Měření kvality ovzduší během brněnské přehlídky ohňostrojů Ignis Brunensis 2018 – 4. díl – Ignis Brunensis 2018 pod mikroskopem7 min čtení

Ohňostroj je bezesporu divácky atraktivní podívanou. Bezpečnou, pokud se držíte návodu k použití  nebo alespoň stojíte v bezpečné vzdálenosti :-). Jak ale funguje a jakým chemickým látkám šířícím se v kouřové vlečce je divák vystaven? Pojďme se podívat zblízka.

1. Úvod – popis měření, lokality a meteorologických podmínek
2. Kvalita ovzduší – PM₁₀, PM_2,5, NO₂, NO, NO_x, SO₂ a CO
3. Kvalita ovzduší – kovy
4. Kvalita ovzduší – částicová analýza SEM/EDX

Ohňostrojem podle vyhlášky č. 174/1992 Sb. je současné nebo v krátkém časovém sledu následující odpalování pyrotechnických předmětů třídy II a III s případným použitím pyrotechnických předmětů třídy I.

Pyrotechnické předměty – výrobky obsahující technologicky zpracované pyrotechnické slože, případně i malá množství výbušnin. Jsou nebezpečné především požárem a při dodržení návodu k používání neohrozí výbuchem bezpečnost osob a majetku.

Pyrotechnické slože jsou mechanické směsi hořlavin, oxidovadel, pojiv a dalších přídavných látek, jejichž chemickou přeměnou (ve formě různě rychlého hoření) se vyvolávají světelné, tepelné, zvukové, dýmové, tlakové a pohybové účinky (dále jen “pyrotechnické efekty”).

Jako okysličovadla, která jsou rychle dostupným zdrojem kyslíku potřebného k hoření (hoření pyrotechnických složí tedy není závislé na vzdušném kyslíku), se používají nejčastěji dusičnany (KNO₃, Ba(NO₃),₂, Sr(NO₃)₂), chlorečnany (KClO₃, Ba(ClO₃)₂) a chloristany (KClO₄, Ba(ClO₄)₂, NH₄ClO₄).

Příklad rozkladu okysličovadla (dusičnanu):

XNO₃ (dusičnan) → XNO₂ (dusitan) + 1/2O₂ (kyslík)

Světelný efekt ohňostroje je založen na reakci hořlaviny s kyslíkem (hoření) dodaným okysličovadlem. Současně poskytuje tolik tepelné energie, aby stačila ohřát zbytek slože na zápalnou teplotu. Mezi hořlaviny patří práškové kovy jako např. hliník (Al), hořčík (Mg), titan (Ti), železo (Fe), antimon (Sb) atd., dále síra (S), fosfor (P), dřevěné uhlí, škroby, cukry, nitrocelulóza atd.

Jako pojiva, která celou slož spojí a drží pohromadě, slouží síra (S), arabská guma, antracen, dextrin, škrob atd.

Přídavné látky slouží k dosažení požadovaných vlastností jednotlivých složí, můžeme jimi ovlivnit např. rychlost hoření, barvu plamene, tvorbu dýmu, ale také zlepšit mechanickou a chemickou stabilitu pro bezpečnější manipulaci. Hlavním účelem ohňostrojů je světelný efekt, konkrétně dosažení různých barevných odstínů plamene. Látky barvící plamen jsou po chemické stránce především soli alkalických kovů a kovů alkalických zemin, soli sodíku (Na), draslíku (K), lithia (Li), stroncia (Sr), barya (Ba), hořčík (Mg), soli vápníku (Ca), dále soli mědi (Cu), titan (Ti), pro zvýšení intenzity plamene se používají hliník (Al), zinek (Zn) či berilium (Be).

Jako hnací “motor”, který vynese ohňostrojové těleso vysoko do vzduchu, se obvykle používá směs dusičnanu draselného (KNO₃), síry (S) a dřevěného uhlí (C) tzv. černý prach (black powder, gun powder), chemická reakce spojená s odpálením ohňostroje potom může vypadat takto:

4KNO₃ (dusičnan draselný) + S (síra) + 7C (uhlík v dřevěném uhlí) → K₂S (sulfid draselný) + K₂CO₃ (uhličitan draselný) + 2N₂ (dusík gas) + 3CO₂ (oxid uhličitý)

Obr. Ohňostrojové slože

Pro částicovou analýzu (převažovaly částice aerodynamického průměru do 10 µm tzv. PM₁₀) pomocí elektronového mikroskopu byly odebrány 4 vzorky. Odběr každého ze 4 vzorků trval přesně 4 h, vzorkovalo se od 22 – 02 h (odpalování ohňostrojů započalo ve 22,30 h a trvalo přibližně 20 min). Jeden  odběr byl proveden ve stejnou denní dobu, ale v den bez ohňostroje a sloužil jako referenční vzorek.

Obr. Nízkoobjemový vzorkovač (vlevo) a jeho umístění na brněnské přehradě (vpravo)

Na brněnské přehradě převládá západní a severozápadní proudění vzduchu, vzorkovač byl tedy umístěn jihovýchodně od odpalovací rampy, která byla na vodní hladině. Vzorkovač tak zachytil kouřovou vlečku.

Obr. Větrná růžice z dat naměřených v období 2. 6. – 14. 6. 18

Obr. Polykarbonátový filtr s póry o velikosti 0,8 µm (černé díry) a zachycenými prachovými částicemi PM₁₀ (ohňostroj 6. 6. 18)

Obr. Obří a přesto pouhým okem neviditelná pylová zrna. Polykarbonátový filtr s póry o velikosti 0,8 µm (černé díry) a zachycenými prachovými částicemi PM₁₀ (ohňostroj 6. 6. 18)

Elektronová mikroskopie využívá interakce tzv. primárních elektronů s atomy vzorku v jeho povrchové vrstvě, jedním z výsledků této interakce je emise fotonů RTG záření. Energie fotonů RTG záření je charakteristická pro daný prvek a tak nám detekce těchto fotonů poskytne informaci o prvkovém složení vzorku v místě analýzy. Současně je možné na základě srovnání intenzit spektrálních čar v rentgenové oblasti s intenzitami stejných čar v příslušných standardech získat kvantitativní informaci ve formě hmotnostních procent jednotlivých prvků (v našem konkrétním případě používáme bezstandardovou metodu se ZAF korekcí a normalizací,  výsledek je pouze semikvantitativní). Software pro automatickou analýzu částic nám otevřel cestu k analýze několika tisíc částic na daném vzorku za čas, kterému nemůže manuální analýza konkurovat. Výstupem částicové analýzy jsou kvalitativní (z čeho částice je), semikvantitativní (kolik toho v ní přibližně je [hm. %] a morfologická informace (velikost a tvar “2D” částice) o všech analyzovaných částicích.

Za účelem roztřídění částic do tříd byla vytvořena klasifikační kritéria, díky kterým bylo možné částice na základě obsahu konkrétních prvků, popřípadě ve spojení s jejich tvarem zařadit. Pokud konkrétní částice nesplnila kritéria ani jedné ze tříd klasifikačního schématu, byla zařazena do třídy „Nezařazená”. V případě, že částice splnila klasifikační kritéria více než jedné třídy, byla přiřazena do více tříd. Z toho také plyne, že součet procentuálního zastoupení jednotlivých tříd z celku je v součtu vyšší než 100 %. Do třídy “Ohňostroje” byla zařazena částice v případě, že splnila jednu z podmínek:

• Ba > 10
• Sr > 10
• K + S > 40
• Mg > 20 a Al < 10
• Ti > 10
• K + Cl > 40
• Bi > 10

Obr. Procentuální zastoupení jednotlivých tříd. Ohňostroje 2., 6. a 13. 6., referenční vzorek (den bez ohňostroje) 7. 6.

Výsledky částicové analýzy ukázaly významný rozdíl ve složení částic vzorků odebraných během ohňostrojů a vzorku referenčním (mimoohňostrojovým). Zatímco vzorky odebrané během ohňostrojů obsahovaly vysoký podíl částic zařazených do kategorie “Ohňostroje”, vzorek referenční obsahoval těchto částic přibližně 1 %, většinu částic tvořily částice zařazené do kategorie “Smíšený hlinitokřemičitan”, tedy částice hornin a minerálů, které jsou jednou ze složek půdy.

Naše měření se zaměřilo pouze na látky s platným imisním limitem – plyny, suspendované částice a těžké kovy (neanalyzovali se organické polutanty, nehodnotil se obsah organického a elementárního uhlíku), imisní limity překročeny nebyly. Hořením pyrotechnických složí se však do ovzduší uvolňuje velké množství chemických látek, které mohou mít negativní účinky jak na člověka, tak na životní prostředí a kompletně zhodnotit vliv ohňostrojů na kvalitu ovzduší bude vyžadovat další a komplexnější analýzy.