Wyklad 5.doc

12

5. Odprowadzanie zanieczyszczeń gazowych i substancji radioaktywnych oraz pyłów

5.1. Wprowadzenie

W powietrzu znajdują się zawsze zanieczyszczenia, których źródłem jest działalność człowieka. Są to gazy, pary, pyły i mikroorganizmy. Do najważniejszych zanieczyszczeń powietrza w postaci par i gazów należą: ozon (O3), Nadtlenek wodoru (H2O2), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), dwutlenek siarki (SO2), amoniak (NH3), tlenki azotu (NO i NO2), ołów (Pb), formaldehyd, pięciochlorofenol, cząstki radioaktywne (radon i toron). Podobnie jak w przypadku wilgoci, zanieczyszczenia gazowe i pyłowe, jak również substancje radioaktywne odprowadzamy przez wentylację.

Przez niemal 200 ostatnich lat uważano, że człowiek był jedynym istotnym źródłem zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach zamkniętych. Powszechnie wyrażano pogląd, że ludzie wydychają toksyczne substancje, których obecność w powietrzu jest szkodliwa dla zdrowia. Za szczególnie niebezpieczne uważano zarazki. Wyciągnięto więc wniosek, że pomieszczenia, w których przebywają ludzie należy wentylować.

Ze względu na pochodzenie źródła zanieczyszczeń dzielimy na źródła pochodzenia naturalnego:

- wulkany (blisko 450 czynnych, będących źródłem m. in. popiołów wulkanicznych oraz gazów_SO2, CO2, H2S),

- pożary lasów, sawann i stepów (będące źródłem CO2 oraz pyłu),

- bagna będące źródłem m. in. CH4, CO2, NH3 i H2S,

- erozja gleb i skał, burze piaskowe – ogólnie blisko 700 mln ton pyłów na rok

- tereny zielone, jako źródło pyłków roślinnych;

oraz pochodzenia antropogenicznego, będące wynikiem działalności człowieka:

- źródła energetyczne – spalanie paliw,

- źródła przemysłowe – procesy technologiczne w cementowniach, hutach, zakładach chemicznych, kopalniach, rafineriach,

- źródła komunikacyjne – transport samochodowy, lotniczy i wodny,

- źródła komunalne – gospodarstwa domowe.

Według kształtu źródła emisji możemy podzielić na punktowe (np. zakład przemysłowy), liniowe (np. szlak komunikacyjny) oraz powierzchniowe (np. otwarty zbiornik z lotną substancją).

5.2. Pyły

Zbiory cząstek stałych lub ciekłych, stanowiących fazę rozproszoną w powietrzu jako fazie rozpraszającej nazywa się aerozolami. Pyły są to aerozole, których fazę rozproszoną stanowi zbiór cząstek stałych o wymiarach do 300 μm. Rozproszone w powietrzu substancje stałe są dowolnego kształtu, struktury i gęstości. Praktycznie pyły są mieszaniną cząstek o wielkości 0,1÷1000 μm. W zależności od wielkości cząstek pył dzieli się na:

- pył gruby > 10 μm,

- pył drobny 1÷10 μm,

- pył bardzo drobny < 1 μm.

Cząstki mniejsze od 0,1 μm są pyłem koloidalnym, tzn. są to rozproszone w ośrodku gazowym bardzo małe cząsteczki ośrodka stałego, których ruch jest zbliżony do ruchów Browna. Gołym okiem widoczne są cząstki pyłu większe od 20÷30 μm. Cząstki pyłu charakteryzuje bardzo istotny dla wentylacji parametr – prędkość opadania cząstek pyłu w powietrzu. Zależy ona od wielkości i gęstości cząstek. Prędkość tę oraz odpowiadającą jej drogę opadania dla średnicy równoważnej cząstki d i gęstości ρ = 1000 kg/m3 podano w tablicy 5.1. Prędkość opadania można aproksymować liniowo w funkcji gęstości cząstki.

Tablica 5.1. Prędkość opadania cząstek pyłu w powietrzu o temperaturze 200C

Pyły mogą występować pod różnymi postaciami:

- sadza: silnie rozdrobniony węgiel powstający przy niecałkowitym spalaniu; sadza występuje najczęściej w formie płatków o wielkościach cząstek większych od 1 μm,

- dym: zanieczyszczenie nie związane z powietrzem, pochodzące ze spalania, zawierające popiół, sadzę, związki metali, wodę, gazy i pary oraz składniki smoliste; cząstki występujące w dymie mają wielkość od 0,01 do 1,o μm,

- opary: najdrobniejsze cząstki znajdujące się w powietrzu, które zmniejszają zasięg widzenia poniżej 1 km; wielkość tych cząstek jest mniejsza od 1 μm,

- mgła: drobno rozproszone krople wody w powietrzu, zmniejszające zasięg widzenia poniżej 1 km; ich wielkość waha się w granicach od 1 do 50 μm,

- smog: bogata w sadzę i pył mgła.

  Pyły tworzą składniki nieorganiczne, wśród których najczęściej spotyka się piasek, węgiel, popiół, różne skały, cement itp. oraz składniki organiczne, jak cząstki roślin, nasiona, sierść, włókna tekstylne, mąkę i inne. Pyły powstają w sposób naturalny przez zwietrzenie, rozpad, pożary, wybuchy, gnicie oraz w wyniku działalności człowieka, takiej jak spalanie, procesy mechaniczne, chemiczne. Pyły mogą dostawać się do powietrza w postaci cząstek stałych, ciekłych i w formie gazowej – emisja lub do gruntu – imisja.

Średnia zawartość pyłu w powietrzu według Recknagla&Sprengera kształtuje się następująco:

- obszary wiejskie: 0,05 mg/m3 podczas deszczu oraz 0,10 mg/m3 podczas suszy;

- obszar dużego miasta: 0,10 mg/m3 w okolicach mieszkalnych oraz 0,30÷50 mg/m3 w okolicach przemysłowych; 

- obszary przemysłowe: 1,0÷3,0 mg/m3;

- pomieszczenia mieszkalne: 1÷2 mg/m3;

- domy towarowe: 2÷5 mg/m3;

- warsztaty: 1÷10 mg/m3;

- fabryki cementu: 100÷200 mg/m3;

- powietrze kopalń; 100÷300 mg/m3;

- spaliny kotłów na koks: 10÷50 mg/m3 przy ładowaniu ręcznym oraz 100÷200 mg/m3przy ładowaniu mechanicznym;

- spaliny palenisk: 1000÷15000 mg/m3.  

W powietrzu znajduje się zawsze pewna ilość pyłów, która nie ma znaczenia dla zdrowia człowieka. Organizm ludzki posiada mechanizm obronny w postaci błon śluzowych broniących płuca przed dostaniem się do nich pyłu. Ten mechanizm obronny zawodzi, gdy w powietrzu znajduje się nadmierna ilość pyłu pochodząca np. z procesów produkcyjnych. Pył przedostaje się do płuc, powodując różne schorzenia. U niektórych osób powoduje reakcje alergiczne. Pył wpływa również niekorzystnie na budowle, maszyny i urządzenia, powodując ich uszkodzenia lub przyspieszone zużycie. Z tych powodów konieczne jest podejmowanie działań zmierzających do usuwania lub ograniczenia nadmiernej ilości pyłów w powietrzu. Porównanie wielkości cząstek gazów, par, pyłów i mikroorganizmów przedstawiono na rysunku 5.1.

                  Rys.5.1. Wielkość cząstek pyłów w powietrzu w μm

5.3. Mikroorganizmy

Mikroorganizmy są to twory o mikroskopijnej wielkości, do których należą: bakterie, pierwotniaki, wirusy, część glonów i grzybów. W powietrzu występują przede wszystkim bakterie i wirusy, które przyczepiają się do cząstek pyłu. Ze wzrostem zapylenia powietrza obserwuje się wzrost liczby bakterii. Mikroorganizmy posiadają grubość od 0,5 do 1,0 μm oraz długość od 1 do 5 μm, w tym wirusy od 0,01 do 0,1 μm. Ilość mikroorganizmów w powietrzu można obniżyć stosując między innymi klimatyzację.

5.4. Zapachy

W powietrzu znajdują się różnego rodzaju i pochodzenia substancje, dla których charakterystycznym parametrem jest zapach. Substancje te określa się mianem substancji zapachowych. Substancje zapachowe mogą być pochodzenia roślinnego, zwierzęcego lub syntetycznego. W powietrzu w pomieszczeniach pochodzą z organizmu ludzkiego (amoniak, metan, kwasy tłuszczowe itp.), z takich sprzętów jak meble, dywany tapety, farby i materiały budowlane (np. formaldehydy). Mogą być wynikiem procesów spalania prowadzonych wewnątrz pomieszczeń i przenikać do nich z zewnątrz (np. spaliny z pieców, kuchenek gazowych, spaliny samochodowe) oraz procesów gnicia i pleśnienia. Powstają również w procesach produkcyjnych (np. lakiernia, galwanizeria, pralnia, fermy zwierzęce itp.). Zapachy mogą wywoływać u ludzi uczucie wstrętu i być przyczyną pogorszenia samopoczucia człowieka. Zapachom można przeciwdziałać stosując wentylację ogólną lub usuwać je bezpośrednio u źródła powstawania.

5.5. Jonizacja powietrza

Poruszające się jony w powietrzu powodują przepływ prądu. Jony powstają w efekcie promieniowania naturalnego substancji radioaktywnych znajdujących się w ziemi i w powietrzu oraz w wyniku promieniowania kosmicznego i burz. Pod wpływem promieniowania elektrony uwalniane są z cząsteczek powietrza, zwłaszcza z O2. W ten sposób powstają jony dodatnie. Jony ujemne powstają wtedy, gdy do różnych cząsteczek, np. do CO2 przyłączają się uwalniane elektrony. Wielkość i trwałość jonów jest zmienna, zależy od miejsca, czasu oraz zawartości pyłu w powietrzu. Zawartość jonów w pomieszczeniach i w wolnej przestrzeni jest różna. W pomieszczeniach jest ich zawsze więcej, a ich ilość zależy od wentylacji, zawartości pyłu, stosowanych materiałów budowlanych, tworzyw sztucznych itd. Wiadomo, że wolne elektrony powstają także przy dotykaniu powierzchni metalowych ręką.

Wpływ zjonizowanego powietrza na organizm ludzki zależy od rozmiarów jonów i ich biegunowości oraz koncentracji w powietrzu, a także od własności fizykochemicznych nośników jonów (aerozole, bakterie). Korzystne działanie na organizm ludzki wykazują jony małe, zarówno dodatnie, jak i ujemne. Powietrze zawierające przeważająca liczbę jonów ujemnych powoduje odczucie świeżości i wpływa zatem na dobre samopoczucie człowieka.

Niekorzystny jest natomiast wpływ na organizm ludzki jonów dodatnich. Unoszące się w powietrzu pyły i bakterie mają zasadniczo ładunek dodatni. Tak więc duszne i zapylone powietrze, w którym jest przeważająca liczba jonów dodatnich powoduje uczucie zmęczenia, znużenia i spadku zdolności do koncentracji. W pomieszczeniu z przewagą jonów dodatnich, występuje u przebywających w nim ludzi uczucie suchości powietrza i podrażnienie błon śluzowych. Może to spowodować ogólnie złe samopoczucie. Sam człowiek jest źródłem dużych jonów dodatnich. Przebywanie większej liczby osób w pomieszczeniu zamkniętym (a do takich należy zaliczyć przede wszystkim sale widowiskowe, konferencyjne i audytoryjne) prowadzi zatem do niekorzystnego stanu jonizacji powietrza w stosunku do powietrza zewnętrznego. Średnie stężenie jonów w powietrzu kształtuje się następująco:

- tereny górskie                                        500÷    1 000/cm3

- równiny                                              1 000÷    5 000/cm3

- miasta                                                5 000÷  50 000/cm3

- pomieszczenia zamknięte                  50 000÷100 000/cm3

Tablica 5.2. Największe dopuszczalne stężenia substancji szkodliwych na stanowisku pracy NDS) według Poradnika Ogrzewanie &Klimatyzacja Recknagel&Sprenger