Rubrika: Uncategorized

Tlak vzduchu

Tlak vzduchu

V atmosféře jsou molekulární síly, které vedou k větší nebo menší soudržnosti pevných látek a kapalin, u plynů natolik malé, že částice plynu se mohou prakticky volně pohybovat. Plyny se rozšíří do každého dostupného prostoru a smíchají se s již přítomnými plyny. Objem plynu se převážně skládá z volného objemu a čistého objemu molekul plynu, přičemž ten druhý je výrazně menší než jejich volný objem. To má za následek, že všechny plyny a samozřejmě také vzduch, lze stlačit. Při atmosférickém tlaku a teplotě 0°C obsahuje 1 m^3 vzduchu přibližně 27 x 10^18 molekul, které neustále vstupují do srážek, přičemž se v každém případě mění směr pohybu a rychlost. V uzavřené nádobě s 27 x 10^18 molekulami je každý čtvereční milimetr vnitřního povrchu nádoby vystaven asi 3 x 10^21 molekulárním nárazům za sekundu. Celkový efekt těchto 3 x 10^21 nárazů na stěny se popisuje jako tlak vzduchu. Energie pohybu částice plynu je tedy závislá pouze na teplotě. Při -273°C je každá molekula plynu zcela bez pohybu.

Tlak vzduchu se měří pomocí barometru a je to aktuální hmotnost sloupce vzduchu nad povrchem země ve vztahu k hladině moře. Tlak na povrch země způsobený váhou vzduchu činí 1,033 kg/cm^2. Kdyby vzduch měl rovnoměrnou hustotu, odpovídalo by to výšce atmosféry, kde 1,293 představuje hustotu vzduchu v kg/m^3 při 0°C. Ve skutečnosti však tlak s výškou klesá.

Meteorologie používá pro označení tlaku termíny Torr. 1 Torr zde odpovídá 1 mm rtuťového sloupce. Toto označení bylo zavedeno na počest italského profesora Torricelliho.

Hodnota h ve vzorci je výsledek poměru hmotnosti vzduchu nad jednotkovou plochou (zde 1,033 kg na cm^2, což odpovídá 10 330 kg na m^2) a hustoty vzduchu při standardních podmínkách, což je 1,293 kg/m^3. Tento poměr nám dává výšku ekvivalentního sloupce vzduchu, který by vyvíjel stejný tlak, pokud by byl jeho objem homogenní a nebyl ovlivněn gravitačním gradientem.

Je důležité si uvědomit, že ve skutečnosti se hustota vzduchu s výškou mění v důsledku gravitačního zmenšení tlaku a teplotních gradientů v atmosféře. Proto je výpočet, který předpokládá konstantní hustotu, pouze aproximací a slouží primárně k výukovým účelům nebo jako jednoduchý referenční bod. V praxi používají inženýři pro přesný výpočet tlaku vzduchu v závislosti na výšce sofistikovanější rovnice, které zahrnují proměnnou hustotu a teplotu vzduchu, jako je například barometrická výšková rovnice.

V kontextu systémů stlačeného vzduchu je důležité pochopení, jak se tlak vzduchu chová při stlačení, neboť to má přímý dopad na výkon a efektivitu pneumatických systémů. Například, při návrhu pneumatického systému je klíčové určit potřebný pracovní tlak a zvolit kompresor, který dokáže vzduch stlačit na požadovanou hodnotu tlaku s dostatečnou rezervou výkonu, aby zajistil spoľahlivou a efektivní práci systému. Kromě toho, údržba filtrů, detekce úniků a správné nastavení regulačních ventilů jsou zásadní pro zachování optimálního pracovního tlaku a minimalizaci energetických ztrát v systému.

Olejový aerosol ve vzduchu

Olejový aerosol ve vzduchu

Uhlovodíky, konkrétně v podobě olejových aerosolů ve vzduchu, jsou významnou součástí organické chemie a mají klíčovou roli v mnoha průmyslových procesech. Uhlík, základní prvek všech organických sloučenin, má schopnost tvořit s dalšími atomy uhlíku řetězce libovolné délky. Uhlovodíky, tvořené prvky uhlíku a vodíku, představují rozsáhlou skupinu sloučenin, z nichž některé jsou v přírodě přítomny ve formě plynné, kapalné či pevné.

Jedním z nejjednodušších příkladů uhlovodíku je metan (CH4), kde jeden atom uhlíku je spojen se čtyřmi atomy vodíku, což je stav, kdy je uhlíkový atom nasycen. Tato vazba mezi atomy uhlíku a vodíku může být neomezeně rozšiřována podle obecného vzorce alkánů. První členové této řady jsou plynné látky, zatímco ty, které spadají do rozmezí C5 až C16, jsou kapaliny a vyšší členové jsou pevné látky. Nasycené uhlovodíky se primárně získávají z ropy a její zpracování v rafineriích, kde se destilací surová ropa frakcionuje na složky s různými bodi varu, od benzinu přes petrolej až po mazací oleje.

Používání těchto látek vede k jejich uvolňování do životního prostředí, což je zásadní nejen v případě silničního provozu, ale i v průmyslových aplikacích, jako je kovoobráběcí průmysl, kde se jako maziva a chladiva používají sloučeniny založené na uhlovodících. Vysoké teploty generované při obrábění kovů způsobují odpařování chladiva a uvolňování uhlovodíků do vzduchu, čímž vznikají koncentrace olejové mlhy v různých výrobních oblastech, které mohou během dne dosahovat různé a často vysoké úrovně. Průměrné hodnoty obsahu zavěšených částic ve dýchacím vzduchu, které jsou relevantní pro posouzení obsahu oleje, jsou výrazně nižší než typicky 100 μm/m^3 vzduchu.

Pokud jsou ve vzduchu přítomny olejové aerosoly, mohou být tyto aerosoly přenášeny i do stlačeného vzduchu vznikajícího z takového vzduchu. Je důležité, aby systémy pro přípravu stlačeného vzduchu zahrnovaly účinné filtrační a čisticí technologie pro odstranění těchto aerosolů a zajištění čistoty stlačeného vzduchu pro průmyslové aplikace. To zahrnuje použití filtrů pro odstranění oleje a jiných kontaminantů, aby se zabránilo poškození pneumatických systémů a zajištily optimální pracovní podmínky. Efektivní odstranění olejových aerosolů z vzduchu je klíčové pro udržení vysoké kvality stlačeného vzduchu, což je nezbytné pro mnoho průmyslových procesů, včetně těch, které se odehrávají v čistých prostorách, kde je vyžadována maximální možná čistota vzduchu.

Vlhkost ve vzduchu

Vlhkost ve vzduchu

Vlhkost ve vzduchu hraje klíčovou roli pro všechny formy života na Zemi. Povrchová voda z potoků, řek, jezer a moří se odpařuje a ve formě plynného skupenství se mísí se vzduchem. Tento proces odpařování zároveň umožňuje, aby se vlhkost ve vzduchu objevovala i ve formě jemně rozptýlených kapének různých velikostí, což vede k tvorbě hustšího či řidšího mlhy či oparu. Tyto vznášející se kapénky se formují jednak kondenzací par kapaliny, jednak mohou být vzdušným proudem unášeny z existujících akumulací kapaliny nebo odděleny od tekoucí kapaliny. Pokud se kapaliny vyskytují ve formě vznášejících se kapek, označují se jako kapalné aerosoly.

Velikost kapek je možné klasifikovat do několika kategorií:

  • Stříkající mlha s kapkami o velikosti 100 μm a více
  • Jemná stříkající mlha s kapkami od 10 μm
  • Mlha nebo opar s kapkami od 1 do 10 μm
  • Aerosoly s kapkami od 0,1 do 1 μm

Kapky menší než 1 μm se řadí mezi vznášející se látky, které mohou být neškodné nebo naopak nebezpečné, jako je kyselý opar nebo výpary benzínu, či mohou působit jako nepříjemnost, například tabákový kouř u některých nekuřáků, obsahující mikroskopicky jemné kapénky.

Atmosférický vzduch vždy obsahuje určité množství vlhkosti ve formě neviditelné, nenasycené vodní páry, která vyvíjí určitý tlak páry. Množství páry, které může 1 m^3 vzduchu obsahovat, je omezené a závisí výhradně na teplotě vzduchu. Při vyšších teplotách vzduchu může být nesené množství páry až do bodu nasycení relativně velké.

Každý kilogram vzduchu obsahuje určité množství vody v gramech. Tato hodnota x ve g/kg představuje absolutní vlhkost vzduchu nebo také stupeň vlhkosti a je výsledkem poměru množství vody, které bylo absorbováno, k hmotnosti suchého vzduchu. Vzduch s maximální koncentrací vodní páry je nasycen. Pokud vzduch obsahuje méně páry, je nenasycen a může dále absorbovat vodní páru až do bodu nasycení. Pokud vzduch obsahuje více vodní páry, než odpovídá stupni nasycení, nadbytečná pára se sráží ve formě vodního oparu.

Teplota, při které je množství vzduchu nasyceno vodní párou, se popisuje jako teplota nasycení nebo teplota rosného bodu.

Maximální množství vodní páry ve gramech, které může vzduch absorbovat, závisí výhradně na teplotě a objemu, nikoli však na tlaku. S rostoucí teplotou se objem zvětšuje, prostor mezi molekulami se rozšiřuje a vzduch může absorbovati více vodní páry. Pro usnadnění výpočtů s vlhkým vzduchem a zřetelné znázornění změn stavu slouží zjednodušené ix-diagramy, například diagram Mollier. Tento diagram představuje šikmý souřadnicový systém, kde jsou na ose x (abscise směřující dolů doprava) uvedeny hodnoty x spolu s entalpií (1+x) kg. Pro snazší čtení hodnot x je zde navíc horizontální pomocná osa. Křivka nasycení pro absolutní tlak 760 Torr (1 atmosféra) je zanesena, jelikož odděluje zónu nenasyceného vzduchu od přesyceného. Dále jsou vyznačeny čáry stejné relativní vlhkosti a stejné hustoty.

Rozšiřujíc je důležité zdůraznit, že správné pochopení dynamiky vlhkosti ve vzduchu je zásadní pro řadu aplikací, včetně klimatizace, sušení, chlazení a různých průmyslových procesů. Efektivní řízení vlhkosti ve vzduchu může významně přispět k optimalizaci těchto procesů, snížení energetické spotřeby a zlepšení celkové kvality vnitřního prostředí. Například, v průmyslových aplikacích, kde je potřeba udržet striktní kontrolu nad vlhkostí, je klíčové rozumět vztahu mezi teplotou, vlhkostí a jejich vlivem na materiály a produkty. V oblasti HVAC (vzduchotechnika a klimatizace) je důležité navrhovat systémy tak, aby byly schopné efektivně regulovat vlhkost a zajistit tak komfort a zdraví uživatelů.

Vztah mezi vlhkostí venkovního vzduchu, vlhkostí vzduchu v čistých prostorách (cleanrooms) a vlhkostí stlačeného vzduchu je klíčový pro správnou funkci a účinnost systémů v rámci různých průmyslových a výzkumných aplikací. Pochopení těchto vztahů je nezbytné pro návrh a údržbu systémů stlačeného vzduchu a zařízení pro čisté prostory, aby se zajistila požadovaná kvalita a čistota vzduchu.

Vlhkost venkovního vzduchu a vlhkost vzduchu v čistých prostorách

Venkovní vlhkost má přímý vliv na vlhkost vzduchu v čistých prostorách, protože venkovní vzduch je často vstupním bodem pro systémy vzduchotechniky, které zajišťují filtraci a klimatizaci vzduchu v těchto speciálních prostorách. Pro zachování optimálních podmínek v čistých prostorách je nezbytné kontrolovat a regulovat vlhkost na přísně definovaných úrovních, aby se zabránilo kontaminaci, zajištily optimální pracovní podmínky pro citlivé procesy a chránily materiály a zařízení před poškozením vlhkostí. Systémy klimatizace a odvlhčování hrají zásadní roli v regulaci vlhkosti vzduchu v čistých prostorách, přičemž tyto systémy musí být navrženy a nastaveny tak, aby zohledňovaly vlhkost přiváděného venkovního vzduchu.

Vlhkost stlačeného vzduchu

Vlhkost stlačeného vzduchu je dalším klíčovým faktorem, který musí být řízen, zejména v aplikacích vyžadujících čistý a suchý stlačený vzduch, jako jsou pneumatické systémy, procesy ve výrobě elektroniky, farmaceutickém průmyslu a v laboratořích. Stlačení vzduchu zvyšuje jeho vlhkost tím, že koncentruje vodní páru obsaženou ve vzduchu, což může vést k kondenzaci a tím k potenciálnímu riziku kontaminace nebo poškození zařízení. Proto je nutné stlačený vzduch odvlhčit pomocí odvlhčovačů vzduchu, které odstraňují nadbytečnou vlhkost a zajišťují, že stlačený vzduch splňuje přísné specifikace pro suhost.

Vzájemná souvislost

Vzájemná souvislost mezi těmito třemi aspekty vlhkosti (venkovní vzduch, vzduch v čistých prostorách a stlačený vzduch) je základem pro návrh efektivních systémů kontroly klimatu a stlačeného vzduchu. Při návrhu těchto systémů je třeba pečlivě zvážit vstupní parametry venkovního vzduchu, očekávané podmínky v čistých prostorách a požadavky na kvalitu stlačeného vzduchu. To zahrnuje výběr vhodných technologií pro odvlhčování, filtraci a kontrolu teploty, stejně jako pravidelnou údržbu a monitorování těchto systémů, aby se zajistilo, že i při kolísání venkovních podmínek zůstávají vnitřní podmínky stabilní a v souladu s požadavky.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat výběru a údržbě odvlhčovačů a sušičů stlačeného vzduchu, protože tyto komponenty hrají klíčovou roli v zajištění kvality a suhosti stlačeného vzduchu, což je nezbytné pro řadu průmyslových procesů. Integrace systémů řízení vlhkosti do celkového návrhu systému může významně přispět k efektivnosti, spolehlivosti a bezpečnosti provozu v čistých prostorách a při použití stlačeného vzduchu.

Čistota vzduchu

Čistota vzduchu

Částice prachu ve vzduchu představují pevné látky různého druhu, tvaru, struktury a hustoty, které mohou být klasifikovány podle velikosti částic. V pohybujícím se vzduchu prach nepodléhá zákonům gravitace, ale při zastavení vzduchu se usazuje pomalu.

Saze jsou shluky uhlíkového prachu vznikající z neúplného spalování a mají korozi způsobující účinek, s velikostí částic 2 – 6 mikronů.

Aerosoly jsou pevné nebo kapalné látky velmi jemně rozptýlené v plynu, s velikostí částic 0,01 – 0,1 mikronu. Smog, vznikající akumulací velmi jemných částic ve vzduchu, může nakonec vést k špatné viditelnosti.

Mlha se tvoří z jemně rozptýlených kapek vody ve vzduchu, s velikostí částic 1 – 50 mikronů.

To jsou pouze nejvýznamnější typy pevných částic ve vzduchu. Prach se skládá z organických složek, jako jsou semena, pyl, textilní vlákna nebo dokonce mouka, stejně jako z anorganických materiálů, jako je písek, saze, popel, křída a prach z kamenů.

Prach se vytváří přirozeným způsobem prostřednictvím zvětrávání a rozkladu, hnití a požárů, nebo prostřednictvím každodenních lidských aktivit. Zvláště také prostřednictvím silničního a železničního provozu nebo z průmyslových činností v cementárnách nebo chemickém průmyslu a také důlní činností, abychom jmenovali alespoň několik příkladů.

Koncentrace prachu ve vzduchu značně závisí na povětrnostních podmínkách, jako je vítr a déšť, stejně jako na denní době a ročním období a samozřejmě se liší od regionu k regionu.

Při zkoumání vertikálního rozložení prachu bylo zjištěno, že v oblastech s vysokou koncentrací je první vrstva prachu asi 3 – 4 m nad povrchem země ve formě dopravního prachu, s druhou vrstvou nad ní obsahující především topný prach. Kromě mírného omezení dýchání běžně obsažený prach ve vzduchu zdraví neškodí, protože sliznice v dýchacích cestách mají filtrační účinek.

Nicméně prach z výrobních oblastí může být škodlivý nebo nebezpečný (například silikóza) pro živé organismy a vyžaduje cílené, účinné snížení zatížení prachem, aby se udržely životaschopné životní podmínky. Nebezpečný prach narušuje dýchání, způsobuje alergické reakce, ztěžuje sluneční svit a ve spojení s vlhkostí a v průběhu času poškozuje cenné budovy rozkladem.

Kvalita vzduchu je ovlivněna místem, klimatem a ročním obdobím a atmosférický vzduch může obsahovat nečistoty v různé míře. Mezi nejvýznamnější plynné nečistoty patří:

Ozon O3, který se tvoří z kyslíku vzduchu pod vlivem elektrického výboje nebo během odpařování. Ozon má specifický zápach a ve vysokých koncentracích je jedovatý. V atmosféře se vyskytuje v koncentracích přibližně 0,02 – 0,1 mg/m³.

Oxid uhelnatý CO, velmi jedovatý, bez zápachu, který poškozuje červené krvinky a vzniká neúplným spalováním. Je obsažen v plynů z paliv a také v tabákovém kouři. Ve městských a průmyslových oblastech dosahuje průměrná koncentrace CO asi 40 – 500 mg/m³.

Oxid siřičitý SO2 vzniká spalováním uhlí a topného oleje a má negativní vliv na všechny formy života, pokud je přítomen ve vyšších koncentracích. Jeho podíl ve vzduchu se pohybuje mezi 0,1 – 5 mg/m³.

Amoniak NH3, plyn s pronikavým zápachem, který se uvolňuje při spalování uhlí a rozkladu organických látek. V atmosféře se amoniak vyskytuje v koncentracích přibližně 0,02 – 0,05 mg/m³.

Na rozdíl od průmyslových oblastí, kde se ve vzduchu nacházejí značné koncentrace plynných nečistot, obytné oblasti obvykle obsahují méně těchto nečistot, pokud se nejedná o oblasti s intenzivním vytápěním nebo v blízkosti zdrojů bitumenových plynů.

Kvalita vzduchu má přímý vliv na kvalitu stlačeného vzduchu, který je vyráběn ze vzduchu čerpaného z venkovního prostředí. To je obzvláště důležité v případě čistých prostorů, kde je čerstvý vzduch přiváděn zvenčí. Jakékoli nečistoty, prach, mikroorganismy nebo chemické látky obsažené ve vnějším vzduchu mohou být přivedeny do systému stlačeného vzduchu a následně do čistých prostor, což může způsobit kontaminaci a ohrozit celkovou čistotu a sterilitu prostředí, která jsou nezbytná například v farmaceutickém průmyslu, při výrobě polovodičů, ve výzkumných laboratořích a v dalších aplikacích vyžadujících vysokou úroveň čistoty. Proto je nezbytné, aby systémy vzduchotechniky a stlačeného vzduchu byly vybaveny efektivními filtračními a čistícími systémy schopnými odstranit veškeré potenciální kontaminanty a zajistit tak nejvyšší možnou kvalitu stlačeného vzduchu pro specifické použití.

V posledních letech se stále více pozornosti věnuje problematice znečištění ovzduší, které má vážné důsledky nejen pro životní prostředí, ale také pro lidské zdraví. Když se mluví o znečišťujících látkách, často se myslí na tradiční kontaminanty, jako jsou prach, oxidy dusíku a síry, nebo jemné částice PM2.5. Avšak uhlovodíky, zejména ve formě olejové mlhy, představují další, méně známou, avšak neméně důležitou hrozbu pro kvalitu ovzduší.

Olejová mlha jako zdroj znečištění

Olejová mlha vzniká při různých průmyslových procesech, kde se používají maziva a chladiva, například v kovoobráběcím průmyslu. Při vysokých teplotách dochází k odpařování těchto látek, čímž se do ovzduší uvolňují drobné kapky oleje, které tvoří olejovou mlhu. Tato mlha nejenže zhoršuje kvalitu vzduchu v pracovních prostorách, ale může unikat i do venkovního prostředí, kde přispívá k celkovému znečištění ovzduší.

Dopady na zdraví a životní prostředí

Inhalace vzduchu kontaminovaného olejovou mlhou může mít vážné zdravotní důsledky. Dlouhodobá expozice může vést k respiračním problémům, dermatologickým onemocněním a dalším zdravotním komplikacím. Kromě toho olejové kapky usazující se na rostlinách a půdě mohou negativně ovlivnit lokální ekosystémy a snižovat kvalitu životního prostředí.

Strategie snižování emisí

Pro snížení emisí olejové mlhy je klíčové zavádění efektivních filtračních a ventilačních systémů v průmyslových podnicích. Moderní filtrační technologie jsou schopné zachytávat velké množství olejových aerosolů přímo u zdroje, čímž se výrazně snižuje množství kontaminantů uvolňovaných do ovzduší. Dalším krokem může být přechod na méně škodlivá maziva a chladiva, která generují méně emisí při použití.

Závěr

I když se znečištění ovzduší uhlovodíky ve formě olejové mlhy může zdát být pouze malou částí širší problematiky znečištění ovzduší, jeho dopady na zdraví a životní prostředí ukazují na nutnost tomuto tématu věnovat zvýšenou pozornost. Efektivní regulace, technologický pokrok ve filtračních systémech a osvěta v průmyslových odvětvích jsou klíčové pro zlepšení kvality ovzduší a ochranu veřejného zdraví.

Argon (Ar)

Argon (Ar)

Argon (z řeckého slova argos, což znamená nečinný) je monoatomický, nulový, chemický prvek patřící do skupiny vzácných plynů. Známé nejsou žádné skutečné sloučeniny argonu, což odráží jeho chemickou inertnost. Argon je těžší než vzduch a může mít udušující účinek. Tento plyn je bezbarvý, bez zápachu a netoxický. V uzavřených prostorách může vytlačit dýchací vzduch, přičemž nejsou patrné žádné varovné symptomy.

Díky své nízké tepelné vodivosti a chemické inertnosti se argon používá ve směsi s 10–20 % dusíku pro naplnění žárovek a, ve směsi s dalšími vzácnými plyny, pro naplnění výbojových trubic k dosažení určitých barevných efektů. Argon se také využívá jako ochranný plyn při elektrickém svařování oceli.

Argon nachází uplatnění v řadě průmyslových aplikací především díky své inertnosti. Kromě již zmíněných použití se argon využívá i v metalurgii pro atmosférickou ochranu při tavení kovů, aby se zabránilo jejich oxidaci. Ve vědeckém výzkumu a laboratorních aplikacích se argon používá jako inertní atmosféra pro různé chemické reakce nebo jako chladicí médium díky svým vynikajícím izolačním vlastnostem.

Ve speciálních aplikacích, jako je výroba polovodičů a výroba křemíkových čipů, se argon používá k vytvoření čistého, inertního prostředí, které minimalizuje kontaminaci a umožňuje vysokou kvalitu výrobních procesů. Argon se také využívá v medicíně, například při některých formách kryochirurgie, kde se jeho chladicí účinky používají k destrukci patologických tkání.

Význam argonu v průmyslu a výzkumu neustále roste, a to díky jeho jedinečným vlastnostem, které umožňují jeho široké využití v technologiích s nízkým dopadem na životní prostředí a ve vyspělých vědeckých experimentech. Jako vzácný plyn se argon získává frakční destilací kapalného vzduchu, což je proces, který umožňuje jeho izolaci v čisté formě pro komerční využití.

Vodík (H2)

Vodík (H2)

Vodík (H2) je bezbarvý, hořlavý, netoxický, bez zápachu a mnohem lehčí než vzduch. Ve spojení s chlórem nebo kyslíkem tvoří vodík vysoce detonující a výbušné směsi. Hoří téměř neviditelným světle modrým plamenem a vytváří vodní páru. Při unikání s vysokou rychlostí hrozí nebezpečí samovznícení.

Vodík má mimořádný biologický význam. Většina energie vyvinuté svaly organismů je odvozena od postupné oxidace vodíku vázaného na uhlíkové řetězce, což představuje asi 10 % celkové tělesné hmotnosti v lidském organismu. Vodík se získává katalytickým parním krakováním minerálního plynu a jako vedlejší produkt petrochemických procesů v rafinériích a koksovnách. Vodík se obchoduje v červených ocelových lahvích pod tlakem 200 barů.

Například v Německu se ročně spotřebuje přibližně 19,1 miliardy m^3 vodíku. Z toho 33,5 % se používá jako chemická surovina pro amoniak, stejně jako methanol a v metalurgii, 47,5 % se používá jako palivový plyn pro průmyslové procesy a 19,0 % v petrochemickém průmyslu pro syntetická paliva. Celosvětová spotřeba vodíku dosahuje přibližně 500 000 milionů m^3 ročně.

V současnosti se vodík stává středem zájmu jako potenciální čisté palivo budoucnosti, především v kontextu dekarbonizace energetiky a dopravy. Vodík může hrát klíčovou roli v energetickém systému jako zdroj energie pro palivové články, které jej přeměňují na elektrickou energii s vodou jako jediným vedlejším produktem, což představuje čistou a udržitelnou alternativu k fosilním palivům.

Významná je také výroba zeleného vodíku elektrolýzou vody s využitím elektrické energie z obnovitelných zdrojů, jako jsou solární a větrné elektrárny. Tento přístup nejenže minimalizuje ekologickou stopu výroby vodíku, ale také poskytuje řešení pro ukládání přebytečné elektrické energie a její využití v době, kdy je výroba z obnovitelných zdrojů nízká.

Vzhledem k vysoké energetické hodnotě a schopnosti snižovat emise skleníkových plynů je vodík považován za klíčový prvek v přechodu k nízkouhlíkové ekonomice. Jeho aplikace se rozšiřují od průmyslových procesů, přes energetiku až po dopravu, kde se vodíkové palivové články používají v osobních a nákladních vozidlech, vlacích a dokonce i v letadlech. Nicméně, výzvy spojené s účinným skladováním, přepravou a distribucí vodíku vyžadují další vývoj technologií a infrastruktury.

Dioxid uhličitý (CO2)

Dioxid uhličitý (CO2)

Dioxid uhličitý (CO2) je bezbarvý plyn, který nehoří, má slabě kyselý zápach, působí udušením a je těžší než vzduch. Při uvolnění pod teplotu sublimace dochází k vytvoření suchého ledu v důsledku ochlazení. Dioxid uhličitý není v běžně přijímaném smyslu jedovatý (limit pro expozici na pracovišti je 9000 mg/m^3). Při koncentraci dioxidu uhličitého 3 % člověk inhaluje 6,5 litru za minutu. V lidském těle cirkuluje relativně velké množství dioxidu uhličitého, přičemž se vydechuje více než 700 g (více než 350 L). Však ve větším množství může mít dioxid uhličitý udušující účinek tím, že vytěsňuje kyslík.

Mnoho průmyslových procesů vede k tvorbě velkých množství dioxidu uhličitého. Nachází se také ve spalinách paliv, při hašení vápna, v fermentačních sklepích pivovarů a ve spalovacích plynech z generátorů plynů.

Dioxid uhličitý se používá v nápojovém průmyslu a chladicích systémech, v zařízeních pro hašení požárů, jako inertní plyn v chemických procesech, pro výrobu hnojiv, stejně jako pro výrobu sody. Jeho využití je rozmanité a zahrnuje například i použití v potravinářství, kde se využívá pro karbonizaci nápojů a jako balicí plyn, který prodlužuje trvanlivost potravin tím, že inhibuje růst bakterií a plísní.

Z hlediska environmentálního dopadu je důležité zmínit, že dioxid uhličitý je skleníkový plyn, jehož zvýšená koncentrace v atmosféře přispívá k globálnímu oteplování. Proto je snaha o snižování emisí CO2 z průmyslových procesů a spalování fosilních paliv jednou z klíčových výzev současného environmentálního výzkumu a politiky.

V oblasti technologií zachycování a ukládání uhlíku (CCS) se vyvíjejí metody, jak efektivně odstranit CO2 ze spalin průmyslových zdrojů a bezpečně jej skladovat v geologických formacích, aby se zabránilo jeho unikání do atmosféry. Další směr výzkumu se týká využití CO2 jako suroviny pro syntézu užitečných chemikálií nebo jako zdroje pro fotosyntézu v umělých fotosyntetických systémech, což by mohlo představovat udržitelnou alternativu pro snižování emisí CO2 a výrobu obnovitelné energie a surovin.

Kyslík (O2)

Kyslík (O2)

Kyslík (O2) je bezbarvý plyn, který podporuje hoření a je bez zápachu. Jeho molekulární forma je mimořádně reaktivní a tvoří sloučeniny téměř se všemi prvky, což ho činí biologicky nesmírně důležitým. Kyslík je zásadní živinou a nezbytný pro udržení života většiny organismů. Pouze několik druhů bakterií (anaeroby) dokáže žít zcela bez přítomnosti kyslíku.

Dospělý člověk denně spotřebuje přibližně 900 gramů kyslíku přímo ze vzduchu, k tomu je třeba přijmout dalších 225 gramů kyslíku ve formě chemických sloučenin z potravy. Lidská plíce jsou schopna využívat směsi s nízkým obsahem kyslíku, okolo 8-9 %, ale dýchání plynů s obsahem kyslíku pouze 7 % po nějakou dobu způsobuje ztrátu vědomí a ještě nižší koncentrace vede k nevyhnutelnému udušení.

V průmyslu se kyslík převážně vyrábí frakční destilací a kondenzací kapalného vzduchu a je distribuován v modrých ocelových lahvích pod tlakem 200 barů. Často se využívá místo vzduchu pro procesy spalování a oxidace, stejně jako v metalurgii a zpracování kovů, autogenním svařování a řezání. Kyslík se také používá ve výrobě síry a kyseliny sírové v chemickém průmyslu.

Je důležité zdůraznit, že kyslík hraje klíčovou roli nejen v průmyslových procesech, ale i v medicíně, kde se používá k podpoře dýchání u pacientů s respiračními potížemi nebo během anestezie. Kyslíkové terapie jsou zásadní pro zajištění dostatečného zásobení tkání kyslíkem, což je nezbytné pro rychlou regeneraci a léčbu.

Dalším významným aspektem využití kyslíku je jeho použití v ošetřování vod a čištění odpadních vod, kde je dodáván do vodních systémů k podpoře aerobních mikroorganismů při rozkladu organických látek. Tímto způsobem se zvyšuje kvalita vody a snižuje se znečištění.

V oblasti bezpečnosti je zásadní zacházet s kyslíkem opatrně, jelikož jeho vysoká reaktivita může v kombinaci s hořlavými materiály vést k rychlému a intenzivnímu hoření nebo dokonce k výbuchům. Proto je důležité dodržovat bezpečnostní předpisy při manipulaci, skladování a používání kyslíkových lahví, zajištění správné ventilace a používání vhodných materiálů odolných vůči kyslíku.

Dusík (N2)

Dusík (N2)

Dusík (N2) je plyn, který se vyznačuje řadou jedinečných vlastností – je inertní, bezbarvý, nehořlavý, netoxický, bez zápachu a může působit udušením. Ve svém základním stavu tvoří dusík velmi stabilní dvouatomové molekuly. Díky své téměř inertní povaze slouží dusík jako vynikající ředidlo kyslíku a je často využíván k diluci hořlavých plynů nebo jako ochranný a inertní plyn. Riziko udušení v důsledku vysokého obsahu dusíku ve směsi plynů je způsobeno nedostatkem kyslíku, nikoli však toxickým účinkem dusíku samotného. Tento plyn je rovněž nezbytným živinou pro živé organismy, tvoří přibližně 3 % tělesné hmotnosti člověka.

Technická výroba dusíku probíhá rozkladem vzduchu, konkrétně frakční destilací kapalného vzduchu, a na trh se dostává v zelených ocelových lahvích pod tlakem přibližně 200 barů. Jeho technický význam dusík získává především díky své inertnosti, která jej činí ideálním pro použití jako ochranný plyn, hnací plyn pro spreje nebo pro ředění snadno hořlavých plynů. Přibližně 85 % vyrobeného dusíku je využíváno v průmyslu hnojiv, kde hraje klíčovou roli jako zdroj dusíku pro rostliny.

Z technologického hlediska je důležité zdůraznit, že proces frakční destilace kapalného vzduchu, kterým se dusík získává, je vysoce energeticky náročný. Proto se v průmyslu neustále hledají způsoby, jak tento proces zefektivnit, například zlepšením izolace destilačních kolon nebo využíváním pokročilých materiálů pro výměníky tepla. Dalším důležitým aspektem využití dusíku je jeho role v procesech modifikace atmosféry pro balení potravin, kde pomáhá prodloužit trvanlivost potravin tím, že vytváří prostředí bez kyslíku a tím zpomaluje oxidaci a růst mikroorganismů.

V oblasti bezpečnosti práce je rovněž nezbytné zdůraznit potřebu adekvátní ventilace a detekce kyslíku v prostorách, kde se s dusíkem manipuluje, aby se předešlo riziku udušení z důvodu vytlačení kyslíku dusíkem. Monitoring koncentrace kyslíku a dusíku ve vzduchu je zásadní pro zajištění bezpečnosti pracovníků.

Takto dusík nachází své využití v široké škále průmyslových aplikací, od chemického průmyslu přes potravinářství až po elektroniku a farmaceutický průmysl, kde je využíván v čistých prostorách pro vytvoření atmosféry bez přítomnosti kontaminujících částic.

Složení vzduchu

Složení vzduchu

Atmosférický vzduch je fascinující směsí plynů, které jsou základem života na Zemi. Přestože je složení vzduchu na povrchu relativně stabilní, ve vyšších vrstvách atmosféry začínají dominovat lehčí plyny. Vzduch není pouze směsí rozmanitých plynů, ale obsahuje také kapalné a pevné složky. Z chemického hlediska je vzduch dynamická směs, kde převažují dusík, kyslík, argon a oxid uhličitý.

Složení vzduchu:

PlynyObjemový podíl (%)Hmotnostní podíl (%)
Dusík78,375,47
Kyslík20,9923,2
Oxid uhličitý0,030,046
Vodík0,010,001
Argon0,9331,286
Helium0,00050,0007
Neon0,00180,0012
Krypton0,00010,0003
Xenon0,000010,00004

V rámci geochemie je životní prostor Země definován jako celek, který zahrnuje atmosféru, hydrosféru a svrchní část zemské kůry. V tomto systému probíhá uzavřený cyklus prvků, které tvoří atmosféru. Dusík je jedním z hojně rozšířených prvků, tvoří asi 78,1 % objemu atmosféry. Menší množství dusíku se nachází také ve vyvěrajících pramenech a v plynových výskytů v horninách.

Kyslík je základním prvkem naší biosféry a v zemské kůře tvoří odhadem 49,5 % hmotnosti. Více než 90 % objemu zkamenělých hornin zaujímá kyslík. Nicméně, protože se kyslík vyskytuje pouze v zemské kůře, jeho podíl na celkové hmotnosti Země klesá na 29 %. Atmosféra obsahuje průměrně 1 x 10^15 metrických tun kyslíku, což odpovídá hmotnostnímu podílu 23,1 %.

Oxid uhličitý je součástí atmosféry s hmotností přibližně 23 x 10^12 tun. Z oceánů do atmosféry ročně uniká přibližně 10 x 10^11 tun oxidu uhličitého a stejné množství se vrací zpět do vody. Fotosyntéza zelených rostlin každoročně odebírá z atmosféry 6 x 10^10 tun CO2, ale téměř stejné množství je uvolňováno dýcháním lidí, zvířat, mikroorganismů a rozkladem. Od 19. století se zvyšuje koncentrace CO2 v atmosféře, což je způsobeno zejména rostoucí spotřebou fosilních paliv a odlesňováním. Při očekávaném ročním nárůstu populace o 2 % a růstu spotřeby o 1 % za rok můžeme očekávat zdvojnásobení koncentrace CO2 v atmosféře v příštích 50 letech.

Vodík představuje odhadem 0,88 % hmotnosti zemské kůry, vody a atmosféry. Zemi obklopuje ve výškách 2000 – 20000 km řídká vrstva vodíku. Slunce na druhé straně obsahuje asi 84 % hmotnosti vodíku, který je zdrojem solární energie.

Argon je nejběžnějším vzácným plynem v atmosféře, s průměrným objemovým podílem 0,93 %, a denně ho člověk vdechne a vydechne zhruba 20 litrů. I pramenitá voda obsahuje rozpuštěný argon, zejména pokud pramen vytéká z větších hloubek, jako je tomu u gejzírů.

Helium se nejčastěji vyskytuje v přírodních plynech s koncentracemi až 7,5 % objemu. Jeho podíl v zemské kůře včetně oceánů a atmosféry se odhaduje na 4,2 x 10^-7 %, což je méně než zlato, stříbro nebo platina.

Neon, přestože je řazen mezi vzácné prvky s odhadovaným podílem pouhých 5 x 10^-7 %, nabývá ve vesmíru na významu, kde se řadí na třetí místo v hojnosti hned po vodíku a heliu. Naopak, krypton představuje v atmosféře Země pouze 0,000108 % jejího složení. Jeho obsah v zemské kůře, včetně atmosféry a hydrosféry, je odhadován na pouhých 1,9 x 10^-8 %, což jej řadí mezi nejvzácnější prvky.

Xenon, i když je ještě vzácnější s odhadovaným podílem 2,4 x 10^-9 % v zemské kůře a obsahem ve vzduchu pouhých 0,0000086 %, neboli 86 dílů na miliardu (ppb), představuje extrémní raritu mezi prvky.

Atmosféra Země je složitá směs, kde se kromě vzácných plynů jako argon, neon, helium, krypton a xenon vyskytují i hlavní složky jako dusík, kyslík, oxid uhličitý a vodík. Tato směs plynů tvoří vzduch v nižších vrstvách atmosféry, který je pro nás neustále přítomný a ovlivňuje každý okamžik našeho života od narození po smrt. Je důležité si uvědomit, jak vzácné prvky přispívají k naší atmosféře a jak jsou některé z nich, přestože v minimálních množstvích, klíčové pro různé technologické aplikace, včetně osvětlovacích technologií a výzkumu vysokých atmosférických vrstev.

Zejména neon, často využívaný v reklamních neonech díky své schopnosti emitovat jasné barvy při elektrickém výboji, a xenon, používaný v silných světlometech a v oblasti anestezie, jsou příklady, jak i tyto vzácné prvky hrají významnou roli v našich životech. Tato fascinující spojení mezi základními a vzácnými prvky v naší atmosféře a jejich aplikacemi v průmyslu a vědě připomínají, jak je naše porozumění chemickému složení Země důležité pro technologický pokrok a ochranu našeho prostředí. Vzduch, který nás obklopuje, je tedy nejen základem života, ale i oknem do světa vědy a technologie.

Tabulka charakteristických hodnot různých plynů

PlynMolární hmotnost M [kg/kmol]Hustota ρ [kg/m³]Specifický objem v [m³/kg]Měrná plynová konstanta R [kJ/kg·K]Poissonova konstanta κ
Vzduch28,961,2931,00,77329,27
Dusík28,021,250,9670,830,26
Kyslík32,001,4291,1050,726,57
Oxid uhličitý44,011,9771,5290,50619,25
Vodík2,020,0900,52711,127420,58
Argon39,941,7841,3780,56121,23
Helium4,000,1790,1385,602211,81
Neon20,180,90,6961,11141,99
Krypton83,83,742,90,34410,09
Xenon131,35,94,560,1696,42

Kvalita vzduchu má zásadní význam nejen pro živé organismy, ale i pro průmysl. Čistota vnějšího vzduchu přímo ovlivňuje kvalitu stlačeného vzduchu, který se vyrábí, a také čistotu vzduchu v čistých prostorách (Cleanrooms). Kontaminace vzduchu, jako jsou prachové částice, chemické výpary nebo biologické znečištění, může mít negativní dopad na zdraví a pohodu lidí, zvířat i rostlin, a zároveň může komplikovat průmyslové procesy, které jsou závislé na vysoké úrovni čistoty, jako je výroba v oblasti mikroelektroniky, farmacie, biotechnologií a jiných specializovaných odvětvích. Čisté místnosti, které vyžadují striktní kontrolu znečištění, jsou zvláště citlivé na kvalitu přiváděného vzduchu, protože jakékoli nedostatky ve filtraci nebo úpravě vzduchu mohou vést k významným ztrátám, poškození produktů nebo dokonce k selhání celého výrobního procesu.