VYUŽITÍ TiO 2 PŘI POTLAČENÍ NEGATIVNÍHO VLIVU ŽIVOČIŠNÉ VÝROBY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ Petra ZABLOUDILOVÁ a, Josef PECEN b, Martina KOSOVÁ c, Miroslav ČEŠPIVA a, Antonín JELÍNEK a a Výzkumný ústav zemědělské techniky, Drnovská 507, 161 01 Praha 6, e-mail: petra.zabloudilova@vuzt.cz b Česká zemědělská univerzita v Praze, Institut tropů a subtropů, Kamýcka 129, 165 21 Praha 6, e-mail: pecen@its.czu.cz c Výzkumný ústav živočišné výroby, Přátelství 815, 104 00 Praha 10,e-mail: kosova.martina@vuzv.cz Abstrakt Jedním z diskutovaných problémů současnosti je stále se zhoršující stav životního prostředí, na kterém se významně podílí i zemědělství. Zemědělská výroba je nejen producentem potravin a tvůrcem krajiny, ale zároveň také původcem zejména plynných emisí, které negativně ovlivňují kvalitu ovzduší, vod a půdy. Za vedlejší produkt především živočišné výroby lze označit látky jako amoniak, metan, oxid uhličitý, sirovodík, kyselinu máselnou, kyselinu octovou, merkaptany, fenoly a mnohé další. Například víc jak 80 % celosvětové produkce amoniaku, který se mj. podílí na okyselování vod a půdy, je připisována na vrub právě zemědělství. Zásadní otázkou tedy je, jak účinně snižovat produkci těchto znečišťujících látek a jejich emise v podobě škodlivých a zápašných plynů. Jednou z možností se jeví využití fotokatalytických vlastností oxidu titaničitého (TiO 2 ). Schopnost TiO 2 (v krystalické anatasové formě) degradovat na povrchu svých nanočástic, při současném působení ultrafialového záření, téměř všechny organické sloučeniny je poměrně dobře známá a ve vybraných praktických aplikacích také ověřena. V tomto příspěvku jsou uvedeny výsledky prvních experimentů, které jsou založeny na využití fotokatalyzátoru - nanokrystalického TiO 2 při redukci škodlivých a zápašných látek v odpadním plynu z chovu prasat. Dosud realizované pokusy byly zaměřeny především na ověřování mechanismu fungování a účinnosti použité formy TiO 2 ve specifických podmínkách živočišné výroby. Zatím získaná data neumožňují sestavit spolehlivý model působení TiO 2 na velikost redukce jednotlivých sledovaných látek. 1. ÚVOD Snaha o omezování negativního vlivu zemědělství na životní prostředí je v současné době jedním s celosvětových trendů. Státy sdružené do Evropské unie proto mimo jiné zpracovaly směrnici Rady EU 96/61/EC o integrované prevenci a omezování znečištění (Integrated Pollution Prevention and Control - IPPC). Při implementaci této směrnice a protokolu AcETO (Protokol o omezování acidifikace, eutrofizace a tvorby přízemního ozónu z roku 1999) do české legislativy se jedná o nástroj integrovaného přístupu povolování výrobních činností na principu prevence vzniku znečištění, který se dotýká většiny našich velkých a středních zemědělských a průmyslových provozů. Podmínky povolení vycházejí z uplatnění tzv. nejlepší dostupné techniky (BAT). V souladu s protokolem AcETO byl zaveden termín "Správná zemědělská praxe", respektující specifické podmínky na území ČR a zahrnující ustanovení týkající se mj. nízkoemisních způsobů ustájení zvířat. Proto je stále snaha hledat nové způsoby, které by vedly ke snížení produkce škodlivých látek vznikajících jako vedlejší produkt zejména živočišné výroby, a to nejen s ohledem na životní prostředí, ale i s ohledem na pohodu chovaných zvířat. 1
Využití fotokatalytických vlastností oxidu titaničitého (TiO 2 ) při odstraňování různých škodlivin v životním prostředí je známé relativně dlouhou dobu. Například odstraňováním amoniaku z ovzduší či vody pomocí TiO 2 se zabývají autoři hned několika prací - Dong aj. [1], Lee aj. [2], Morranega aj. [3], Nemoto aj. [4] a další. Cílem experimentálních laboratorních a provozních měření, jejichž první výsledky jsou uvedeny v tomto příspěvku, je ověření využití komerčně dostupného fotokatalytického nátěru při omezování emisí vybraných škodlivých a zápašných plynů ve výkrmu prasat. 2. LABORATORNÍ MĚŘENÍ Laboratorní měření probíhají ve společné laboratoři Výzkumného ústavu zemědělské techniky Praha (VÚZT) a České zemědělské univerzity v Praze (ČZU). Vzorky kejdy prasat jsou měřeny ve dvou identických experimentálních nádobách. Experimentální nádoba se skládá z válcové nádoby a vnitřního válce. Na dno nádoby jsou v rovnoměrné vrstvě v misce umisťovány měřené vzorky. Konstantní průtok vzduchu nádobou zajišťuje axiální ventilátor. Vzduch společně s desorbovanými molekulami monitorovaných látek je pak vnitřním válcem odváděn kolem filtru analyzátoru plynů mimo nádobu. Nádoby jsou umístěny v digestořích, ze kterých je vzduch výduchem odváděn mimo budovu. Vzorky kejdy prasat jsou odebírány na farmě Výzkumného ústavu živočišné výroby v Netlukách. Do každé nádoby je umístěno stejné množství zhomogenizovaného vzorku, v obou nádobách je tak pro každé jednotlivé měření identický vstupní materiál. Do jedné z nádob, označené jako POKUS, je zároveň umístěna sádrokartonová deska natřena dvěma vrstvami nátěrové hmoty DETOXY COLOR INTERIÉR s aktivním fotokatalyzátorem na bázi TiO 2 podle pokynů výrobce. V této nádobě je také zdroj světla v podobě lineární zářivky. Uspořádání experimentální nádoby je patrné z obrázku 1. Druhá nádoba je bez sádrokartonové desky i zdroje světla a slouží jako KONTROLA. Na výstupech nádob jsou umístěny sondy analyzátoru plynů. Obr. 1 Laboratorní aparatura Fig. 1 Laboratory apparatus 2
Kontinuální měření emisí amoniaku (NH 3 ), methanu (CH 4 ), oxidu uhličitého (CO 2 ) a oxidu dusného (N 2 O) je realizováno podle schválené metodiky VÚZT, pomocí analyzátoru plynů 1312 Photoacoustic Multi Gas Monitor s vícekanálovým vzorkovacím a dávkovacím zařízením 1309 D Multipoint Sample. Princip činnosti analyzátor plynů je založen na fotoakustické spektroskopii. Analyzovaný vzorek odpadního plynu je ozářen modulovaným infračerveným světlem s předem určenou vlnovou délkou. Molekuly plynu absorbují část světelné energie a převedou jí na akustický signál, který je následně detekován mikrofonem. Z naměřených hodnot koncentrací jsou pak vypočteny hmotnostní toky emisí jednotlivých sledovaných plynů v mg.s -1. Analyzátorem plynů Photoacoustic Multi-gas Monitor lze z jednoho vzorku selektivně změřit koncentraci pěti plynů a obsah vodní páry. Doba odezvy je řádově desítky sekund, záleží na počtu analyzovaných plynů a na zvoleném režimu měření. Stanovení koncentrace pachových látek je prováděno pomocí dynamického olfaktometru ECOMA TO8-8 podle ČSN EN 13 725. Vzorky odpadního plynu jsou na výstupu nádob odebírány pomocí vzorkovacího zařízení do vzorkovnic. V laboratoři je každý vzorek podán komisi posuzovatelů. Z výsledků posuzování je pak vypočtena střední hmotnostní koncentrace pachových látek v OUE.m -3 (OUE = evropská pachová jednotka). Během laboratorních pokusů je kontinuálně měřena a zaznamenávána teplota, vlhkost a tlak vzduchu. Dále je sledována intenzita osvětlení, prováděna mikrobiologická vyšetření měřených vzorků a sledována hodnota ph těchto vzorků. Byly realizovány tři série laboratorních měření. V každé sérii byly provedeny alespoň tři opakování. Jednotlivá měření v délce min. tří dnů byla prováděna podle stejné metodiky. Proměnná byla pouze jedna, a to použitý zdroj světla. V první sérii měření nebyl do nádoby POKUS umístěn žádný zdroj světla, osvětlení nádoby bylo zajištěno pouze běžnou zářivkou v laboratoři. Ve druhé sérii měření byla do nádoby POKUS umístěna lineární zářivka OSRAM Lumilux L 8 W/840 Cool White 430 lm, ve třetí sérii zářivka T5 8 N/6400, 512 lm, 8 W - denní světlo. Ve druhé a třetí sérii měření bylo do obou nádob v pravidelných intervalech přidáváno stejné množství čerstvé zhomogenizované kejdy. 3. TESTOVÁNÍ FOTOKATALYTICKÉ NÁTĚROVÉ HMOTY V PROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH Testování nátěrové hmoty DETOXY COLOR INTERIÉR probíhá ve dvou identických sekcích zděné experimentální výkrmny prasat na farmě Netluky Výzkumného ústavu živočišné výroby v Praze - Uhříněvsi. V každé sekci je 6 kotců, které jsou rozčleněny do dvou řad, mezi řadami je manipulační chodba, podlaha je celoroštová. V sekci je uplatněna podtlaková ventilace. Vzduch je do sekce nasáván postranními štěrbinami s větracími klapkami a odsáván dvěma odtahovými ventilátory umístěnými v odsávacích šachtách ve stropě sekce. Kejda je shromažďována v podroštové jímce, která je jednou týdně vypouštěna mimo výkrmnu. Kapacita sekce je 90 kusů prasat, její plocha 77 m 2. Prasata jsou v obou sekcích krmena vlhkou krmnou směsí stejného složení. Na stěny i strop o celkové ploše 198 m 2 v první, pokusné sekci, byla podle pokynů výrobce nanesena jedna vrstva koncentrované penetrace ROKOGRUND SILIKÁT, poté vrstva nátěrové hmoty DETOXY COLOR INTERIÉR (barva bílá). Druhá sekce zůstala bez nátěru jako sekce kontrolní. Vzhledem k letnímu období bylo v obou sekcích pouze přirozené osvětlení, jehož intenzita byla monitorována. Pro měření emisí NH 3, CH 4, CO 2 a N 2 O byl opět využit analyzátor 1312 Photoacoustic Multi Gas Monitor s vícekanálovým vzorkovacím a dávkovacím zařízením 1309 D Multipoint Sample, pro stanovení koncentrace pachových 3
látek olfaktometr ECOMA T08-8. V obou sekcích je sledována teplota, vlhkost a tlak vzduchu a zjišťovány vzduchotechnické parametry. Obr. 2 Pohled do měřené sekce Fig. 2 View into the measurement part of the piggery 4. VÝSLEDKY Hodnoty naměřené v laboratorních pokusech byly zpracovány pomocí softwaru Statistica a Matlab. Ze získaných výsledků jsou patrné následující rozdíly mezi nádobou POKUS a nádobou KONTROLA: rozdíly v průběhu koncentrací NH 3 po celou dobu měření ve druhé a třetí sérii, kdy byly do nádoby POKUS umístěny zářivky; rozdíly ve vizuálním stavu povrchu vzorku kejdy v nádobě POKUS měl povrch kejdy jinou barvu a jinou strukturu; rozdíly v obsahu sušiny v nádobě POKUS byl obsah sušina vyšší. Rozdíly nebyly zjištěny mezi nádobou POKUS a nádobou KONTROLA u: CH 4 a N 2 O průběhy koncentrací těchto sledovaných plynů nevykazovaly rozdíly, a to během celého měření; hodnoty ph; mikrobiologického vyšetření. Nejednoznačný výsledek je zatím v měření emisí CO 2 a koncentrací pachových látek. Dosud realizovaná měření emisí NH 3, CH 4, CO 2 a N 2 O a stanovení koncentrace pachových látek ve výkrmně prasat na farmě v Netlukách neprokázala rozdíly mezi hodnotami naměřenými v sekci pokusné, tzn. v sekci s aplikovanou nátěrovou hmotou DETOXY COLOR INTERIÉR a sekci kontrolní, bez aplikace. 4
Mikrobiologická vyšetření prozatím nebyla dokončena. 5. ZÁVĚR Vzhledem k tomu, že v jednotlivých sériích měření, v rámci daného měření, byl použit stejný vstupní materiál (vzorky kejdy) a v obou experimentálních nádobách zachována stejná teplota, vlhkost, tlak a průtok vzduchu, mohou být výše uvedené rozdíly způsobeny fungujícím procesem fotokatalýzy. S ohledem na délku trvání celého experimentu, počtu opakování jednotlivých měření a způsobu jejich zpracování nelze zatím tyto rozdíly pokládat za prokázané. Pro spolehlivější posouzení vlivu použité formy TiO 2 na zlepšení stájového ovzduší a potažmo i životního prostředí a také pro detailnější poznání mechanismu fungování fotokatalytických vlastností TiO 2 ve specifických podmínkách živočišné výroby je potřeba provést další pokusná měření. S ohledem na průběžné výsledky pak budou upravovány a precizovány dílčí postupy jednotlivých ověřování. Poděkování Příspěvek vznikl s finanční podporou výzkumného projektu NAZV MZE QH92195 Využití vybraných nanotechnologií pro návrhy a ověření nejlepších dostupných technik (BAT) v zemědělské činnosti LITERATURA [1] DONG, J. aj. Decomposition of indoor ammonia with TiO 2 -loaded cotton woven fabrics prepared by different textile finishing methods. Atmospheric Environment, 2007, roč. 41, č. 15, s. 3182 3192 [2] LEE, J., PARK, H., CHOI, W. Selective photocatalytic oxidation of NH 3 to N 2 on platinized TiO 2 in water. Environmental Science and Technology, 2002, roč. 36, č. 24, s. 5462 5468 [3] MORRANEGA, H., HERRMANN, J., PICHAT, P. NH 3 oxidation over UV-irradiated TiO 2 at room temperature. The Journal of Physical Chemistry, 1979, č. 83, s. 2251 2255 [4] NEMOTO, J. aj. Photodecomposition of ammonia to dinitrogen and dihydrogen on platinized TiO2 nanoparticules in an aqueous solution. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2007, roč. 185, č. 2-3, s. 295-300 5