Čestičnu materiju atmosfere (Particulate Matter – PM) čine čvrste i tečne faze suspendovane u atmosferi, koje imaju dvojako poreklo: prirodno i antropogeno.
Glavni izvori čestica prirodnog porekla su:
- zemljišna prašina i morski aerosol;
- proizvodi gasovitih faza hemijskih reakcija u atmosferi (različite gas-čestica konverzije) sa prethodnim poreklom gasova iz sagorevanja ili bioloških aktivnosti;
- vulkanske erupcije, koje ubrizgavaju gasoviti sumpor u atmosferu sa kasnijim stvaranjem sulfatnih aerosola;
- čađ iz prirodnih požara i sl.
Čestice nastale iz prirodnih izvora su uglavnom morskog i kontinentalnog porekla. Morski aerosol je rezultat rasprskavanja mehurova na površini vode ili razbijanja talasa vetrom, kojom prilikom se nakon isparavanja vode iz kapljica u atmosferi stvaraju čestice soli koje čine morski aerosol. Kontinentalni aerosol udaljenih oblasti sačinjava prašina, polen, biljni vosak i sekundarni produkti oksidacije. Polarni aerosol u prostorima Arktika i Antarktika često sadrži polutante ugljenog materijala iz izvora emisije srednje geografske širine, sulfate, morske soli iz okolnih okeana i mineralnu prašinu iz suvih regiona odgovarajuće hemisfere. Pustinjski aerosol čini pridignuta prašina iz pustinjskih oblasti koji može da se prenosi na velike daljine, pa se tako pesak iz Saharskih oblasti severozapadne Afrike preko Atlantika prenosi do istočne obale SAD. Takođe, velike količine saharskog peska prenose se do oblasti Majamija, značajno smanjujući vidljivost u letnjim mesecima. Sličan prenos prašine je dokazan iz pustinjskih oblasti Azije preko Pacifika.
Značajan deo prirodnih krupnih čestica u vazduhu potiče od prašine pridignute sa površine tla pod uticajem vetra (resuspenzije). Prirodni aerosol je postojao oduvek i živi svet je na njega adaptiran, sa manjim smetnjama (uglavnom alergijske prirode) kod osetljivih vrsta i pojedinaca.
Antropogeni izvori atmosferskih čestica su brojni mehanički procesi kao što su mlevenje ili raspršivanje, razni procesi sagorevanja (sagorevanje uglja i nafte za proizvodnju električne energije i grejanje), tehnološke operacije za proizvodnju industrijske robe, sagorevanje otpada kao i čelične industrije i livnice koje emituju velike količine primarnih sitnih čestica u atmosferu.
Kvantifikacija atmosferskih čestica iz različitih izvora emisija zavisi od:
- kontaminacije fosilnih goriva i drugih sirovina i visok sadržaj pepela u ugljevima i otpadu;
- tehnologije industrijskog procesa i
- tipa i efikasnosti sistema uređaja za kontrolu emisija, odnosno prečišćavanje otpadnih gasova.
Naučna procena je da globalni antropogeni fluks aerosola doprinosi sa oko 60% od ukupnog opterećenja atmosfere česticama na godišnjem nivou.
Čestice nastale u procesima sagorevanja, kao na primer u motorima automobila sa unutrašnjim sagorevanjem, u termoenergetskim postrojenjima kod proizvodnje toplotne i električne energije, sagorevanje drveta i sl, su u opsegu veličina od nekoliko nanometara do 1 μm.
Urbani aerosol predstavlja smešu primarnih čestica emitovanih iz industrijskih izvora, čestica koje se prenose iz termoenergetskih postrojenja, iz motora sa unutrašnjim sagorevanjem, prirodnih izvora i sekundarnih materijala nastalih u mehanizmima gas-čestice konverzije. Zastupljeni su izvori ekstremno visokih koncentracija sitnih čestica. U ovim raspodelama najzastupljeniji je brojčani udeo čestica prečnika manjeg od 0,1 μm, dok se najveći udeo masa nalazi u česticama prečnika većim od 0,1 μm.
Atmosferske čestice apsorbuju, emituju i rasejavaju svetlost i predstavljaju pogodne površine za depoziciju hemijskih vrsta. Atmosferske čestice učestvuju u heterogenim transformacijama hemijskih jedinjenja u atmosferi, u kojima nastaju sekundarni proizvodi sa štetnim posledicama u životnoj sredini i posebno štetnim uticajima na ljudsko zdravlje.
Veličina čestica je jedan od najvažnijih parametara koji utiče na domet njihovog prenosa kroz atmosferu, atmosfersku depoziciju i migraciju kroz životnu sredinu, njihov efekat u životnoj sredini kao i na ljudsko zdravlje.
Veličine čestica i vreme zadržavanja u atmosferi uslovljeni su njihovim fizičko-hemijskim svojstvima. Čestice prašine nošene vetrom, čestice polena, industrijske čestice i morski aerosol su generalno veće od 1mm dok su čestice nastale u atmosferi fotohemijskim reakcijama uglavnom manje od 1 μm.
Postoje tri maksimalne obilnosti (moda) u raspodeli veličina čestica:
- nukleacioni mod, koji sačinjavaju čestice prečnika < 0,1 μm, odnosno manje od 100 nm, koje se stvaraju u procesima kondenzovanja toplih para ili čestice nastale gas-čestica konverzijom;
- akumulacioni mod, koji sačinjavaju čestice prečnika od 0,1 do 1,0 μm, nastale koagulacijom iz čestica nukleacionog moda ili kondenzacijom para;
- mod krupnih čestica, koji sačinjavaju čestice prečnika > 1 μm, nastale u različitim procesima mehaničkog usitnjavanja prirodnih i veštačkih materijala.
Čestice nukleacionog i akumulacionog moda čine takozvani mod finih čestica (PM1), čestice manje od 1 μm, dok su čestice veće od 1 mikrometra označene kao krupni mod (PM2.5, PM10 i TSP – Total Suspended Particles).
Fizičkohemijski procesi u akumulacionom i modu krupnih čestica atmosferskog aerosola, u prisustvu vlage, menjaju sastav i koncentracije ovih modova.
Čestice iz akumulacionog moda predstavljaju kondenzacione centre za stvaranje kišnih kapi i što je više čestica iz ovog moda u atmosferi to su padavine intenzivnije.
Hemijske reakcije u vodenoj fazi aerosola, u oblasti oblaka i tečnim kapljicama magle, odvijaju se u uslovima relativne vlažnosti približno 100%. Rezultat tih reakcija je nastajanje sulfata (SO42-), a nakon otparavanja vode oslobađaju se čestice u atmosferu. Ove transformacije su ključni procesi za stvaranje dva moda u opsegu 0,1 do 1 μm, i to manjeg moda koji se naziva kondenzacioni mod i većeg – kapljica mod.
Izvori emisija i hemijski sastav finih i čestica krupnog moda su različiti. Čestice krupnog moda nastaju u mehaničkim procesima (prirodnim i antropogenim) pa tako sadrže prašinu zemljišnog porekla, morsku so, leteći pepeo, čestice od ishabanih guma i kočionih sistema motornih vozila i sl. Nukleacioni i akumulacioni mod čestica atmosferskog aerosola sadrži primarne čestice iz izvora sagorevanja i sekundarne čestice (sulfate, nitrate, amonijum jon, sekundarna organska jedinjenja) nastale u hemijskim reakcijama kao rezultat gas-čestice interakcije.
Više od 40 elemenata u tragovima nađeno je u uzorcima atmosferskih čestica. Ti elementi potiču iz različitih izvora, uključujući sagorevanje uglja, nafte, drveta, peći za proizvodnju čelika, kotlova, topionica, čeličana, sagorevanja otpada, prašine i sl. U zavisnosti od porekla, elementi se mogu naći u bilo kojem finom ili modu krupnih čestica.
Čestice atmosferskog aerosola sadrže i elemente u tragovima opasne po zdravlje koji se nalaze u Zemljinoj kori, tlu i sedimentima. Ovi elementi se prvenstveno nalaze na površini čestica kao rezultat kondenzacije ili adsorpcije. Nisu zanemarljiva ni isparenja elemenata koji se javljaju u obliku gasa pa tako na primer 95% žive (Hg) u vazduhu se nalazi u parnoj fazi. I drugi elementi, kao sto su Arsen (As), Kadmijum (Cd) i Olovo (Pb), pronađeni su u parnoj fazi.
Elementi u gasovitoj fazi smatraju se opasnijim nego u čvrstoj. Veliki broj njih pripada grupi teških metala. Metali i metaloidi se nalaze u tragovima u svim zemljištima, mineralima i gorivima. Neki od njih su glavni sastojci ruda. S obzirom da imaju široku primenu u industriji, pojavljuju se kao industrijski otpad, a u procesima livenja i sagorevanja uglavnom se ispuštaju u atmosferu. Potencijalno se zna da od izvora emisije u procesima turbulentne difuzije, suve i mokre depozicije, preko migracije kroz zemljište i vode, učestvuju u kruženju kroz prirodu, čime se narušava prirodni odnos ovih elemenata u biosferi.
Sagorevanje ugljeva, lignita i mrkog uglja u termoelektranama i u industriji, komercijalna i sagorevanja u kućnim ložištima, su glavni izvori žive, molibdena i selena u česticama, i vrlo značajni izvori emisija As, Cr, Mn, Sb i Tl. Sagorevanje nafte je najvažniji izvor V i Ni i najviše doprinosi emisiji Sn. Obojena metalurgija je emiter Pb, As, Cd, Cu i Zn u česticama krupnog moda. Hrom i Mn su prvenstveno poreklom iz industrija gvožđa i čelika.
Procena je da se 90% metala od ukupnog sadržanih u nafti i uglju oslobodi u atmosferu.
U procesima gas-čestica konverzije, na postojećim česticama u prisustvu vodene pare i sunčeve svetlosti, dešavaju se transformacije hemijskih vrsta prisutnih u atmosferi, ali i različitih elemenata već sadržanih u česticama, koji čine katalizatore ili inhibitore mnogih reakcija.
Aerosoli sulfata nastaju kroz oksidaciju sumpordioksida (SO2) a brzina oksidacije SO2 jako zavisi od prisustva oksidanasa, Sunčeve svetlosti, katalize i istovremenog prisustva drugih polutanata.
Oksidacija azotovih oksida (NOx) a zatim konverzija do nitrita (NO3-) i azotne kiseline (HNO3), takođe je potvrđena, pa se nitratni jon NO3- može naći kao amonijum nitrat (NH4NO3, šalitra) a takođe i kao natrijum nitrat (NaNO3). Nitrati se mogu naći kako u finom tako i u modu krupnih čestica. Nitrati u finom modu su rezultat reakcije: azotna kiselina – amonijum jon (NH4+), pri čemu se formira amonijum nitrat dok je prisustvo nitrata u modu krupnih čestica posledica hemijske reakcije na površini krupnih čestica sa azotnom kiselinom.
Amonijak, kao alkalni gas, u atmosferi igra važnu ulogu kod neutralizacija kiselina, nastalih oksidacijama sumporovih i azotovih oksida. Kao rezultat neutralizacije, amonijum jon (NH4+) je glavna komponenta aerosola i nalazi se u obliku amonijum nitrata (NH4NO3), amonijum sulfata (NH4)2SO4, amonijum hlorida (NH4Cl) i dr.
Čestice, unešene u atmosferu iz primarnih izvora emisije (prirodnih i antropogenih) ili one koje se formiraju u njoj kroz gas-čestica konverzije, su predmet prenosa vazdušnim masama. Skala prenosa zavisi od efektivne visine izvora emisije, meteoroloških uslova i od fizičko-hemijskih karakteristika aerosola. Očigledno je da ti parametri utiču na rast čestica za vreme prenosa, prema tome i na efikasnost njihovog uklanjanja iz vazduha, suvom i mokrom depozicijom. Procesi rasta i starenja čestica se razlikuju u vlažnoj i suvoj atmosferi, i direktno utiču na vreme boravka čestica u njoj.
Poređenje karakteristika finog i čestica krupnog moda atmosferskog aerosola
Čestice finog
moda (PM1)Mod krupnih čestica
(PM2.5, PM10, TSP)
Način stvaranja
Hemijske reakcije
Nukleacija
Kondenzacija
Koagulacija
Oblak/magla procesi
Mehaničko drobljenje
Suspenzija prašine
Sastav
Sulfati
Nitrati
Amonijum jon
Vodonikov jon
Elementarni ugljenik
Organska jedinjenja
Voda
Toksični metali (As, Cd, Cu, Fe, Ni, Mn, Pb, V, Zn i dr.)
Resuspendovana prašina
Ugljeni i naftni leteći pepeo
Oksidi kristala (Si, Al, Fe) CaCO3, NaCl
Polen, spore
Biljni materijal, životinjski otpaci
Otpaci pohabanih guma
Rastvorljivost
Velika rastvorljivost,
higroskopnostUglavnom nerastvorni i
nehigroskopni
Izvori
Sagorevanje (ugalj, nafta, gas, dizel, drvo)
Konverzije gas-čestice NOx, SO3 i
isparljivih organskih jedinjenja
Topionice
IndustrijaResuspenzija industrijske prašine i zemljišta (obrada zemljišta, rudarstvo,
neasfaltirani putevi)
Biološki izvori
Izgradnja/rušenje
Okeanski sprej
Vreme života u atmosferi
Dan do više
nedeljaNekoliko minuta do
dan
Domet prenosa
Više stotina do više hiljada
kilometara< 10km do nekoliko
desetina kilometara
Dr Dragana Đorđević, naučni savetnik
Centar izuzetnih vrednosti za hemiju i inženjering životne sredine
Univerzitet u Beogradu,
Naučni institut – Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju
Institut od nacionalnog značaja