Měření emisí ultrajemných částic z malých spalovacích zařízení se zřetelem na nové poznatky z výzkumu bezpečnosti nanočástic

Vendula Drastichová

Doctoral thesis

Measurement of emissions of ultrafine particles from small combustion equipments with regard to new findings from research on the safety of nanoparticles

Abstract:

Svět se v dnešní době potýká s globálním problémem znečištění ovzduší a s jeho nepříznivými dopady na zdraví obyvatelstva. Tuhé znečišťující látky (TZL) v ovzduší ovlivňují člověka mnohem více než jiné škodliviny v tomtéž prostředí (například SOx, NOx). V devadesátých letech minulého století bylo dosaženo významného zlepšení kvality ovzduší v ČR. Avšak v mnohých, zejména dopravou a průmyslem silně zatížených oblastech (například některé oblasti Moravskoslezského kraje) jsou stále překračovány imisní limity pro ochranu zdraví obyvatelstva. Zdroje TZL v ovzduší jsou zejména spalovací procesy. Z těchto zdrojů jsou významnými zástupci v produkci TZL malá spalovací zařízení (MSZ). Problémem MSZ je nízká výška komínů, která způsobuje hromadění TZL v dýchací zóně obyvatelstva i skutečnost, že tato zařízení nemají prakticky žádné čištění spalin (filtry) a neplatí pro ně obdobné kontrolní a regulační mechanismy jako pro velké zdroje znečišťování ovzduší, které jsou z velké části kontrolovány kontinuálně. Ze zdravotního hlediska je zde blízká vazba kvantitativního vztahu mezi expozicí vysoké koncentrace částic PM10 a PM2,5 a vzrůstajícího počtu onemocnění či úmrtí [3]. Částice menších velikostí mohou být rizikovější než částice větších rozměrů, protože pronikají hlouběji do dýchacího systému a bylo zjištěno [2],[57], že ultrajemné částice (částice menší než 100 nm) jsou schopny aktivně pronikat přímo do krevního řečiště. S rozvojem toxikologických znalostí o ultrajemných částicích (nanočásticích) se ubírá pozornost na jejich možná rizika pro lidské zdraví. Pochopení vztahu mezi množstvím emisí, jejich fyzikálně-chemickými vlastnostmi a biologickou aktivitou jsou velmi důležité při navrhování a zavádění efektivních opatření pro snížení rizik exponovaného obyvatelstva. Cíl disertační práce se zaměřil na stanovení měrných emisí (ME) TZL, PM10 PM2,5, PM1, PM0,1 (ultrajemných částic) ze spalování tuhých paliv v malých spalovacích zařízeních při běžném provozu v domácnostech -při jmenovitém a sníženém výkonu a při spalování různých druhů paliv. Byla vyvinuta vhodná a v praxi využitelná metoda odběru jednotlivých velikostních frakcí částic pro stanovení, jak hmotnostní, tak početní koncentrace částic (PM0,1 - PM10). Z dvaceti pěti provedených spalovacích zkoušek vychází, že procentuálně v PM10 jsou ultrajemné částice (UFP) zastoupeny v průměru 8 %hm. a frakce PM1 je zastoupena v průměru 90 %hm. Při porovnání početní a hmotnostní koncentrace částic vychází, že procentuálně jsou ultrajemné částice v PM1 zastoupeny v průměru 65 %poč. a 10 %hm. Absolutní hodnoty ME tuhých znečišťujících látek a ME jednotlivých velikostních frakcí jsou mnohem vyšší u kotlů staršího typu spalování (prohořívací a odhořívací kotle). U novějších typů spalovacích zařízení (automatické a zplyňovací kotle) je snížení ME TZL velmi výrazné. Avšak hodnoty ME PM0,1 zůstaly v průměru stejné. S ohledem na získané výsledky je potřeba se i nadále zaměřit na charakterizaci malých spalovacích zařízení se zaměřením na jemné a ultrajemné částice. Zjišťovat fyzikálně-chemické vlastnosti těchto částic pro rozšíření informací o jejich míře toxicity a využít toxikologické testy, neboť některé látky mohou být silně biologicky aktivní i při nízkých koncentracích přítomných škodlivin.

Abstract:

The world today is facing a global problem of air pollution and its adverse impacts on human health. Total suspended particles (TSP) in the atmosphere influence man much more than other harmful substances in the same environment. In the nineties, a significant improvement in air quality in the Czech Republic was achieved. However, many, particularly transport and industry heavily loaded areas (e.g. some Moravian-Silesian regions), still exceed the value limits for the protection of public health. Sources of TSP in ambient air are mainly from combustion processes. These sources are important agents in the production of TSP of small combustion equipment (SCE). The SCE problem is the low height of the chimney, which causes an accumulation of solid pollutants in the breathing zone of the population, and the fact that these devices have virtually no exhaust gas purification (filters), and do not operate similar supervisory and regulatory frameworks as large combustion sources of air pollution, whose parts are controlled continuously. From a health perspective, there is a close link in the quantitative relationship between exposure to high concentrations of PM10 and PM2.5 and the growing number of illnesses and deaths [3]. Particles of smaller size may be more risky than larger particle sizes, as they penetrate deeper into the respiratory system. It was found [2],[57] that the ultrafine particles (particles smaller than 100 nm) are able to actively penetrate directly into the bloodstream. With the development of toxicological knowledge about ultrafine particles (nanoparticles), attention to their potential risks to human health is falling.Understanding the relationship between the amounts of emissions, their physicochemical properties, and biological activity are very important when designing and implementing effective measures to reduce the risk of exposure to the population. The objective of the dissertation thesis is focused on determining the specific emissions (SE) TSP, PM10, PM2.5, PM1, PM0.1, from the combustion of solid fuels in small combustion equipment in normal operation in households - at nominal and reduced power, and during the combustion of different types of fuels. A suitable and practical usable method of taking individual particle size fractions to determine both the mass and number concentration of particles (PM0.1 - PM10) was developed. From the twenty five combustion tests performed, based on the percentage of PM10, ultrafine particles (UFP) represented an average of 8%wt., and PM1 fraction is represented by an average of 90%wt. When comparing numerical and mass concentrations of particles based on the percentage of the ultrafine particles in the PM1, they represented on average 65%num. amount and 10%wt. Absolute values of SE TSP and SE individual particle sizes are much higher among older types of combustion equipment. The newer types of combustion devices (automatic and gasification burners) reduce the SE of SCE very significantly. However, the value of the SE PM0.1 average remained the same. With regard to the results obtained, it is necessary to continue to concentrate on the characterization of SCE with a focus on fine and ultrafine particles. Identifying the physico-chemical properties of these particles to spread information about their level of toxicity and toxicological tests should be used, as some substances can be biologically highly active even when low concentrations of pollutants are present.

Keywords

Tuhé znečišťující látky, ultrajemné částice, malá spalovací zařízení, tuhá paliva.

Keywords

Total suspended particles, ultrafine particles, small combustion equipment, solid fuels.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 18. 8. 2015
• Supervisor: Ivana Bartlová
• Reader: Jana Müllerová, Hana Pačaiová, Karel Klouda

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta bezpečnostního inženýrství

Doctoral programme / field:
Požární ochrana a průmyslová bezpečnost / Požární ochrana a bezpečnost