Na všechna Oddělení

Výzkumná skupina chemie a fyziky aerosolů

Výzkumná skupina chemie a fyziky aerosolů se zaměřuje na lepší pochopení chování atmosférických aerosolů. Zaměřujeme se především na velikostní distribuci částic, protože velikost částic je klíčovým parametrem. Dalším klíčovým tématem je chemické složení aerosolových částic. Například jak velikost částic, tak jejich chemické složení určují, zda částice budou sloužit jako kondenzační jádro oblaků, a tím mají nepřímý vliv na klima. Hygroskopičnost, která závisí jak na velikosti, tak na chemickém složení částic, ovlivňuje, ve které části dýchacích cest člověka se částice budou usazovat, přičemž chemické složení později určuje reakci organismu. Hygroskopičnost aerosolu a z ní vyplývající velikost částic ovlivňují viditelnost skrze aerosol. Kromě toho může chemické složení aerosolů založené na koncentracích markerů ve sloučeninách spolu s distribucí velikosti částic sloužit jako základ pro podrobné modelování rozdělení zdrojů/receptorů. Výzkumná skupina rovněž přispívá do konsorcia Evropské výzkumné infrastruktury ACTRIS ERIC, které poskytuje kalibrační laboratoř pro aerosolové spektrometry a čítače. Ve výzkumné skupině je studována profesní expozice aerosolovým (nano)částicím, protože bylo prokázáno, že vede ke zvýšeným hladinám specifických biomarkerů v tělních tekutinách pracovníků. Zároveň je studována interakce aerosolu a kulturního dědictví, včetně pokročilých technik restaurování knihovních a archivních sbírek pomocí aerosolové technologie.

Přístrojové vybavení

Materiály pro skladování tepelné energie

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.

Interakce aerosolů s oblaky

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.

Identifikace zdrojů atmosférického aerosolu pomocí receptorového modelování

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.

Další oblasti výzkumu:

  • Syntéza nanočástic a jejich vliv na zdraví
  • Nukleační jevy
  • Přenos tepla a hmoty v aerosolech
  • Měření termofyzikálních vlastností čistých látek a směsí (tepelná kapacita, hustota a rychlost zvuku kapalin)
  • Pokročilá analýza dat pomocí metod matematické gnostiky

Analýza izotopů v aerosolových částicích

Analýza izotopů v aerosolových částicích je moderní, ještě se rozvíjející metoda, která skýtá veliký potenciál pro určování zdrojů těchto částic, ale také pro studium procesů, které se v atmosféře odehrávají. Právě tomuto tématu se věnuje nedávná studie, kterou provedl výzkumný tým z Oddělení chemie a fyziky aerosolů ve spolupráci s týmem prof. Kawamury z Chubu Univerzity v Japonsku. Práci zabývající se systematickou sezónní studií izotopového složení stabilního uhlíku 13C v atmosférickém aerosolu nedávno otiskl prestižní časopis Science of the Total Environment.

Práce popisuje výzkum prováděný na vzorcích plynné fáze a jemného aerosolu (PM2.5), odebíraných  přímo v areálu Ústavu chemických procesů v Praze-Suchdole. Vzorky reprezentují městské pozadí s původním předpokladem, že zdroje aerosolových částic budou rozdílné pro jednotlivá roční období. A skutečně, různé izotopové složení δ13C zejména v zimě a létě potvrdilo rozdílné sezónní zdroje uhlíkatých aerosolů. V zimě se jedná o izotopové složení odpovídající spíše antropogenním zdrojům z vytápění, zatímco v létě se jednalo spíše o emise z biogenních zdrojů. Hlavním cílem studie ale bylo zjistit, zda budou rozdílné zdroje a tím i rozdílné chemické složení celkového aerosolu ovlivňovat distribuci izotopů uhlíku mezi plynnou a aerosolovou fází. Znalost rozdělení izotopů mezi těmito dvěma fázemi je totiž důležité pro detailnější studium procesů, které v atmosféře probíhají. Tato data mohou také posloužit jako vstupní parametry modelů, které se používají pro určování zdroje aerosolů. Detailní analýza však oproti předpokladům ukázala, že i přes rozdílné izotopové složení δ13C v různých ročních obdobích, jeho distribuce mezi plynnou a aerosolovou fází je prakticky neměnná. To ukazuje na fakt, že distribuce stabilních izotopů uhlíku v celkové sumě uhlíkatých aerosolů v atmosféře je hlavně fyzikální proces, na který detailní chemické složení aerosolu resp. plynné fáze nemá významný vliv. Celkově se ale i tak jedná o významné zjištění, které ve svém důsledku vedlo ke zjednodušení parametru pro vývoj izotopových modelů pro určování zdroje aerosolů.

  • Vodička P., Kawamura K., Schwarz J., Ždímal V., Seasonal changes in stable carbon isotopic composition in the bulk aerosol and gas phases at a suburban site in Prague, Sci. Total Environ. 803, 149767, 2022. DOI

Ocenění vědeckých pracovníků

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 Akademie věd ČR. Na svůj projekt Studium mokré depozice atmosférického aerosolu s využitím horizontálních hydrometeorů získala finanční podporu v rámci juniorského projektu Grantové agentury ČR.

Národní kalibrační laboratoř pro fyzikální vlastnosti aerosolů

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.

Velká výzkumná infrastruktura ACTRIS

Velká výzkumná infrastruktura ACTRISOactrisCHFA 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 pro skladování energie

Iontové kapaliny na bázi sacharinátového aniontu pro skladování energieIontové 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.

  • Bendová M., Čanji M., Wagner Z., Bogdanov M.G., Ionic Liquids as Thermal Energy Storage Materials: On the Importance of Reliable Data Analysis in Assessing Thermodynamic Data, J. Solution Chem. 48(7), 949–961, 2019. DOI
  • Čanji M., Bendová M., Bogdanov M.G., Wagner Z., Zdolšek N., Quirion F., Jandová V., Vrbka P., Phase transitions in higher-melting imidazolium-based ionic liquids: Experiments and advanced data analysis, J. Mol. Liq. 292, 1–8, 2019. DOI
  • Bendová M., Wagner Z., Bogdanov M.G., Čanji M., Zdolšek N., Ionic liquids based on saccharinate anion for energy storage: Heat capacity of 1-hexadecyl-3-methylimidazolium based ionic liquids in solid and liquid phase, J. Mol. Liq. 305, 112847, 2020. DOI

Hodnocení koncepčních nástrojů v ochraně ovzduší na základě identifikace zdrojů znečištění

Hodnocení koncepčních nástrojů v ochraně ovzduší na základě identifikace zdrojů znečištěníVzhledem 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.

  • Pokorná P., Schwarz J., Krejci K., Swietlicki E., Havránek V., Ždímal V., 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, Environ. Pollut. 241, 841-851, 2018. DOI

Provozní měření aerosolových nanočástic a stanovení expozice pracovníků

Provozní měření aerosolových nanočástic a stanovení expozice pracovníkůOCHFA 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.

  • Pelclova D., Zdimal V., Komarc M., Vlckova S., Fenclova Z., Ondracek J., Schwarz J., Kostejn M., Kacer P., Dvorackova S., Popov A., Klusackova P., Zakharov S., Bello D., Deep Airway Inflammation and Respiratory Disorders in Nanocomposite Workers, Nanomaterials 8, 731, 2018. DOI
Jméno a příjmení
E-mail
Telefon
Pozice
Vedoucí vědeckého oddělení, Vedoucí výzkumné skupiny, Vedoucí vědecký pracovník
Emeritní vědecký pracovník, Vedoucí vědecký pracovník
Odborný pracovník ve výzkumu
Odborný pracovník ve výzkumu
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.