Oddělení chemie a fyziky aerosolů

Skladování tepelné energie je významnou součástí technologií, které využívají obnovitelné energie, jejichž dodávky jsou nestabilní, přičemž přispívá ke snižování jejich energetických nároků a zvyšování jejich účinnosti. V rámci výzkumu Materiály pro skladování tepelné energie: termofyzikální charakterizace pro návrh akumulátorů tepla a ve Společné laboratoři skladování energie ÚCHP a Ústavu termomechaniky AV ČR se skupina TSM ve spolupráci s týmy z ÚT AV ČR a Fakulty jaderné fyziky a inženýrství ČVUT zabývá vlastnostmi látek s fázovou přeměnou a teplosměnných kapalin, které lze využít v akumulátorech tepla. Oblastí zájmu je jak experimentální stanovení termofyzikálních vlastností látek důležitých pro skladování energie, tak matematické modelování přenosu tepla a hmoty v porézních materiálech s termochemickou přeměnou.

Jednou z aktuálních výzkumných oblastí oddělení je problematika mokré depozice atmosférického aerosolu horizontálními hydrometeory (např. mlha, oblaka). V rámci výzkumu je využíváno experimentálních dat naměřených na stanici Milešovka, kde se tyto hydrometeory vyskytují po většinu roku (225 z 365 dní). Data sestávají z početních rozdělení velikosti aerosolu o velikostech od 10 nm do 20 μm, distribucí hydrometeorů o velikostech od 3 do 50 μm a velikostí a koncentrací kapek větších než 0,16 mm před, během a po působení hydrometeorů. Jsou zkoumány vlastnosti aerosolu bez vlivu hydrometeorů, i během jejich působení. Díky tomu bude možné popsat vliv těchto hydrometeorů na aerosol v závislosti na distribuci velikostí aerosolu, jeho původu, jeho zdrojích a také v závislosti na vlastnostech hydrometeorů.

Další oblast výzkumu OCHFA je soustředěna na identifikací zdrojů velikostně rozlišeného atmosférického aerosolu (AA) na základě dat hmotnostních koncentrací, chemického složení a početního rozdělení velikosti částic. Pro vysvětlení časových a prostorových změn kvality ovzduší je vhodná aplikace receptorových modelů využívajících dat chemických a fyzikálních charakteristik AA v místě měření, receptoru, v kombinaci s daty meteorologických a jiných vhodných ukazatelů. Receptorové modelování zdrojů AA metodou faktorové analýzy (FA) umožňuje odhadnout počet a složení zdrojů, stejně jako jejich podíl na receptoru. Řádná identifikace zdrojů AA je nezbytná pro kvalifikované rozhodování při řízení kvality ovzduší. V rámci výzkumu jsou identifikovány antropogenní zdroje AA s využitím online a offline měřicích metod a pokročilého receptorového modelování. Výsledky receptorového modelování umožňují zhodnotit dlouhodobý vývoj příspěvku jednotlivých zdrojů AA na kvalitu ovzduší dané lokality, a postihnout prostorovou variabilitu zdrojů AA většího územního celku a časovou variabilitu zdrojů AA na vybrané lokalitě.

Vědecká pracovnice RNDr. Naděžda Zíková Ph.D. obdržela v roce 2019 Prémii Otto Wichterleho, prestižní ocenění pro mladé vědce a vědkyně do 35 let z AV ČR. Na svůj projekt Studium mokré depozice atmosférického aerosolu s využitím horizontálních hydrometeorů získala finanční podporu v rámci juniorského projektu Grantové agentury ČR. http://pdf.avcr.cz/A/2019-03/#page=65

Zároveň je v současné době v OCHFA budována národní kalibrační laboratoř (pod záštitou projektu ACTRIS IMP, kde je OCHFA také hlavním příjemcem za ČR), která bude sloužit pro kalibraci přístrojů měřících mikrofyzikální vlastnosti aerosolových částic. V rámci kalibrační laboratoře provozované jako součást tematického centra pro pozemní měření aerosolových částic v rámci projektu ACTRIS budou poskytovány služby jak na národní úrovni, státním, akademickým a dalším institucím zabývajícím se kvalitou ovzduší a změnami klimatu, tak vědecké komunitě na celoevropské úrovni. Kalibrační laboratoř je velmi důležitou součástí tematického centra Aerosol in Situ v rámci budované evropské výzkumné infrastruktury ACTRIS ERIC a přispěje k prestižnímu postavení České republiky v rámci mezinárodní vědecké komunity daného oboru. Tato aktivita zároveň umožní monitorovacímu programu kvality ovzduší České republiky zůstat na špičkové úrovni v rámci evropské výzkumné infrastruktury pro měření atmosférických aerosolů a zároveň přispívat k dalšímu výzkumu na tomto poli.

OCHFA je jedním z partnerů projektu velké výzkumné infrastruktury ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure Network), která sdružuje přes 100 výzkumných organizací z 22 zemí Evropy. Partnerské stanice projektu poskytují svá data týkající se tří základních složek atmosféry (aerosolů, stopových plynů a oblaků). Data ze všech stanic jsou získávána standardizovanými postupy, což umožňuje jejich srovnávání. V současné době OCHFA v rámci projektu ACTRIS zajišťuje provoz městské pozaďové atmosférické stanice Suchdol a provádí standardizované měření atmosférických aerosolů na Národní atmosférické observatoři Košetice. Rozsáhlé naměřené soubory experimentálních údajů jsou zahrnovány do předpovědních meteorologických modelů a jsou zároveň podkladem pro modelování vlivu aerosolů na klimatické změny. Slouží také k ověřování dat získaných ze satelitních měření (projekt CAMS21a, kde je OCHFA partnerem za ČR, ve spolupráci s projektem COPERNICUS).

Iontové kapaliny na bázi sacharinátového aniontu byly vybrány pro svou nízkou toxicitu a pravděpodobný aplikační potenciál pro skladování energie. V sérii 1-alkyl-3-methylimidazolium sacharinát (alkyl=butyl, hexyl, oktyl, decyl a hexadecyl) byla proměřena tepelná kapacita v kapalné fázi a pro 1-hexadecyl-3-methylimidazolium sacharinát i teplota tání a tepelná kapacita v pevné fázi. Výsledky ukazují na vysokou energetickou hustotu iontových kapalin srovnatelnou s běžně využívaným termálním olejem Therminol VP-1 a na relativně vysoké teplo tání blízké 100 J/g pro 1-hexadecyl-3-methylimidazolium sacharinát. Při pokročilé analýze experimentálních dat byla využita matematická gnostika, která umožnila kritické zhodnocení naměřených výsledků. Studované látky doposud nebyly charakterizovány z hlediska jejich potenciálu ke skladování energie a představují zajímavou alternativu ke stávajícím materiálům využívaným k ukládání tepla. Výsledky ukazují, že by je bylo možné využít např. v tzv. tepelných akumulátorech jako teplosměnné kapaliny (nebo jejich aditiva) pro účinnější využití energií z obnovitelných zdrojů. Ionic Liquids as Thermal Energy Storage Materials: On the Importance of Reliable Data Analysis in Assessing Thermodynamic Data. Journal of Solution Chemistry 2019, 48(7), 949–961. https://doi.org/10.1007/s10953-018-0798-9 Phase transitions in higher-melting imidazolium-based ionic liquids: Experiments and advanced data analysis. Journal of Molecular Liquids 2019, 292, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111222 Ionic liquids based on saccharinate anion for energy storage: Heat capacity of 1-hexadecyl-3-methylimidazolium based ionic liquids in solid and liquid phase. Journal of Molecular Liquids, 305, 112847. https://doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2020.112847  

Vzhledem k tomu, že řádná identifikace zdrojů atmosférického aerosolu je nezbytná pro kvalifikované rozhodování při řízení kvality ovzduší, patří práce řešící tuto problematiku k cenným, přímo aplikovatelným výsledkům OCHFA. Konkrétně se jedná o studii Porovnání chemického složení a zdrojů PM2.5 na venkovské pozaďové stanici ve střední Evropě mezi lety 1993/1994/1995 a 2009/2010: Vliv legislativních opatření a ekonomické transformace na kvalitu ovzduší. V této práci jsou prezentována data chemického složení velikostní frakce aerosolu PM2.5 z první poloviny 90. let v porovnání s analogickými daty z konce první dekády milénia. Porovnání těchto dvou souborů dat je základem k hodnocení účinku legislativních opatření a ekonomické transformace na kvalitu ovzduší v České republice. Ukázalo se, že průmyslové zdroje regionálního původu spalující uhlí/olej/ropu/naftu v 90. letech byly nahrazeny lokálními topeništi spalujícími uhlí/biomasu. Klesající trend koncentrací prvků v PM2.5 a podíl zdrojů na PM2.5 v průběhu 15 let potvrdil pozitivní dopad legislativních regulací především u velkých a středních stacionárních zdrojů, je ale zároveň vedlejším produktem proběhlé ekonomické transformace v České republice. Comparison of PM2.5 chemical composition and sources at a rural background site in Central Europe between the years 1993/1994/1995 and 2009/2010. Environmental Pollution 2018, 241, 841-851. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.06.015

OCHFA od roku 2015 spolupracuje s Klinikou pracovního lékařství 1. LF UK a Technickou univerzitou v Liberci na monitoringu akutních a chronických efektů inhalace nanočástic u pracovníků výroby nanočástic. Za dosavadní monitorovací období bylo publikováno přes 10 impaktovaných prací popisujících vliv inhalovaných nanočástic oxidů kovů (např. TiO₂) a nejrůznějších kompozitních materiálů na záněty horních cest dýchacích, poškození metabolismu tuků, proteinů a nukleových kyselin. Z chronických studií vyplývá, že efekt těchto částic na lidský organismus je statisticky významný a v některých případech nevratný. Na všech těchto studiích se OCHFA podílí vývojem a aplikací metod stanovení skutečné expozice pracovníků aerosolovým částicím. Publikované výsledky našly širokou odezvu v mezinárodní vědecké obci. Deep Airway Inflammation and Respiratory Disorders in Nanocomposite Workers. Nanomaterials 2018, 8, 731. https://doi.org/10.3390/nano8090731