Informacje o smogu

Smog stanowi wielopoziomowe zagrożenie dla zdrowia ludzi, zwierząt i roślin. Rosnąca wiedza w zakresie jego składu i oddziaływania na organizmy przedstawia obraz sytuacji pozornie bez wyjścia. Z jednej strony, zanieczyszczenie powietrza nas zatruwa, więc należy je zatrzymać. Z drugiej jednak, zanieczyszczenie to powstaje w procesach, które są trwale związane z życiem współczesnego człowieka. Natychmiastowe zrezygnowanie z elektryczności (produkowanej przez spalanie węgla) i transportu pojazdami spalinowymi jest nierealne. Wymiana wszystkich domowych pieców starego typu na nowsze wykracza poza możliwości finansowe mieszkańców i gmin. Zanieczyszczenie powietrza i smog są tymi problemami, których nie da się „zlikwidować ustawą”. Najważniejsza w walce z nimi są edukacja i wzrost świadomości społecznej. Świadomości, że tym, co wrzucam do pieca, oddycha później cała okolica. Że wybranie samochodu zamiast tramwaju szkodzi mnie i innym w realny, namacalny, i mierzalny sposób. Układ sił nie jest sprawiedliwy, ponieważ osoby bardzo świadome środowiskowo cierpią tak samo jak te, które nieświadomie lub ze świadomym lekceważeniem niszczą nasze powietrze. Ponieważ nie ma możliwości, aby skutecznie zmusić wszystkie niechętne osoby do wspólnego dbania o zdrowie publiczne, powstały systemy indywidualnej ochrony przed zanieczyszczeniem powietrza.

Smog jest niejednorodną mieszaniną wielu składników i nie ma jednego sposobu na zneutralizowanie wszystkich na raz. Ponadto, żadna z dostępnych metod oczyszczania nie jest stuprocentowo skuteczna. Oznacza to, że indywidualna ochrona przed zanieczyszczeniem powietrza to sztuka kompromisu. Urządzenia, które specjalizują się w neutralizowaniu związków organicznych, nie będą tak skuteczne przeciwko pyłom, natomiast urządzenia przeciwpyłowe nie zneutralizują dobrze kwasowych tlenków itd. Jak w każdej dziedzinie, pozostaje również konflikt między sprawnością stosowanych środków ochrony, a ich ceną. To, co realnie można i należy robić, to podejmować świadome działania w celu spersonalizowanego redukowania największego z zagrożeń występujących na danym obszarze w danym czasie.

Miejskie powietrze zanieczyszczone jest trzema zasadniczo różnymi frakcjami związków chemicznych. Są to pyły, gazy i lotne związki organiczne. Ochrona przed tymi pierwszymi jest teoretycznie najłatwiejsza, ponieważ są to ciała stałe i jako takie mogą zostać mechanicznie odsiane. Istotnie, najprostszym urządzeniem odpylającym jest niezwykle drobne sito – filtr powietrza. Najczęściej wykonane z preparowanego papieru, lub tworzywa sztucznego, filtry pozwalają oczyścić powietrze z zawieszonych drobin. Im drobniejsze pory filtra, tym więcej cząstek zostanie usunięte z powietrza, natomiast tym podatniejszy na zapchanie będzie dany filtr. Ponadto, drobne filtry stawiają większy opór mechaniczny i wymagają pompowania powietrza pod większym ciśnieniem, co po przekroczeniu pewnego minimalnego wymiaru porów sprawia, że filtr staje się niepraktyczny. Jednymi z najdoskonalszych filtrów powietrza są filtry typu HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter), które dzięki znacznemu pofałdowaniu mają ogromną powierzchnię i nawet przy porowatości poniżej 1 mikrometra zapewniają swobodny przepływ powietrza. Są one stosowane w komorach sterylnych w laboratoriach i na salach operacyjnych, ponieważ tak drobna porowatość pozwala im skutecznie sterylizować powietrze przez mechaniczne wyłapywanie drobnoustrojów. Na co dzień spotkać je można w niektórych odkurzaczach i domowych urządzeniach odpylających. Zastosowanie takich urządzeń jest skutecznym sposobem na oczyszczenie powietrza w domu z alergenów i pyłów – również PM10 i PM2.5. Niestety, są to filtry duże, więc niepraktyczne jest ich stosowanie w maskach osobistych, poza bardzo szczególnymi sytuacjami (np. ratownictwo, terenowe interwencje epidemiologiczne itd.). Dodatkowo, zastosowanie tak drobnych filtrów w maskach przeciwpyłowych wymagałoby znacznego wysiłku przy oddychaniu, ze względu na opór stawiany przez drobne pory. Do codziennej ochrony osobistej służą maski przeciwpyłowe, które wyposażone są w mniejsze, bardziej poręczne filtry, których porowatość jest wygodnym kompromisem pomiędzy wydajnością filtracji, a łatwością przepływu powietrza. Zaprojektowane w taki sposób, żeby jednocześnie znacznie zmniejszały zawartość cząstek zawieszonych w powietrzu i nie utrudniały oddychania, osobiste maski przeciwpyłowe (lub dedykowane przeciwsmogowe) pozwalają zapewnić codzienną ochronę dróg oddechowych bez obawy o wygodę oddychania. Jeśli taka maska jest dobrze dobrana, powinna dawać o sobie zapomnieć w trakcie codziennego użytkowania. Niebezpieczeństwo ze strony pyłów zawieszonych polega na ciągłej ekspozycji gardła i płuc na ich drażniący wpływ, dlatego takie maski powinny być noszone codziennie, przez cały czas spędzony poza domem, gdy stacje terenowe Inspektoratu Ochrony Środowiska wskazują niebezpieczne wartości[1]. Niestety, filtry mechaniczne są skuteczne w usuwaniu jedynie pyłów i nie pomogą nam w ochronie przed gazami i lotnymi związkami organicznymi.

Sposobem na neutralizację gazów i par rozpuszczonych w powietrzu jest pochłanianie. W pochłaniaczach powietrze jest pompowane przez złoże, którego powierzchnia ma chemiczne, lub przestrzenne powinowactwo do cząstek, które mają zostać wychwycone. Najtańszym i najbezpieczniejszym w użyciu złożem jest węgiel aktywowany (potocznie – węgiel aktywny). Pozyskiwany najczęściej z odpadów rolniczych (pestki, siano, łupiny kokosowe itp.) staje się cennym materiałem na polu walki ze skażeniem. Materia roślinna jest ogrzewana w zamkniętych pojemnikach bez dostępu powietrza, co powoduje jej zwęglenie i usunięcie z niej wszystkich lotnych substancji. Tak otrzymany węgiel drzewny jest następnie chemicznie aktywowany. Sposobów aktywowania węgla jest bardzo wiele. Może to być traktowanie gorącą parą wodną, zanurzenie w roztworze soli nieorganicznych, lub specyficzny cykl zmian temperatury. Aktywacja prowadzi do powstania mikroskopijnych pęknięć w całej objętości węgla, który zaczyna wtedy działać jak gąbka, pochłaniająca niemal wszystkie związki organiczne i wiele nieorganicznych. Współczesne metody aktywacji są tak skuteczne, że w jednym gramie gotowego do użycia granulatu węgla znajduje się nawet 1.5cm³ przestrzeni, w której mogą zostać uwięzione związki organiczne[2]. Sposób aktywacji wpływa również na powinowactwo otrzymanego węgla do różnych związków, zatem można otrzymać węgiel najlepiej pochłaniający tlenki azotu, tlenki siarki, aromatyczne związki organiczne itd. W urządzeniach ochronnych często stosuje się mieszanki węgla aktywowanego różnymi sposobami, aby uzyskać wszechstronną chłonność. Węgiel aktywowany może być uformowany w granulat, stosowany w postaci skruszonej, lub gąbczastej. Im drobniejsza forma węgla, tym większa jego powierzchnia czynna, a co za tym idzie i wydajność pochłaniania zanieczyszczeń. Z przyczyn praktycznych, granulat i miał najczęściej stosowane są w oczyszczaniu wody, ponieważ mogą zostać zawieszone w oczyszczanym roztworze, co znacznie zwiększa kontakt węgla z zanieczyszczeniami. W oczyszczaniu powietrza najczęściej spotyka się węgiel w postaci gąbczastej, lub włóknistej. Jest on wtedy miękki i wytrzymały na odkształcenia, więc z powodzeniem stosuje się go w okapach kuchennych, odkurzaczach, domowych filtrach powietrza i maskach osobistych. Po raz kolejny trzeba przypomnieć, że nie ma panaceum na skażenie powietrza i filtr węglowy, pomimo swojej skuteczności w usuwaniu lotnych związków organicznych i kwasowych tlenków, jest niemal całkowicie przepuszczalny dla pyłów. Co więcej, na początku użytkowania, sam może uwalniać niewielkie ilości drobin do oczyszczanego powietrza. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie dwóch filtrów jednocześnie – węglowego i mechanicznego. Pozwala to wyeliminować zarówno pyły jak i zanieczyszczenia chemiczne. Jest to jednak rozwiązanie przeznaczone głównie dla oczyszczaczy stacjonarnych, gdyż stosowanie wielowarstwowych filtrów w maskach osobistych może znacznie utrudniać oddychanie.

Istnieje wiele bardziej wyrafinowanych sposobów oczyszczania powietrza, które, stosowane w stacjonarnych oczyszczaczach na domową i przemysłową skalę, pozwalają obniżyć zagrożenie stanowione dla ludzi przez smog. Pochłaniacze wodne działają na zasadzie odkurzacza wodnego, w którym drobne kropelki wody wychwytują pyły oraz rozpuszczają część lotnych związków organicznych, i tlenków kwasowych. Jonizatory powietrza nadają cząstkom pyłu ładunek elektryczny, który zmusza je do szybszego, elektrostatycznego osiadania na powierzchniach. Separatory cyklonowe pozwalają szybko i tanio odpylać bardzo duże objętości powietrza, jednakże zazwyczaj są głośne i nie radzą sobie dobrze z bardzo drobnymi cząstkami, więc stosuje się je głównie w przemyśle. Niestety, żadne z tych urządzeń nie znajduje zastosowania w ochronie osobistej.

Jeden ze składników miejskiego powietrza umyka wszelkim wyżej opisanym metodom oczyszczania. Jest to czad. Groźny, niewidoczny i bezwonny gaz, nie jest pochłaniany przez złoża węglowe i nie daje się odfiltrować mechanicznie. Gdy jest odpowiednio stężony (np. jako odpad przy produkcji koksu), można go zwyczajnie spalić do dwutlenku węgla. Po znacznym rozcieńczeniu w atmosferze, jedynym sposobem zniszczenia, jest jego katalityczne utlenienie. Zostało opracowane wiele katalizatorów, które są w stanie bez zewnętrznego dostarczania energii utleniać czad do dwutlenku węgla. Są to przeważnie złoża zawierające nanocząstki złota lub platyny, które (w dostępności tlenu) w kontakcie z czadem niszczą ten groźny gaz[3].  Niestety, katalizatory takie są niezwykle drogie i z tego powodu spotyka się je niemal wyłącznie w zastosowaniach przemysłowych.

Walka ze smogiem to niekończąca się historia. Dopóki energetyczne bezpieczeństwo naszej cywilizacji będzie zależeć od paliw opartych na węglu, dopóty konieczne będzie stosowanie środków ochrony przed groźnymi produktami ich spalania. Jest jednak nadzieja, że rozwijająca się świadomość społeczna i pro-środowiskowe ustawodawstwo umożliwią zastosowanie bezpieczniejszych sposobów produkcji energii. Ekologia stała się w ostatnim czasie bardzo modna i chociaż zdrowie publiczne nie powinno być zależne od mody, to z perspektywy jego ochrony jest to moda bardzo pożyteczna.

Tekst: Mikołaj Cup

[1] http://powietrze.gios.gov.pl/pjp/current

[2] N. M. Nor, L. L. Chung, L. K. Teong, and A. R. Mohamed, “Synthesis of activated carbon from lignocellulosic biomass and its applications in air pollution control — a review,” J. Environ. Chem. Eng., vol. 1, no. 4, pp. 658–666, 2013.

[3] M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, and N. Yamada, “Novel Gold Catalysts for the Oxidation of Carbon Monoxide at a Temperature far below 0*C,” Chem. Lett., pp. 405–408, 1987.