V minulé části článku o nevýfukových emisích jsme se dotkli tématu emisí otěrů pneumatik. V této části se podíváme na emise z brzdového obložení, ale také kolejnic či trakčního vedení.
Proces brzdění automobilů (otěr brzdových destiček a kotouče) je významným zdrojem otěrových částic, přičemž množství uvolňovaných částic závisí především na jízdních podmínkách (rychlost, aplikovaný tlak) a také na složení frikčních materiálů. Frikční materiály (frikční kompozity) jsou látky používané pro brzdové obložení automobilů. Jejich úkolem je korigovat pohyb vozů s využitím tření (frikce). Pro svou chemickou pestrost (při jejich výrobě se používají stovky druhů surovin) jsou frikční materiály používané pro automobilový průmysl považovány za jedny z nejkomplikovanějších kompozitních materiálů, dá se totiž říci, že co frikční materiál, to originál. Roli například hraje druh brzd (kotoučové či bubnové), očekávaný styl jízdy (např. sportovní), ale především se jejich složení liší výrobce od výrobce (jedná se v podstatě o firemní tajemství).
Každá ze složek kompozitu plní určitou funkci, od modifikátoru tření (sem patří abraziva a lubrikanty), plniva, pojiva až po výztuže. Abraziva (např. α-Al2O3, ZrSiO4, SiC) zvyšují tření a mají tak vliv na kvalitu brzdění. Lubrikanty (např. PbS, Cu2S, MoS2, Sb2S3, grafit) naopak tření snižují. Plniva (např. BaSO4, CaCO3, MgCO3, CaO, MgO, Fe3O4, Fe2O3, jíly, fylosilikáty) zlepšují zpracovatelnost, chemickou a tvarovou stálost, a snižují výrobní náklady kompozitu. Pojiva (např. fenol-formaldehydové pryskyřice) udržují konstrukční integritu brzdového obložení. Výztuže (v minulosti se používal azbest, v současnosti různé druhy vláken- vermikulit, skleněná, keramická, kovová, uhlíková nebo organická) zaručují kompozitu vyšší mechanickou pevnost (Švábenská et al., 2022).
Jak už bylo řečeno, velikost, tvar a složení částic emitovaných při brždění závisí na podmínkách brždění. Uvádí se, že zhruba 50 % otěrových částic je menších než 20 μm a 40 % částic je emitovaných ve formě PM10 (Grigoratos et al., 2015). Otěrové částice jsou tvořené převážně kovy a jejich oxidy. Dominantním prvkem je železo a jeho oxidy, ale přítomné jsou i různé další prvky a sloučeniny, jako jsou např. měď nebo organická pojiva. Navíc složité fyzikálně-chemické interakce během brzdných procesů (kdy se dosahuje teplot v rozmezí 300-600 °C) nahrávají vzniku nových sloučenin s odlišnými vlastnostmi i složením. Současně dochází i k rozložení organické fáze pojidla, což může být katalyzováno přítomnými kovy a jejich oxidy. Takto vzniklé organické sloučeniny mohou být uvolňovány buď přímo do atmosféry a nebo mohou být adsorbovány na pevných částicích, které vznikají otěrem. Zvláště problematickou složkou se zdají být např. nanočástice cementitu, jejichž zdrojem bývá šedá litina brzdového disku. Takto drobné částice jsou zvláště nebezpečné při vdechnutí, kdy se mohou přes plicní sklípky dostat vzhledem ke své velikosti až do krevního oběhu.
Dalším významným zdrojem nevýfukových emisí obzvláště v městském prostředí je drážní doprava (tramvaje, metro, trolejbusy, vlaky). Kromě rozdílného vzniku se tyto emise liší také distribucí velikosti a chemickým složením uvolňovaných částic. Je známo, že se třením kol o kolejnice a třením tyčových sběračů o trolejové vedení uvolňují velmi jemné částice (desítky µm) bohaté na železo se stopami těžkých kovů (Mn, Cr, Cu, Sb, Ba a Zn). Jejich zákeřnost spočívá v jejich schopnosti katalyzovat tvorbu reaktivních forem kyslíku, což je pro lidské zdraví nežádoucí. Mnohé výzkumy se zaměřují např. na metro, kupříkladu Martins et al. (2016) hodnotili kvalitu vnitřního ovzduší v barcelonském metru, kde byly měřeny průměrné koncentrace PM2,5, které byly na nástupištích metra 1,4 až 5,4krát vyšší než venku. Podobné studie byly provedeny také v kabinách tramvají, aby se posoudilo vystavení pasažérů a řidičů suspendovaným částicím (PM). Např. Papp et al. (2020) porovnali koncentraci PM uvnitř tramvají s kvalitou vnějšího ovzduší na nedalekém místě v Debrecínu (Maďarsko). Výzkumníci zjistili, že hmotnostní koncentrace PM uvnitř vozidel byly 5–20krát vyšší než ve venkovním vzduchu, a to jak pro hrubé (aerodynamický průměr větší než 2,5 μm), tak pro jemné (aerodynamický průměr menší než 2,5 μm) frakce. Protože bylo zjištěno, že elementární složení částic je obohaceno o Cr, Zn, Cu, studie dospěla k závěru, že hlavními zdroji částic byly resuspendovaný prach, opotřebení kolejnice a abraze trolejového drátu.
A nakonec bude v krátkosti řeč o silničním prachu, resp. jeho resuspenzi. Nejčastěji se zde částice vyskytují v hrubších frakcích, tj. v jednotkách až stovkách µm. Častá bývá ve městech přítomnost křemene, alkalických živců, uhličitanů a jílových minerálů. Hojnost těchto prvků přirozeně souvisí s materiálem vozovky. Přítomnost těžkých kovů (např. Cu, Mo, Co, Zr, Ni, Sb, As, Nb, Zn a Cr) pak souvisí s vyšší dopravní kontaminací na daném místě. Chemické prvky související s dopravními zdroji (např. Br, Cl, Cr, Cu, P, Pb, S, Sn, W a Zn) bývají potom nalezeny převážně v nejjemnějších frakcích vzorků vozovek (desítky nanometrů).
Suspendované částice představují celosvětový problém kvality ovzduší (expozice člověka zejména jemné frakci koreluje s propuknutím alergie, ale i respiračních, kardiovaskulárních a dokonce cerebrovaskulárních onemocnění), zejména v městských oblastech. To je mimo jiné způsobeno právě hojným výskytem nevýfukových emisí, u kterých se v současnosti odhaduje, že přispívají až 90 % k celkovým emisím PM10 vozidel a až 85 % k emisím PM2,5 ze silničního provozu. Navzdory četným studiím v oblasti PM nevýfukových emisí je definice jejich limitů stále složitým problémem. Velmi totiž záleží např. na způsobu odběru vzorků a detekci, ale i na charakteru místních komunikací, dopravních a klimatických podmínkách. Výsledné rozložení velikosti a emisních faktorů pro resuspendovaný prach, brzdy, pneumatiky, silnice a železnice se rozkládají v širokém rozmezí. Je proto obtížné stanovit pro tyto částice nějaké univerzální emisní limity (Piscitello et al., 2021).
Literatura
Švábenská, E., & Roupcová, P. (2022). Skryté nebezpečí otěrových částic. Chemické listy, 116(4), 228-234.
Grigoratos, T., & Martini, G. (2015). Brake wear particle emissions: a review. Environmental Science and Pollution Research, 22(4), 2491-2504.
Martins, V., Moreno, T., Minguillón, M. C., Van Drooge, B. L., Reche, C., Amato, F., … & Querol, X. (2016). Origin of inorganic and organic components of PM2. 5 in subway stations of Barcelona, Spain. Environmental Pollution, 208, 125-136.
Papp, E., Nagy, D., Szoboszlai, Z., Angyal, A., Török, Z., Csepregi, Á., … & Kertesz, Z. (2020). Investigation of aerosol pollution inside trams in Debrecen, Hungary. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 477, 138-143.
Piscitello, A., Bianco, C., Casasso, A., & Sethi, R. (2021). Non-exhaust traffic emissions: Sources, characterization, and mitigation measures. Science of the Total Environment, 766, 144440.
Titulní foto: M93, Wikimedia
Martina Brenčič pracuje na ČHMÚ Brno jako vědecko-výzkumný pracovník specializující se na analýzu částic z ovzduší skenovacím elektronovým mikroskopem.
