotoninu. Serotonin má významné biologické účinky na lidský organizmus, mezi které patří tvorba celkové nálady člověka a regulace spánku. Tento neurohormon zvyšuje pocity bolestivosti v ranách, popáleninách a celkově podporuje agresivitu organizmu. Negativní ionty aktivují v těle enzymy, které rozkládají serotonin na biologicky neaktivní látku, kyselinu 5-hydroxyindoloctovou, která se vylučuje z těla močí. Pozitivní ionty mají opačný účinek, kdy inaktivují enzymy, které serotonin rozkládají a zvyšují tak jeho hladinu v krvi a tkáních. Zvýšením hladiny serotoninu může dojít např. ke zvýšení krevní srážlivosti, průjmu atp. (Sitar, 2006) Ze známých vlivů na kardiovaskulární systém je nejvýznamnější úprava krevního tlaku, ovlivňuje také žlázy s vnitřní sekrecí a v některých případech se ionizace využívá při urychlení hojení povrchových poranění na kůži. Experimentálně bylo prokázáno, že ionizace má vliv také nižší organismy, rostliny a živočichy. Na základě tohoto zjištěného faktu ohledně působení koncentrace iontů na živé organizmy, u kterých serotonin ani jeho metabolity nebyly nikdy zjištěny, a subjektivního hodnocení člověka se předpokládá vliv i na další biologické funkce člověka a nejen na hladinu serotoninu. (Lajčíková, 2007) Ionty se cíleně skrz své účinky používají při léčbě tzv. klimatoterapii Umělá ionizace vzduchu Pokud je koncentrace iontů ve vnitřním ovzduší velmi nízká, lze pro obnovu ionizace v daném prostředí použít zařízení na umělou ionizaci. K umělé ionizaci vzduchu dochází pomocí generátoru iontů tzv. ionizátoru a to pouze za jejich 6 Při léčbě se využívá mikroklima daného prostředí (horské lázně, speleoterapie atp.), mezi využívané složky klimatu patří tlak, teplota, vlhkost, pohyb vzduchu, aerosoly, atmosférická elektřina, radioaktivita vzduchu atp. (Králová, ) 25

35 provozu. Ionizátor produkuje buď ionty obou polarit, nebo zachycuje kladné ionty a do vzduchu emituje jenom záporné ionty. Vzduch také zbavují částic nečistot. Existuje několik typů ionizátorů, které fungují na rozdílných principech. Ionizátor lze použít prakticky v každém interiéru a to jak ve veřejných tak i v soukromých prostorech. Negativní účinky nejsou známy, zaznamenány byly pouze příznivé účinky na lidský organizmus Druhy ionizátorů Ionizátory pracují na různých principech. Samotné ionizátory rozlišujeme elektrofluviální, ionizátory s koronovým výbojem, radioaktivní a hydrodynamické. Pro použití v interiérech se využívají ionizátory, které fungují na principu koronového výboje Ionizátory s koronovým výbojem Jejich princip je založen na koronovém výboji mezi dvěma elektrodami o rozdílných rozměrech. Výbojové napětí dosahuje nízkých hodnot, proto klesá tvorba ozónu a oxidů dusíku na stopové množství. Vyzařovač iontů může být z kovu nebo uhlíkových vláken. Kovová jehla je umístěna tak, aby se emitované lehké záporné ionty snadno šířily do vzdušného prostoru. Jehla vyžaduje občasné očištění, protože se na jejím hrotu natavují nečistoty z ovzduší, hrot se tím zanáší a snižuje se produkce iontů. Negativní stránkou ionizátorů s koronovým výbojem je produkce ozónu a směsi oxidů dusíku. Koncentrace těchto toxických plynů se odvíjí od napětí na emitoru iontů. U kvalitních přístrojů se uvolňují pouze ve stopových koncentracích splňující limity. Nejnovějšími ionizátory jsou zařízení s uhlíkovým vláknem, které produkují záporné ionty na vlákně z čistého uhlíku. Tato technologie nezpůsobuje vznik nežádoucích toxických plynů. (Lajčíková 2007) Ionizátory elektrofluviální Elektrofluviální ionizátory patří mezi první ionizátory. Fungovaly na principu vytvoření vysokého napětí mezi dvěma póly statického elektrického pole ze sítí 26

36 vodivého materiálu opatřenou hroty. Poprvé byl sestaven a v praxi použit v roce 1925 A. P. Sokolov. Roku 1928 A. N. Čiževskij zkonstruoval dokonalejší zařízení opatřené ventilátorem tzv. elektrofluviální lustr, avšak produkoval do ovzduší vysoký obsah oxidů dusíku, ozónu a vznikalo elektromagnetické pulsní pole. (Lajčíková, 2007) Ionizátory s radioaktivním zářičem Ionizátory s radioaktivním zářičem se používají pouze k experimentální práci a hlavně pro kalibraci iontových měřičů, protože mají stabilní výkon daný poločasem rozpadu použitého radionuklidu. Na rozdíl od elektrických ionizátorů, které produkují ionty v okolí hrotu, emitují radioaktivní zářiče ionty okolo osy svazku záření. Dosah těchto ionizátorů se liší podle typu zářiče. Pro zářič typu α je dosah v řádu cm, pro zářič typu β je dosah v metrech a pro zářiče typu γ je dosah v řádu desítek metrů. (Spurný, 1985) Hydrodynamické ionizátory Hydrodynamické ionizátory pracují na principu tříštění vodních kapek v elektrickém poli. U těchto ionizátorů nevzniká ozón, protože kinetická energie stačí pouze k ionizaci vodních kapek. Vzniklé kladné ionty jsou odchytávány pomocnou elektrodou, která je záporně nabitá. (Spurný, 1985)Vzniká tak záporně nabitý aerosol. Tyto přístroje slouží i jako zvlhčovače vzduchu a uplatňují se především v lázeňství. (Lajčíková, 2007) Ionizátory s UV zářením Ultrafialové záření ionizuje vzduch. Ionty vznikají fotoefektem. Ionizátory založené na tomto principu jsou složeny ze rtuťové výbojky, pomocné selektivní elektrody a ventilátoru. Z důvodu výskytu UV záření, vznikajícího ozonu a oxidů dusíku, dnes se již nevyužívají Termické ionizátory Termické ionizátory využívají termionického jevu, kdy vzniká emise elektronů z rozžhaveného kovu. Vzniklé elektrony se ve vzduchu dále mírně ionizují a spojují se s okolními neutrálními molekulami vzduchu za vzniku záporných iontů. Zařízení 27

37 obsahuje žhavící transformátor zkratovaný vhodným emitorem, pomocnou selektivní elektrodu a ventilátor. Dříve byly rozšířeny zejména v USA, dnes se nepoužívají. (Spurný, 1985) 4.14 Doporučené hodnoty V České republice není normou ani jiným předpisem korigována optimální koncentrace lehkých iontů v ovzduší interiéru. Doporučené hodnoty vychází ze znalosti ionizace vzduchu v čisté přírodě a takové koncentrace jsou považovány za ideální. Pro dlouhodobý pobyt v interiéru je doporučena jako optimální koncentrace lehkých záporných iontů 1250 ± 50 iont.cm -3, jako přijatelné minimum v rámci dlouhodobého pobytu se považuje 250 ± 50 lehkých záporných iont.cm -3. Obecně se doporučuje, aby při umělé ionizace koncentrace záporných iontů v ovzduší nepřesáhla iont.cm -3. To je nejvyšší hodnota, vyskytující se v člověkem nedotčené přírodě. Na vyšší koncentrace iontů není člověk dlouhodobě adaptován a neexistuje tedy racionálního důvodu ho takovým umělým podmínkám vystavovat. (Lajčíková, 2007) 28

38 5 METODIKA A POSTUP PRÁCE 5.1 Stanovení postupu měření Pro vlastní měření vlivu záporných iontů na koncentraci kouřových zplodin bylo prvně zkonstruováno zkušební zařízení na stanovení koncentrace iontů a cigaretového kouře. Proběhlo několik měření, kdy byl prostor zamořen kouřovými zplodinami NO, CO a NO 2 pomocí dvou hořících tabákových cigaret. Měřením se stanovovala doba znečištění zkušebního prostoru, koncentrace kouřových zplodiny po zamoření a změny koncentrace během ionizace zaznamenávané v předem stanovených časových intervalech. 5.2 Metodika Objem zkušebního zařízení 0,25 m 3 Vyčištění zkušebního prostředí vodou Zaznamenání teploty, vlhkosti a proudění vzduchu ve zkušebním prostředí Zkušební prostor znečištěn definovaným zdrojem kouřových zplodin NO, NO 2, CO (2 tabákové cigarety) Znečišťování zkušebního prostředí po dobu 15 min (čas na vyhoření celých cigaret) Kalibrace měřícího zařízení Madur po dobu 120 sec Doba homogenizace zkušebního prostředí po dobu 15 minut pomocí 3 ventilátorů Odstranění Petriho misky se zdrojem znečišťující látky Odběr vzorku ovzduší ze zkušebního prostředí a stanovení koncentrace kouřových zplodin před ionizací Zahájení ionizace Měření koncentrace kouřových zplodin po 15 minutách během procesu ionizace po dobu 180 minut Měření bylo prováděno celkem 5x Měření koncentrace záporných iontů za zkušebních podmínek: 29

39 Celková koncentrace záporných iontů produkovaná přístrojem bez vlivu prostředí Měření koncentrace záporných iontů v pozadí bez zapnutého ionizátoru Měření koncentrace záporných iontů ve znečištěném prostředí po znečištění bez ionizátoru Měření konečné koncentrace záporných iontů po ionizaci 180 min Vyhodnocení dosažených výsledků regresní analýzou se stanovením hodnoty spolehlivosti 5.3 Podmínky měření ve zkušebním prostředí Teplota: 22,7 C Relativní vlhkost vzduchu: 31,8 % Řízené proudění vzduchu pomocí ventilátorů 1,2 m.s Použitý materiál Pro měření koncentrace kouřových zplodin NO, CO, NO 2 a iontů byly použity dvě tabákové cigarety s obsahem 10 mg dehtu, 0,8 mg nikotinu a 10 mg oxidu uhelnatého na 1 cigaretu (dle výrobce cigaret). 5.5 Použité přístroje Ionizátor a čistička vzduchu Bionic YB- 737 Obr. 4 Ionizátor Bionic YB- 737 (Kučerová, 2012) 30

40 Bionic YB- 737 je klasický ionizátor vzduchu. Funguje na principu podobném elektrostatickým odlučovačům. Na vnější části usazovacího pole, které je tvořeno třemi hladkými plechovými elektrodami, jsou umístěné dvě pulsně napájené drátové vysokonapěťové elektrody, které způsobují vznik korónového větru a poměrně výrazné proudění vzduchu ionizátorem. Při plném provozu ionizátor přefiltruje 5,5 litrů vzduchu za vteřinu.(infopro.kvalitne, 2006) Obr. 5 Schéma principu fungování čističky a ionizátoru Bionic YB- 737 Koronový výboj na elektrodách spolu s mikroprocesorem zajišťuje velké množství generovaných záporně nabitých iontů bez vzniku škodlivých iontů a ozónu. Pulzním napájením vzniká přerušovaná ionizace vzduchu. Bionic YB- 737 čistí a ionizuje vzduch pomocí přímé a nepřímé filtrace. Při přímé filtraci jsou nečistoty zachytávány na elektrostatickém filtru s legovaným, vysoce leštěným povrchem o ploše cm 2. Částice aerosolu, chemických látek, cigaretového kouře, virů, bakterií, výkalů roztočů, plísní, srsti apod. dostávají ionizací vzduchu elektrický náboj, pomocí kterého jsou pak přitahovány a zachyceny na opačně nabitý kolektor. Účinnost filtrace je až 96%. Nepřímou filtrací jsou nečistoty, prachové částice, plísně, bakterie, viry apod., které mají kladný náboj, přitahovány k záporně nabitým iontům, vznikají tak shluky tzv. clustery (viz Kap Ionizátory s koronovým výbojem). (Ionic-CARE, 2013) Jeho předností je možnost umývání filtru vodou, čímž se podstatně snižují náklady na provoz. Ionizátor pracuje bez motoru a bez ventilátoru, tím je tedy zajištěn bezhlučný provoz a nízká spotřeba elektrické energie. Čistička toho typu dokáže ze vzduchu zachytit i velmi nebezpečný tzv. "neviditelný" prach. (Meletová, ) 31

41 Parametry Bionic YB 737 jsou uvedeny v Tab.10. Tab. 10 Parametry Bionic YB-737 (Bionic YB-737, 2013) Parametry BIONIC YB-737 Napájení V/50 Hz Příkon 20 W Denní náklady max. 2,10 Kč/den Maximální plocha místnosti při standardní výšce stropu (cca 250 cm) 60 m 2 Rozměry 69,2 x 25 x 18 cm Váha 3,2 kg Hlučnost max. 8 db Možnosti pracovního režimu 3 Vzduchový výkon až 65 m 3 /hod Protiprašná účinnost 92% Životnost kolektorů (filtru) doživotní není zdrojem nadměrných koncentrací Produkce ozónu nežádoucího ozónu 0,04 ppm (přípustný limit = 0,05 ppm) Koncentrace záporných iontů v cm3 ve vzdálenosti 250 cm od přístroje 1, Provoz 24/7 ANO Měřící zařízení Madur GA- 12 plus Madur GA- 12 plus (viz Obr.6) je ruční přístroj pro operativní stanovení koncentrací základních chemických složek a technických parametrů kouřových plynů. Madur se vyznačuje dostatečnou přesností a možností rychlé analýzy zkoumaného vzorku. Základní dva senzory jsou určeny pro stanovení koncentrace O 2 a CO, lze je rozšířit o další dva senzory, které detekují obsah NO a NO 2. Analyzátor se skládá z digitálního měřícího zařízení s displejem, ze kterého se odečítají zjištěné hodnoty látky a vzduchové pumpy sloužící k odběru vzorku vzduchu ze zkoumaného prostředí. Tecnické parametry Madur GA- 12 plus jsou uvedeny v Tab.12. (madur, 2008) Obr. 6 Madur GA- 12plus 32

42 Tab. 11 Technické parametry madur GA -12plus (madur, 2008) Parametry Iontmetr Váha cca 700g Rozměry 24,5 x 9/12,8 x 6 cm Velikost displeje 6,6 x 3,6 cm Napájení síťový adaptér nebo interní dobíjecí baterie (24 hodin denně) Externí napájení 18 VDC Typ čerpadla Membránové čerpadlo Sonda Vyhřívaná, s kondenzátorem a filtrem Délka sondy 30 cm Délka hadičky na odběr plynu 2 m Filtr 20 um Provozní teplota C Skladovací teplota C Iontmetr Iontmetr (viz Obr.7) se používá pro stanovení koncentrace vzdušných i generovaných iontů. Přístroj je složen z aspiračního kondenzátoru s obslužnou elektronikou a z napájecího zdroje. Iontmetr funguje na principu aspirační metody. Vzduch obsahující ionty prochází skrz válcový kondenzátor s elektrickým polem dané intenzity.ionty vstupující do kondenzátoru jsou vystavovány dvěma navzájem kolmým silám. Jedna síla je způsobena proudem vzduchu ve směru souběžným s elektrodou kondenzátoru a druhá vzniká na základě působení elektrického pole. Dráhu iontů lze vypočítat. Měřením proudu procházející kondenzátorem se dají získat dostatečně přesná data vodivostních a ionizačních konstant v závislosti na podmínkách experimentu. Proud je měřen elektroměrem. Získaná data jsou dále zpracována počítačovým programem. Technické parametry iontmetru jsou uvedeny v Tab.13 (Szabó et al, 2009) Obr. 7 Iontmetr 33