Посудин укр.

Репродуктивний тест

1. Що є рушійною силою транспірації?

Конструктивні тести

1.Від чого залежить транспірація?

2.Які зрвнішні умови впливають на транспірацію?

3.Від чого залежить опір дифузійному потоку?

4.Знайти в літературі основні методи вимірювання транспірації.

5.В чому полягає різниця між дисперсією та дифузією?

Репродуктивні тести

1.Надати інформацію щодо зростання автомобільного транспорту у світі та в Україні.

2.Автомобіль як джерело забруднення навколишнього середовища.

3.Основні забруднювачі, що висилаються автомобільним транспортом, та їх вплив на здоров’я людини.

4.Шляхи забруднення навколишнього середовища автомобільним транспортом.

5.Методи спостереження за забрудненням навколишнього середовища автомобільним транспортом.

6.Засоби запобігання забруднення навколишнього середовища автомобільним транспортом.

Конструктивні тести

1.Які двигуни можна вважати альтернативними двигуну внутрішнього згоряння?

2.Які типи палива є менш небезпечними для навколишнього середовища?

3.Як би Ви модифікували автомобільний двигун, щоб зменшити рівень викидних газів?

243

20. ЧАСТИНКИ У НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ

20.1. Фізика частинок

Число Рейнольдса. Течія в’язкої рідини може бути ламінарною

(якщо шари рідини, що рухається, не перемішуються), або турбулентною ( при перемішуванні шарів).

Режим течії рідини характеризується числом Рейнольдса, що визначається за формулою:

де – в’язкість рідини; – густина рідини; D – діаметр трубки. Перехід від ламінарної течії до турбулентної визначається за допомогою

критичного числа Рейнольдса Reкр: якщо Re < Reк, течія ламінарна; при

Re > Reк течія турбулентна. Наприклад, для течії в´язкої нестисливої рідини в циліндричній трубі Reк = 2300. Ламінарний процес перенесення води у грунті характеризується значеннями Re 1.

Седиментація частинок. Розглянемо випадки, які залежать від співвідношення між радіусом частинки r, довжиною вільного пробігу

молекул газу та числом Рейнольдса Re.

1.r , але Re = 2r / 0,1 (тут – швидкість руху частинки, - кінематична в´язкість). На частинку масою m та об’ємом V і густи-

ною , занурену у газ масою m0 з густиною 0, діють гравітаційна (Fгр=mg=V g) та архімедова (F0=m0g=V 0g) сила, а також сила внутрішнього тертя (в’язкості), що визначається за законом Стокса (F = 6 r ), де коефіцієнт внутрішнього тертя (динамічна в´язкість).

Швидкість седиментації визначиться так:

244

2. r , але Re = 2r / 1. У даній ситуації домінує опір форми. Якщо розмістити певне тіло у повітряному потоці, то перенесення імпульсу відбудеться не лише завдяки силам тертя, що направлені паралельно поверхні шарів, та градієнту швидкості, що виникає при цьому, але через те, що у напрямку потоку виникає сила, яка називається опором форми. Ця сила, що обумовлена різними значеннями тиску з передньої та задньої сторони тіла при обтіканні його потоком, залежить від форми та орієнтації тіла. Якщо початковий імпульс тіла становить , а середня зміна швидкості /2, то швидкість, з якою потік зменшує свій імпульс, буде дорівнювати /2= 0,5 2, а сила опору визначається як

де ст – коефіцієнт опору; 0 – густина газу; – швидкість руху частинки; S – площа перерізу частинки.

У цьому разі баланс сил, що діють на частинку, розраховують за формулою:

Приклад

Визначити силу опору для спори патогенного гриба Helminthosporium maydis циліндричної форми, якщо діаметр циліндра становить d = 20 мкм, густина=1,2 кг/м3, коефіцієнт загального опору соп = 4, швидкість вітру = 10 м/с.

Розв´язання

Використовуємо рівняння ( 20.3 ):

Fоп = 0,5соп 2 S = 0,5 41,2 кг м-3 (10 м с-1)2(20 10-6 м)2/4 = 0,75 10-7 Н.

20.2. Аерозолі та біоаерозолі

Частинки – це окремі порції твердої, рідкої або газоподібної речовини, розміри яких перевищують 1 нм. Особливе місце серед час-

245

тинок займають аерозолі – дисперсні (колоїдні) системи, що складаються з частинок розмірами від 10-5 м до 10-7 м та газового середовища, в якому вони знаходяться у завислому стані. Основним джерелом біологічних аерозолів є рослини, які постачають в атмосферу спори і пилок. Останні поширюються завдяки повітряним потокам. До біоаерозолів належать також віруси, бактерії і частинки комах.

Типовими представниками біоаерозолів є бактерії Bacillus sp.,

Legionella pneumophila, Micropolyspora faeni, Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas spp., Staphylococcus spp., Streptococcus spp.;

гриби (в першу чергу, плісень та дріжджі) Histoplasma capsulatum, Alternaria spp., Penicillum spp., Aspergillus fumigatus, Stachybotrys atra, Fusarium spp., Cladosporium spp.; найпростіші Naegleria fowleri, Acanthamoeba sp.; водорості Chlorella, Chlorococcum, Schizothrix, Anabaena; кліщі Dermatophagoides farinae, D. Pteronysssinus, комахи Blatella germanica, Periplanetta Americana, Blatta orientalis; залишки шерсті (кішки, собаки, тхори, морські свинки, хом’яки, кролі, пацюки, миши), пилок та спори рослин берези Betuta, вільхи Alnus, сосни

Pinus, полину Artemisia, амброзії Ambrosia.

Галузь біології, яка вивчає органічні частинки, що пасивно переносяться у повітрі, називається аеробіологією. Ця наука тісно пов’язана з палінологією, мікологією, токсикологією, кліматологією, метеорологією, інженерією та контролем біологічного забруднення навколишнього середовища. Проблемам аеробіології з кожним роком приділяється все більша увага. Ще у 1974 році у Гаазі, Нідерланди, було засновано Міжнародну асоціацію аеробіології ІАА (International Association for Aeobiology). Нині ця Асоціація нараховує близько 800 членів, має свою Раду, журнали та кожні чотири роки збирає міжнародні конгреси.

Більшість розвинутих країн світу мають станції спостереження за поведінкою та тенденціями поширення небезпечних для здоров’я людини біоаерозолів. Крім того, аерозолі та біоаерозолі відіграють роль центрів конденсації і, отже, впливатимуть на процеси утворення хмар.

Вплив біоаерозолів на живі організми. Біоаерозолі здатні прово-

кувати захворювання та алергічні реакції людей, впливати на тварин і рослини, викликати захворювання через повітряні потоки. Відомо, що багато біоаерозолів здатні викликати подразнення респіраторного тракту, зокрема носоглотки, трахейної системи, легенів залежно від їх типу та розмірів.

246

Як приклад можна навести рис. 20.1, на якому представлена залежність долі атмосферних частинок різних розмірів, що осідають у респіраторному тракті людини.

Рис.20.1. Розподіл атмосферних частинок у

респіраторному тракті людини залежно від їх розмірів

Серед захворювань, що викликаються біоаерозолями, можна виділити бронхіальну астму алергічну хворобу, яка проявляється повторними нападами експіраторної (під час видихів) ядухи внаслідок порушення бронхіальної прохідності; алергічний риніт алергічну реакцію, що проявляється значним набряком слизової оболонки носа,

247

особливо в ділянці носових раковин; пневмонію групу запальних процесів у легенях з переважним ураженням їхніх респіраторних відділів. Ось чому проблема ідентифікації та кількісного оцінювання атмосферних аерозолів та біоаерозолів є актуальною.

Рис. 20.2. Зовнішній вигляд приладу для збору біоаерозолів

Прилад обладнаний флюгером, який дозволяє орієнтувати вхідне віконце проти напрямку вітру. Біоаерозолі надходять протягом доби на стрічку, покриту клейкою стрічкою. Ця стрічка обертається відносно вхідного віконця за допомогою електродвигуна з тим, щоб прослідкувати за рівнем аерозолів, що надходять протягом доби. Вся система установлюється на високому місці (наприклад, на даху будинку). Раз за добу стрічку знімають та аналізують на предмет кількісного та якісного вмісту біоаерозолів.

Реєстрація лазерного розсіювання на аерозолях дає можливість оцінити розміри та розподіл за розмірами аерозолів.

Процес розсіювання лазерного випромінювання залежить від розмірів аерозолів, відносного показника заломлення і довжини хвилі випромінювання. Аерозолям, розміри яких перевищують довжину хвилі лазерного випромінювання, притаманно розсіювання Мі, яке

248

супроводжується виникненням інтерференції світла та суттєвої зміни діаграми кутового розподілу розсіяного світла. Принцип реєстрації лазерного розсіювання на аерозолях полягає у пропусканні лазерного променя через потік аерозолів з подальшою реєстрацією інтенсивності розсіяного світла, яка залежить від розміру аерозолю, за допомогою фотоелектронного помножувача (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Реєстрація лазерного розсіювання на аерозолях

Метод лазерної дифрактометрії полягає в аналізі дифракційної картини, яку отримують внаслідок пропускання лазерного променя через аерозолі. Реєстрацію дифрагованого на аерозолях випромінювання здійснюють за допомогою системи фотодіодів, розташованих концентрично. Інтенсивність та характер дифракційної картини суттєво залежить від розмірів аерозолів.

Методи мікроскопії передбачають візуальне спостереження біоаерозолів за допомогою світлової мікроскопії, скануючої та аналітичної електронної мікроскопії, флуоресцентної світлової та скануючої мікроскопії. Перевагою методів є висока роздільна здатність, недоліком – довготривалість та трудомісткість процесу вимірювань.

Методи флуоресцентної спектроскопії використовують збу-

дження та реєстрацію первинної (за рахунок природних флуорофорів) або вторинну (за рахунок внесених флуорофорів) флуоресценцію біоаерозолів. Деякі мікроорганізми здатні демонструвати хемілюмінес-

249

ценцію або біолюмінесценцію. Перевагою методу є висока чутливість, недоліком – не всі біоаерозолі мають флуорофори (речовини, здатні флуоресціювати).

20.3. Наночастинки та ремедіація навколишнього середови-

ща

Протягом останніх років у науковій та популярній літературі, а також в Інтернеті можна знайти відомості щодо нанотехнології міждисциплінарної галузі фундаментальної та прикладної науки і техніки, яка має справу з сукупністю теортетичного обгрунтування, практичних методів дослідження, аналізу та синтезу, а також методів виробництва та застосування продуктів із заданою атомною структурою шляхом маніпулювання окремими атомами та молекулами. Префікс “нано” походить від грецького слова нанос (карлик), що означає 10-9 чого-небудь.

Річарду Фейнману, американському фізику-теоретику, належить перше згадування щодо методів, які пізніше назвуть нанотехнологією (1959). Він припустив, що можливо окремо, механічно переміщувати атоми за допомогою маніпулятора відповідних розмірів.

Японський вчений Норіо Танігуті вперше використав у 1974 році термін “нанотехнологія”, яким назвав виробництво виробів розмірами порядку нанометрів.

Об’єктами нанотехнології є наночастинки – дрібні тіла, що поводять себе як окремі одиниці з точки зору їх властивостей і транспортування, та розміри яких становлять 1 – 100 нм, а також наноматеріали, розроблені на основі наночастинок з унікальними характеристиками, обумовлених мікроскопічними розмірами їх складових.

Ремедіація навколишнього середовища – це процес виведення забруднювачів з навколишнього середовища, зокрема з грунту, підземних та поверхневих вод, та атмосфери з метою захисту здоров’я людини та довкілля.

Особливою рисою наночастинок є суттєво більше порівняно з макрочастинками відношення площї частинок S до їх об’єму V. Так, якщо для частинок S/V становить близько 103, то для наночастинок S/V досягає порядка 109. Це характеризує високу реактивну здатність наночастинок та їх більш високий контакт з забруднювачами.

Типовими представниками наночастинок, що застосовуються у ремедіаційних технологіях, варто відзначити наночастинки заліза нульової валентності (у тому числі емульсифіковані частинки), їх комбінації з благородними металами Pd, Ag, Cu, Co, Ni.

250

251

Наноматеріали знаходять все більше застосування як ефективні фільтри для очищювання питної води.

Втім, наночастинки слід розглядати також як забруднювачі навколишнього середовища, які через свої малі розміри характеризуються високою проникністю у людський огранізм

20.4. Смог

Одним із поширених видів забруднень атмосфери є фотохімічний смог – специфічний туман вологістю близько 70 %, який являє собою багатокомпонентну суміш газів та аерозолів. До складу смогу входять озон, оксиди азоту та сірки, органічні сполуки. Всі вони називаються фотооксидантами, оскільки беруть участь у фотохімічних реакціях розкладання забруднювачів сонячним випромінюванням. Смогу сприяє висока концентрація забруднювачів, інтенсивність сонячного випромінювання та слабкий повітряний обмін. Один із основних компонентів смогу – двоокис азоту –присутній в автомобільних вихлопах. Яскравим прикладом можливої ситуації, яка призводить до смогу, є розташування Лос-Анджелеса –міста, яке оточено горами, що заважають циркуляції повітря; інтенсивне використання автотранспорту створює ідеальні умови для виникнення смогу (приблизно 270 днів на рік).

Вплив смогу на здоров’я людини та довкілля. Смог впливає на здоров’я людини, оскільки є небезпечним для дихальної та кровоносної систем, викликає ядуху, подразнення слизових тканин. В 1952 р. смог, який тривав 4 дні, став причиною смерті 4000 мешканців Лондона. Максимальна концентрація SO2 тоді становила 1,34 млн-1 (3510 мкг/м3), що на порядок перевищує норми, передбачені стандартами якості повітря. Смог негативно впливає на рослини та пошкоджує сільськогосподарські угіддя.

20.5. Тютюновий дим

Звичку курити вперше запозичила в американських індіанців команда Христофора Колумба після відкриття ними Нового Світу у 1492 році. Місцеві аборигени вдихали дим спалених листків рослини Nicotiana tabacum. Після цього звичка курити почала тріумфально просуватися у країнах Європи та Азії.

Тютюн містить близько 4700 хімічних сполук, серед яких нікотин, дьоготь, поліциклічні ароматичні вуглеводи, вінілхлориди, феноли, кадмій.

Вплив тютюнового диму на здоров’я людини. Нікотин становить

0,6−3,0 % сухої ваги тютюну. Особливістю цього компонента є його

252