Prachové ástice v ozduší

Transkript

1 Prachové ástice v ozduší Michaela ZÁRYBNICKÁ 1, *, Marian BRÁZDIL 1, Ji í POSPÍŠIL 1 1 Vysoké u ení technické v Brn, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2, Brno *Koresponden ní autor: zarybnicka@fme.vutbr.cz Abstrakt P ísp vek obsahuje základní informace o vzniku a rozd lení aerosolových ástic. Uvedeny jsou i negativní ú inky na zdraví lov ka a p írodu. lánek se zabývá i tuhými zne iš ujícími ásticemi, které jsou p ítomny v plynných produktech po spalování. Pro zajímavost jsou uvedeny konkrétní výsledky prašného aerosolu z m ících stanic v Brn. Klí ová slova: polétavý prach, emise, tuhé zne iš ující látky, re-emise, bioaerosol 1 Úvod Ovzduší zejména v obydlených oblastech je kontaminováno zne iš ujícími látkami, které se do ní dostávají mimo jiné i díky lidské innosti. V eské republice jde o problém s každoro ním p ekra ováním povolených imisních limit. Tyto látky mají nep íznivé ú inky na lidské zdraví i na životní prost edí jako celek. Z hlediska zdravotních rizik jsou nejproblemati t jší zvlášt jemné ástice. První zmínky o zne išt ní ovzduší se za aly objevovat již ve starov ku. Jedná se o antické záznamy o nep íjemném zápachu p i spalování uhlí. Ve st edov ku za alo docházet ke zhoršování kvality ovzduší ve velkých m stech (Londýn, Milano, atd.), další negativní r st nastal s nástupem pr myslové revoluce v 19. a 20. století. B hem 20. století se situace za íná m nit. Obr. 1. Koncentrace suspendovaných ástic v Evrop 2010 [3] Ke spalování uhlí se p idává spalování ropy a ropných produkt a postupující urbanizace. Zne išt ní ovzduší je problémem velkých m st, pr myslových center a okolí dopravních (silni ních) tepen. Na území eské republiky je za sledování zne išt ní ovzduší zodpov dný eský hydrometeorologický ústav, který provozuje Automatický imisní monitoring (AIM). 2 Prašný aerosol Existuje velké množství pojm, které se v této problematice objevuje, proto je nutné si n které pojmy vysv tlit hned na za átku. Aerosolové ástice, suspendované ástice, tuhé zne iš ující látky, prašný aerosol, to vše jsou názvy pro r znorodou sm s organických a anorganických ástic r zného skupenství, velikosti, složení a p vodu. Tyto pojmy se p ekrývají, n které se vztahují ke zp sobu vzorkování, jiné k místu depozice v dýchacím ústrojí. Aerosol definuje sm s kapalných a tuhých ástic suspendovaných v plynném prost edí, tak dlouho, aby bylo možné jejich pozorování a m ení. Velikost aerosolových ástic se obecn pohybuje v rozmezí 0,001 až 100 μm. Pojem aerosolové ástice je využívám podle eské normy SN EN Pro jednotlivé druhy aerosolu používáme r zné názvy: mlha, dým, kou, prach, smog atd. Suspendované ástice jsou tvo ený malými áste kami prachu. Tyto ástice nep sobí na organismus nijak toxicky, ale mechanicky, což znamená, že dráždí dýchací cesty a omezují obrany schopnost organismu. ím jsou tyto áste ky menší, tím lépe mohou proniknout do dýchacího

2 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA ústrojí a tím pádem jsou pro lidský organismus nebezpe n jší. Z tohoto d vodu rozlišujeme proto tzv. frakce suspendovaných ástic ozna ované zkratkou PM x (particulate matter), které slouží pro ozna ení ástic podle aerodynamického pr m ru, kdy X je ozna ení horní meze velikosti ástic v μm, nej ast ji se objevují PM 10, PM 2,5, PM 1,PM 0,1. Tuhými zne iš ujícími látkami jsou nazývány ástice r zných velikostí tvaru, p vodu, složení, struktury. Tyto ástice jsou za ur it teploty a tlaku p ítomny v komín, výduchu, výpusti nebo p i m ení emisí p ítomny v odpadním plynu v pevném skupenství a jsou jim unášeny. Obr. 2. Velikost aerosolových ástic. [4] 2. 1 Rozd lení ástic ástice lze d lit podle p vodu na primární a sekundární. Primární ástice se do ovzduší dostávají jako emise ze zdroj zne iš ujících ovzduší nebo re-emisí již usazených ástic. Primární ástice lze rozd lit podle p vodu na antropogenní zdroj a p írodní zdroj. Mezi antropogenní zdroje emisí pat í spalovací procesy v elektrárnách a motorech automobil nebo pr myslová innost. ástice p írodního p vodu vznikají vulkanickou inností, lesními požáry, jde i o prach unášený v trem nebo bioaerosol, což jsou ástice biologického p vodu (houby, viry, pyl atd.). Sekundární ástice vznikají p ímo v ovzduší na základ probíhajících chemických a fyzikálních proces, a také v d sledku zm ny skupenství. K velikostnímu popisu ástic se používá již zmín ný aerodynamický (ekvivalentní) pr m r, který p edstavuje pr m r koule s hustotou 1000 kg/m 3 se stejnou rychlostí usazování, jakou má p íslušná ástice za obvyklých podmínek teploty, tlaku a relativní vlhkosti. Obr. 3. Velikost ástic PM10 a PM2,5 [3] B žn se rozlišuje tzv. hrubá frakce (coarse particles) o aerodynamickém pr m ru 2,8-10 μm. Tyto ástice klesají na zemský povrch v ádu hodin, maximáln dn. Jejich p enosová vzdálenost od zdroje je velmi krátká. Jemná frakce (fine particles) o pr m ru 0,1 2,5 μm z stávají v atmosfé e i n kolik týdn, takže jejich p enos je možný až na vzdálenosti tisíc kilometr od zdroje. Ultrajemné ástice (ultrafine particles) jsou o velikosti menší jak 0,1μm. R zné velikostní frakce obvykle vznikají rozdílnými zp soby, jinak jsou transformovány, rozdílnými mechanismy jsou odstra ovány, liší se i jejich chemické složení a liší se také jejich ú inky na zdraví. Chemické složení ástic nalézajících se v atmosfé e je d ležité pro ur ení jejich zdroj. Pro jednotlivé velikostní frakce ástic je typické ur it složení ástic, závislé na mechanismu jejich vzniku. Pro ástice jemné frakce jsou typické sírany, amoniak, elementární uhlík. Vápník, hliník, k emík, ho ík tedy prvky zemské k ry jsou obsaženy p edevším v ásticích hrubé frakce. N které látky jako draslík nebo dusi nany jsou obsaženy v obou frakcích. 2.2 Dopady na lidské zdraví Hlavní a nej ast jší vstup prachu do lidského organismu jsou dýchací cesty. Zdravotní ú inky vdechnutých ástic jsou dány jejich velikostí, tvarem a chemickým složením. Vezmeme-li velikost ástic jako jedinou prom nou, ve vztahu k možným negativním ú ink m na lov ka, tak je známou skute ností, že jemné frakce v porovnání s v tšími ásticemi, se dostávají hloub ji do dýchací soustavy a setrvávají zde delší dobu. Hrubé prachové ástice jsou zadržovány v horních cestách dýchacích. Pohybem asinkového epitelu, kterým je vystlána nosní dutina, se dostávají se s hlenem do nosohltanu a jsou spolknuty, vykašlány nebo vykýchány. ástice PM10 se mohou usazovat 85

3 v pr duškách a zp sobovat zdravotní problémy. Jedná se p edevším o kardiovaskulární a plicní systém. Dlouhodobá expozice snižuje délku dožití a zvyšuje kojeneckou úmrtnost. V práci (Horálek et.al., 2007) jsou uvedeny výsledky odhad po tu p ed asných úmrtí z d vodu dlouhodobých zvýšených koncentrací ástic PM10 nad úrove požadované koncentrace. Pro eskou republiku se odhadnutý po et rovnal hodnot osob za rok. ástice mohou zp sobovat chronickou bronchitidu a chronické plicní choroby. V d sledku adsorpce organických látek s mutagenními a karcinogenními ú inky m že expozice PM10 zp sobovat rakovinu plic. 2.3 Ú inky na vegetaci automobilu s vysokými emisemi. Filtry prachových ástic by bylo dobré prosadit nejen u osobních automobil, ale i autobus m stské hromadné dopravy i nákladních aut bagr, je áb, dieselových agregát atd. Usazování ástic na povrchu vegetace závisí na velikosti ástic a v menší mí e také na jejich chemickém složení. Pokrytí vegetace ásticemi m že zp sobovat jednak mechanické poškození, ale významn jší je interakce na chemické úrovni. 3 Prašný aerosol v ovzduší Brna Koncentrace prašného aerosolu v ovzduší Brna jsou sledovány od roku Brno, se v 1. pol. m síce b ezna v roce 2013 op t za adilo mezi první m sta v eské republice, kde byl p ekro en denní limit pro polétavý prach (PM10). Brno bohužel p edstihlo pr myslová severo eská m sta jako Most i Ústí nad Labem. eská republika proto pro Brno požádala Evropskou komisi o výjimky z povinnosti dodržování limit, které stanovuje evropská sm rnice o ovzduší (2008/50/ES). V eské republice je základním právním p edpisem v oblasti ochrany ovzduší zákon. 201/2012 Sb. Zákon a tato evropská sm rnice o ovzduší oficiáln povolují p ekro it denní limit 50 μg/m3 pro zne išt ní prachem po 35 dn b hem kalendá ního roku. Podle údaj eského hydrometeorologického ústavu byl tento limit p ekro en již 8. b ezna Podle modelového hodnocení kvality ovzduší m sta Brna je doprava zodpov dná až za 90 % denních koncentrací prachu. I Praha (monitorovací stanice Praha 2) po átkem m síce dubna, p ekro ila zákonem povolený po et dní, pro denní limit prachu v ovzduší. ást obyvatel byla nucena dýchat vzduch zamo ený pachem více než je legální, a to v d sledku silné automobilové dopravy. V roce 2012 tato monitorovací stanice tento limit p ekro ila a koncem m síce listopad. Mezi opat ení, která by mohla p isp t ke zlepšení situace, pat í zpoplatn ní vjezdu, zavád ní dieselových prachových filtr nebo vyhlašování tzv. nízko-emisních zón omezujících vjezd Obr. 4 Denní pr m r suspendovaných ástic PM 10 na území R [5] 3.1 M ící stanice M ení m že probíhat nejen standardn prost ednictvím sít m ících stanic, ale využívají se letadla a automobily. M ení je tedy možné provád t prakticky kdekoliv s velkým územním rozsahem v krátké asové dob. V Brn existuje hned n kolik automatizovaných stanic, jedná se o lokality: Brno-Arboretum, Lány, Svatoplukova, Výstavišt, Zvona ka, Brno-st ed, Úvoz. Všechny tyto stanice udávají aktuální hodnoty o koncentraci PM 10, SO 2, NO 2, O 3 atd. Každá tato stanice je ovliv ována svým okolím, ve kterém je situována a meteorologickými faktory, které mají velký vliv na ší ení zne iš ujících látek. Jedná se p edevším o vertikální teplotní gradient, rychlost v tru, atmosférické srážky, teplota vzduchu a vliv zemského povrchu. 4 Detekce prachových ástic ve spalinách kotle na biomasu Podle nového zákona. 201/2012 o ochran ovzduší budou muset do roku 2022 kotle na pevná paliva o jmenovitém tepelném p íkonu do 300 kw spl ovat ur ité emisní t ídy. Zákon vyžaduje provozovat kotle, které plní stanovené emisní parametry, je to z d vodu již zmín ných problému s kvalitou ovzduší v eské republice. P ibližn 40% celkových emisí zp sobených prachem v eské Republice se do vn jšího ovzduší dostává práv spalováním zejména d eva a uhlí v starých kotlech o tepelném p íkonu do 300 kw.

4 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA V sou asné dob probíhají p ípravy na experimentální m ení na našem ústavu zabývající se konkrétn detekcí prachových ástic ve spalinách kotle na biomasu. Spalování biomasy je moderní zp sob získávání tepelné energie. Jako palivo lze využít d evní št pku, slámu, konopí, kuku i né klasy a další p evážn odpadní p írodní materiály. Spaliny vznikající p i spalování biomasy jsou specifické p edevším obsahem vodní páry, lehkého polétavého popílku a plyn jako oxid uhli itý, oxid uhelnatý, oxid si i itý, oxid dusíku. Prach ve spalinách m že mít r zný tvar a velikost, a m že se vyskytovat v r zných koncentracích. Charakterizace tvaru a velikosti je u nanometrických a submikronových ástic velmi složitá, protože tyto ástice nelze m it klasickými metodami. Osamocené ástice se v p írod ani v technické praxi nevyskytují, je tedy pot eba charakterizovat ásticový systém, který obsahuje ohromné množství ástic. Ze zkoumaného média se odebírá vzorek, který je následn charakterizován po stránce koncentrace a velikostní distribuce p ítomných ástic. Mezi nej ast ji využívané metody, používané k charakterizaci ásticových systém pat í laserová difrakce, která využívá teorii rozptylu laserového paprsku p i pr chodu prost edím obsahujícím p ítomné ástice. Našim cílem bude experimentální studium koncentrace a velikostní distribuce submikronových ástic aerosolu, v rozsahu nm, ve spalinách kotle spalujícího biomasu. Snahou bude zjistit závislost tvorby a velikosti ástic na m nících se podmínkách spalovacího procesu a rychlosti ochlazování spalin. Konkrétn bude sledován vliv základních vlastností paliv (vlhkost, složení, velikost), p ebytek spalovacího vzduchu, teplota spalování, vychlazení spalin, doba setrvání spalin v kou ovodu. Obr. 5 Electrostatic Classifier 3080L [6] Koncentrace a velikost ástic bude experimentáln zjiš ována na automatickém teplovodním kotli typu Verner A251.1, který je ur en pro komfortní, úsporné a ekologické vytáp ní rodinných domk. Tento typ kotle je užíván na pracovišti VUT v Brn, EÚ OEI jako experimentální spalovací za ízení. Jedná se o kotel se šnekovým dopravníkem. Spaliny proudí plamencem a vým níkem, kde dochází k p edání tepla do topné vody. Ochlazené spaliny odchází výstupním hrdlem do komína. Jmenovitý výkon kotle je 25 kw. Na kou ovodu kotle budou vytvo ena odb rová místa pro analýzu submikronových ástic. Odb rová místa budou tvo ena odb rovými trubkami a termo lánky pro m ení lokální teploty spalin. Pro cílené ochlazování spalin bude využito stávajícího experimentálního za ízení, umíst ného vn kotle, které je vybaveno žebrovanými chladi i zapušt nými do spalinovodu a vodním okruhem. Úpravou chladicí smy ky bude možné ízené ochlazování spalin. Vzorek spalin bude odebírán v odb rových místech v ose kou ovodu izokinetickou sondou. Vzorek bude možné v p ípad velké koncentrace ástic edit. Na ed ný roztok spalin bude dále proudit do m icího systému SMPS. Získané datové výsledky budou vyhodnoceny a porovnány v závislosti na m nících se paramentech experimentálního m ení. Obr. 6 Condensation particle Counter 3775[6] 4.1 M ící technika Celé m ení velikostní distribuce a po etní koncentrace ástic bude probíhat na p ístrojích od spole nosti TSI, která navrhuje a vyrábí p ístroje pro m ení aerosol, proud ní vzduchu, dynamiky tekutin atd. Mezi vybavení, které se nachází na Energetickém ústavu, pat í Electrostatic Classifier 3080L (Obr. 6). Tento klasifikátor detekuje ástice od velikosti nm, princip funkce je založen na identifikaci mobility ástic v elektrostatickém poli. Poskytuje monodisperzní aerosol pro následné po etní hodnocení, k tomuto je využito skenování se zm nou elektrostatického nap tí v DMI. íta ástic Condensation Particle Counter 3775 (Obr. 6) je azen za klasifikátor. íta využívá principu laserové difrakce a identifikuje stice od 4 nm. D ležitý údaj je koncentra ní rozsah detekce 0-87

5 10 7 ástic/cm 3. ástice jsou p ed identifikací zv tšeny ízenou kondenzací butanolu na primárních ásticích. Pro ed ní a temperování aerosol o velké koncentraci ástic slouží Rotating Disk Thermodiluter A (Obr. 7). edící pom r je 1:1-1:30. Umož uje úpravu vzorku odebraných z výfukových potrubí a spalinových kanál, je umíst n ješt p ed klasifikátor. Posledním p ístrojem je Aerosol Generator 3079(Obr. 8), který umož uje generovat aerosol v množství 1-4,2 l/min, o koncentraci ástic v aerosolu 10 8 ástic /cm 3. slovník aerosolových termín [3] Stop prach. [cit ]. [4] Alergie a její p vodci. Avair.cz [cit ]. [5] eský hydrometeorologický ústav. [cit ]. [6] TSI Understanding, Accelerated. [cit ]. [7] SN EN Kvalita ovzduší Stanovení frakce PM10 aerosolových ástic Referen ní metoda a postup p i terénní zkoušce ov ení požadované t snosti shody mezi výsledky hodnocené a referen ní metody. Praha: NI, [8] Zákon. 201/2012 Sb. O ochran ovzduší, In: Sbírka zákon [9] SN ISO Kvalita ovzduší Definice velikostních frakcí ástic pro odb r vzork k hodnocení zdravotních rizik. Praha: NI, Obr. 7 Rotating Disk Thermodiluter A[6] Obr. 8 Aerosol Generator 3079[6] Pod kování Tento lánek vznikl za podpory Projektu specifického výzkumu FSI VUT v Brn BD Použitá literatura [1] BARON, P. A. a K. WILLEKE. Aerosol Measurement: Principles, Techniques and Applications. Second edition. USA, ISBN [2] DOHÁNYOSOVÁ, P., L. KUBINCOVÁ, J. SMOLÍK, J. SCHWARZ a V. ŽDÍMAL. LABORATO CHEMIE A FYZIKY AEROSOL, Ústav chemických proces AV R, eská aerosolová spole nost. Výkladový 88