Polétavý prach (PM10)

* Nejedná se o skupinu látek, ale o soubor všech částic určité velikosti. Proto neexistuje číslo CAS, chemický vzorec, ani R a S věty.

Atmosférický aerosol je všudypřítomnou složkou atmosféry Země. Je definován jako soubor tuhých, kapalných nebo směsných částic o velikosti v rozsahu 1 nm – 100 μm. Významně se podílí na důležitých atmosférických dějích, jako je vznik srážek a teplotní bilance Země. Z hlediska zdravotního působení atmosférického aerosolu na člověka byly definovány velikostní skupiny aerosolu označované jako PM_x (Particulate Matter), které obsahují částice o velikosti menší než x μm. Běžně se rozlišují PM₁₀, PM_2,5 a PM_1,0. Částice PM₁₀ mají průměr 10 μm nebo méně a jsou schopny volného pohybu v atmosféře. Pevné částice často obsahují popílek, saze a horniny. Částice se testují i na obsah polyaromatických uhlovodíků (PAH), polychlorovaných bifenylů (PCB), pesticidů (jako např. DDT) a těžkých kovů, protože tyto látky se snadno váží právě na tyto pevné částice obsažené v ovzduší, vodě a půdě.

Atmosférický aerosol vzniká i jako negativní produkt lidské činnosti, proto nemá smysl mluvit o jeho použití. Avšak za zmínku stojí fakt, že velké objemy elektrárenských popílků, které mohou být zdrojem PM₁₀, jsou v současné době využívány z větší části k rekultivaci terénů, odstraňování následků důlní činnosti (70 – 80 %), zbytek je využíván převážně jako stavební materiál (např. na výrobu tvárnic, sádrokartonových desek, jako přísady do betonu atd.). Toto využití může být však problematické z důvodu možného uvolňování toxických látek, nakládáním s těmito materiály může unikat významné množství těžkých kovů ale také PM₁₀. Tyto materiály jsou označovány též jako vedlejší energetické produkty (VEP) a ročně se těchto materiálů vyprodukuje 12 - 13 milionů tun (popílky, strusky, popel).

Za zmínku stojí také pokusy o využití elektrárenského popílku či strusek na odstraňování těžkých kovů z odpadních vod nebo odstraňování oxidu uhličitého z odpadních plynů

Atmosférický aerosol může být přirozeného i antropogenního původu. Hlavním přirozeným zdrojem jsou výbuchy sopek, lesní požáry a prach unášený větrem. Tyto částice mají velikost přibližně 10 μm. Významné jsou také kapičky mořské vody, třebaže většina z nich spadne poměrně brzy zpět do oceánu. Přirozeného původu je i tzv. bioaerosol, zahrnující organismy jako jsou viry, bakterie, houby a případně jejich části a živočišné a rostlinné produkty (spory a pyl).

Nejvýznamnějším antropogenním zdrojem jsou spalovací procesy, hlavně v dieselových motorech a elektrárnách a další vysokoteplotní procesy, jako je tavení rud a kovů nebo svařování. Tyto procesy produkují částice o velikosti kolem 20 nm. Aerosol může také vznikat odnosem částic větrem ze stavebních ploch nebo v důsledku odstranění vegetačního pokryvu z půdy. Dalším zdrojem mohou být zemědělské operace, nezpevněné cesty, těžební činnost a jakékoliv procesy, při kterých se vyskytují částice o dané velikosti (např. výroba a použití cementu a vápna, nakládání s popílky v suchém ). Atmosférický aerosol může také vznikat chemickou reakcí plynných složek (např. oxidu siřičitého s amoniakem) za vzniku částic o velikosti průměrně 300 nm.

Mezi nejvýznamnější antropogenní zdroje atmosférického aerosolu patří:

• vysokoteplotní procesy, především spalovací (energetika, domácí topeniště, doprava);
• cementárny, vápenky, lomy a těžba;
• odnos částic větrem ze stavebních ploch, z nevhodně uloženého popílku a z ploch zbavených vegetace.

Chování aerosolových částic je ovlivňováno nejvíce jejich velikostí, která určuje vliv různých sil na tyto částice. Z ovzduší se aerosol dostává do ostatních složek životního prostředí pomocí suché nebo mokré atmosférické depozice. V principu platí, že čím menší průměr částice má, tím déle zůstane v ovzduší. Částice o velikosti přes 10 µm sedimentují na zemský povrch v průběhu několika hodin, zatímco částice nejjemnější (menší než 1 µm) mohou v atmosféře setrvávat týdny, než jsou mokrou depozicí spláchnuty a stávají se pak součástí půd, jezerních a říčních sedimentů.

Částice jemného a hrubého aerosolu mají odlišné složení. Materiál zemské kůry (částice půd, zvětraných hornin a minerálů, prach) a bioaerosol tvoří většinu hmotnosti hrubého aerosolu, zatímco jemný aerosol je tvořen hlavně sírany, amonnými solemi, organickým a elementárním uhlíkem a některými kovy. Dusičnany jsou významnou složkou jak hrubého, tak jemného aerosolu. Prašný aerosol může také sloužit jako absorpční medium pro těkavé organické látky.

Aerosol může působit na organismy mechanicky zaprášením. Zaprášení listů rostlin snižuje jejich aktivní plochu, u živočichů a člověka prach vstupuje do dýchacích cest. Dalším problémem je toxické působení látek obsažených v aerosolu.

Pevné částice v atmosféře ovlivňují energetickou bilanci Země, protože rozptylují sluneční záření zpět do prostoru. Podnebí ovlivňují tyto částice také svým účinkem na tvorbu oblaků. Jsou-li při tvorbě oblaků přítomny pevné částice ve velkém množství, bude výsledný oblak sestávat z velkého množství menších kapek. Takový oblak bude odrážet sluneční záření mnohem více, než oblak sestávající z částic větších. Vlivy na klima se však projevují spíše v regionálním měřítku.

Částice atmosférického aerosolu se usazují v dýchacích cestách. Místo záchytu závisí na jejich velikosti. Větší částice se zachycují na chloupcích v nose a nezpůsobují větší potíže. Částice menší než 10 µm (PM₁₀) se mohou usazovat v průduškách a způsobovat zdravotní problémy. Částice menší než 1 µm mohou vstupovat přímo do plicních sklípků, proto jsou tyto částice nejnebezpečnější. Částice navíc často obsahují adsorbované karcinogenní sloučeniny.

Inhalace PM₁₀ poškozuje hlavně kardiovaskulární a plicní systém. Dlouhodobá expozice snižuje délku života (předčasná smrt u lidí se srdečním a plicním onemocněním), může způsobovat chronickou bronchitidu a chronické plicní choroby (např. CHOPN) a vznik astmatu. Toxicky působí chemické látky obsažené v aerosolu (sírany, amonné ionty, PAH, těžké kovy aj.). V důsledku adsorpce organických látek s mutagenními a karcinogenními účinky může expozice PM₁₀ způsobovat rakovinu plic. Dle hodnocení IARC (Agentura pro výzkum rakoviny) patří polétavý prach PM₁₀ mezi látky s prokázaným karcinogenním působením (skupina 1). Z těchto důvodů Státní zdravotní ústav každoročně vyhodnocuje dopad znečištění ovzduší i částicemi PM₁₀ na lidské zdraví.

Toxicitu PM₁₀ způsobují hlavně chemické látky obsažené v aerosolu. Některé organické látky adsorbované na povrchu polétavého prachu mohou mít karcinogenní nebo mutagenní účinky. Prachové částice v ovzduší přinášejí především zdravotní rizika pro člověka a ostatní živé organismy.     

Přítomnost prachových částic ve vypouštěné vzdušině lze při jejich vyšším obsahu indikovat vizuálně. Malé koncentrace však takto pozorovatelné být nemusí.

Měření emisí aerosolových částic a látek na ně vázaných představuje jednu z nejkomplikovanějších výzev analýzy ovzduší. Prvním a nejnáročnějším krokem analýzy je shromáždění reprezentativního, celistvého a dostatečného vzorku těchto aerosolových částic, které se zpravidla provádí jejich oddělením od nosného plynu a zachycením na vhodném materiálu. Vzorkování aerosolových částic v odpadních plynech se týká všech velikostí bez výjimky. Množství PM₁₀ se zjišťuje pomocí čerpání analyzovaného vzduchu přes filtr o velikosti pórů 10 μm. Množství zachyceného aerosolu se stanovuje gravimetricky vážením (mezinárodní norma ČSN ISO 9096). Další možností je metoda Black Smoke (BS). Tato metoda využívá změny reflektance (odrazivosti) světla v závislosti na množství zachyceného aerosolu. Měření mohou provést komerční laboratoře či specializovaná výzkumná pracoviště.

Stanovení hmotnostní koncentrace aerosolových částic (včetně PM₁₀) v odpadním plynu je věnována řada technických norem:

Ke stanovení nízkých hodnot hmotnostní koncentrace aerosolových částic v plynech proudících potrubím při hmotnostních koncentracích nižších než 50 mg/m³ po přepočtu na normální stavové podmínky je určena normovaná manuální gravimetrická metoda používaná jako metoda referenční ČSN EN 13284-1. Tato metoda byla ověřena na obsah aerosolových částic okolo 5 mg/m³ a průměrnou dobu odběru vzorku 30 minut. Tato norma byla vypracována především pro odpadní plyny ze spaloven odpadů. Obecně ji však lze použít i pro odpadní plyny jiných stacionárních zdrojů a pro vyšší hmotnostní koncentrace.

Pro účely měření emisí stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší, především však pro měření emisí spaloven odpadů, byla vypracována evropská norma ČSN EN 13284–2. Tato norma uvádí postupy prokazování jakosti potřebné k zajištění toho, aby automatizované měřicí systémy (AMS) instalované k měření obsahu prachu ve spalinách zabezpečily požadované hodnoty nejistoty stanovené legislativou (např. směrnice EU, národní předpisy). Ke splnění vytčených požadavků stanoví norma tři rozdílné úrovně prokazování jakosti (Quality Assurance Level QAL1, QAL2 a QAL3). Tyto požadavky slouží k prokazování, že emise prachu ze zařízení splňují emisní limit menší než 50 mg/m³ v odpadním plynu vedeném potrubím: První z nich je určena pro stanovení thorakální frakce aerosolových částic PM₁₀ ve venkovním ovzduší za použití nízkoprůtokového vzorkovacího zařízení s typickým průtokem vzorku 16,7 l/min a pásky vyrobené ze skleněných vláken. Druhá metoda je určena pro stanovení thorakální frakce aerosolových částic PM₁₀ ve venkovním ovzduší za použití nízkoprůtokového vzorkovacího zařízení typickým průtokem vzorku 18,9 l/min a pásky vyrobené ze skleněných vláken. Třetí metoda je určena pro stanovení thorakální frakce aerosolových částic PM₁₀ ve venkovním ovzduší v rozsahu od 5 μg/m³ až několika g/m³. Provedení odběru vzorků u všech metod závisí na cílech měření.

Pro stanovení frakce PM₁₀ z venkovního ovzduší lze použít metodu ČSN EN 12341. Tato evropská norma uvádí požadovanou účinnost zařízení pro odběr vzorků PM₁₀ s cílem sjednotit monitoring v souladu s ustanovením Směrnice 96/62/ES Rady EU o hodnocení a řízení kvality venkovního ovzduší. Norma stanoví protokol o zkoušce porovnáním výsledků získaných hodnoceným zařízením pro odběr vzorků PM₁₀ a referenčním zařízením pro odběr PM₁₀ v terénních podmínkách.

Stanovení hmotnostní koncentrace aerosolových částic je významnou součástí hodnocení kvality ovzduší, kde se sleduje hmotnostní koncentrace aerosolových částic všech velikostí, částic thorakální frakce PM₁₀ a frakce PM_2,5 (samostatná kapitola).

Při vypouštění PM₁₀ o koncentraci například 100 mg.m^-3 je ohlašovací práh pro emise do ovzduší dosažen při vypouštění 500 000 000 m³ odpadního vzduchu ročně (při stejné teplotě a tlaku jako koncentrační údaj).

Existují různá označení pro jednotlivé druhy aerosolu. O mlze lze hovořit v případě kapalného aerosolu, vzniklého kondenzací přesycených vodních par nebo atomizací kapaliny. Za opar se označuje obdobný aerosol, který má vliv zejména na viditelnost v atmosféře. Jako dým se označuje aerosol z pevných částic menších než 0,05 μm. Podobně lze definovat kouř, který navíc obsahuje kapalné částice a je výsledkem nedokonalého spalování. Soubor hrubých částic větších než 0,5 μm, vzniklých z pevné hmoty, se označuje jako prach. Sprej nebo tříšť vzniká působením sil na kapalinu. Smog je obecný termín označující viditelné znečistění atmosféry zejména v městských oblastech.

Aerosolové částice jsou častým analytem vzorkování odpadních plynů. Jejich význam nespočívá jen v samotném působení těchto částic, například popílku či sazí, na zdraví člověka. Daleko významnější je působení látek, které jsou těmito částicemi přenášeny v důsledku řady procesů, jako je syntéza polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH, kterým je věnována samostatná kapitola) ve spalovacím prostoru nebo transmisní jevy ve volném ovzduší (sorpce, kondenzace, srážení atd.).

Aerosolové částice se v některých právních předpisech pro odpadní plyny nevhodně nazývají tuhými znečišťujícími látkami (TZL). Přes odkaz na pevné (nikoli tuhé) skupenství tohoto analytu však fakticky zahrnují i pevný podíl kapalných aerosolových částic. Je to dáno principem odběru a úpravy jejich vzorků, tj. filtrací a sušením zachyceného depozitu v případě referenční normované metody.

Pod pojmem aerosolové částice je nutné si představit částice libovolného tvaru, struktury nebo hustoty rozptýlené v plynné fázi za podmínek existujících ve vzorkovacím bodě, které se mohou zachytit filtrací za určených podmínek po odběru reprezentativního vzorku sledovaného odpadního plynu a které zůstanou na filtru i po sušení za určených podmínek.

Odhadováním hmotnostního toku aerosolových částic z různých zdrojů emisí do atmosféry se zabývá řada institucí a výsledky svých výpočtů založených často na existenci národních emisních inventur pak pravidelně zveřejňuje ve svých ročenkách. Evropská agentura pro životní prostředí ve formě pravidelně vydávané ročenky uvádí informace získané společným programem European Monitoring and Evaluation Programme.  

• Encyklopedie Wikipedia, https://cs.wikipedia.org/wiki/Pevn%C3%A9_%C4%8D%C3%A1stice

 https://en.wikipedia.org/wiki/Particulates

• E.P.A. IRIS, https://www.epa.gov/air-trends/particulate-matter-pm10-trends

• http://www.greenfacts.org/index.htm

• Holoubek I.: Troposférická chemie, Masarykova Univerzita, Brno 2005

• Houghton J.: Globální oteplování, Academia, Praha 1998

• World Health Organization, http://www.euro.who.int/en/search?q=PM10

• Environment Agency, http://www.environment-agency.gov.uk/

• Skácel, Tekáč: Analýza ovzduší, VŠCHT, Praha, 2002

• ČSN EN 13284–1 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hmotnostních koncentrací prachu – Manuální gravimetrická metoda, ČNI Praha 2002

• ČSN ISO 9096 Stacionární zdroje emisí – Stanovení hmotnostní koncentrace a hmotnostního toku tuhých částic v potrubí – Manuální gravimetrická metoda, ČNI Praha 1998

• ČSN EN 13284–2 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hmotnostních koncentrací prachu – Část 2: Automatizované měřicí systémy, ČNI Praha 2005

• Skácel, Tekáč: Analýza ovzduší, ISBN 978-80-7592-038-6, VŠCHT Praha, 2019