Kvalita vnitřních prostor s ohledem na šíření škodlivých látek

Kvalita vnitřních prostor s ohledem na šíření škodlivých látek

Disertační práce

Studijní program: P2301 – Strojní inženýrství

Studijní obor: 3901V003 – Aplikovaná mechanika Autor práce: Ing. Tomáš Kořínek

Vedoucí práce: prof. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.

Indoor environmental quality with regard to the spread of harmful substances

Dissertation

Study programme: P2301 – Mechanical Engineering Study branch: 3901V003 – Applied Mechanics

Author: Ing. Tomáš Kořínek

Supervisor: prof. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.

Anotace

Anotace:

Pr´ace se zab´yv´a moˇznost´ı sn´ıˇzen´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v m´ıstnosti pomoc´ı procesu adsorpce. Kvalita vnitˇrn´ıho ovzduˇs´ı byla analyzov´ana pomoc´ı mˇeˇren´ı v uˇcebn´ach a kan- cel´aˇr´ıch. V pr´aci je d´ale pops´an proces adsorpce z pohledu moˇzn´e metody pro zachycen´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v prostoru. Byly posouzeny moˇzn´e parametry ovlivˇnuj´ıc´ı ´uˇcinnost sniˇzov´an´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek. Proces sniˇzov´an´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek pomoc´ı ad- sorpce byl odzkouˇsen pomoc´ı numerick´ych simulac´ı a experimentu, kde v´ysledky byly vz´ajemnˇe porovn´any.

Kl´ıˇcov´a slova: adsorpce, oxid uhliˇcit´y, kvalita vnitˇrn´ıho ovzduˇs´ı, numerick´a simulace

Annotation:

This study deals with a possibility of reducing of health risk species using an adsorption.

Indoor air quality is analysed using own measurements. Adsorption as possible method for capturing of health risk species is closure described in this work. Parameters which influence efficiency of reducing of health risk species are assesed. Adsorption process is experimentaly and numericaly validated.

Keywords: adsorption, carbon dioxide, indoor air quality, numerical simulation

Tato pr´ace byla podpoˇrena v r´amci Studentsk´e Grantov´e Soutˇeˇze na FS TUL 2019 grantem ˇc. 21227 poskytovan´ym Ministerstvem ˇskolstv´ı, ml´adeˇze a tˇelov´ychovy ˇCesk´e Republiky.

C´ıle disertaˇ cn´ı pr´ ace

• Mˇeˇren´ı koncentrac´ı zneˇciˇst’uj´ıc´ıch l´atek ve vnitˇrn´ıch prostor´ach a statistick´e posou- zen´ı kvality.

• Posouzen´ı procesu adsorpce z pohledu moˇznosti sn´ıˇzen´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v prostoru.

• N´avrh a sestaven´ı experimentu pro sniˇzov´an´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v prostoru pomoc´ı adsorpce.

• Promˇeˇren´ı adsorpce CO2 na vhodn´em adsorbentu pro r˚uzn´e vstupn´ı parametry.

• Implementace vhodn´eho modulu pro numerick´y v´ypoˇcet zachycen´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v prostoru a jeho validace s experimentem.

R´ ad bych podˇ ekoval vˇ sem dobr´ ym lidem.

Obsah

1 Uvod´ 13

1.1 Kvalita ovzduˇs´ı ve vnitˇrn´ıch prostor´ach a jej´ı vliv na ˇclovˇeka . . . 14

2 Mˇeˇren´ı CO2 ve vnitˇrn´ıch prostor´ach 16 2.1 V´ysledky z mˇeˇren´ı CO₂ ve vnitˇrn´ıch prostor´ach . . . 17

3 Sniˇzov´an´ı CO2 22 4 Adsorpce 23 4.1 Adsorpˇcn´ı rovnov´aha . . . 23

4.2 Adsorpˇcn´ı teplo . . . 24

4.3 Adsorpˇcn´ı izotermy . . . 25

4.3.1 Langmuirova izoterma . . . 26

4.3.2 T´othova izoterma . . . 27

4.3.3 Henryho izoterma . . . 27

4.3.4 Freundlichova izoterma . . . 28

4.3.5 Freundlichova-Langmuirova izoterma . . . 28

4.3.6 Dubinin-Astakhova izoterma . . . 29

4.3.7 BET izoterma . . . 29

4.4 Kinetika adsorpce . . . 30

4.5 Adsorbenty . . . 31

4.6 Zp˚usoby regenerace adsorpˇcn´ıch vlastnost´ı materi´alu . . . 38

5 Mˇeˇren´ı adsorpce na aktivn´ım uhl´ı 39 5.1 Zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce . . . 39

5.1.1 Prvn´ı verze . . . 40

5.1.2 Druh´a verze . . . 41

5.1.3 Tˇret´ı verze . . . 42

5.1.4 Ctvrt´ˇ a verze . . . 43

5.2 Pr˚ubˇeh mˇeˇren´ı . . . 47

5.3 Kalibrace senzor˚u . . . 48

5.4 V´ysledky z mˇeˇren´ı . . . 49

5.4.1 TSA smyˇcka s dT=10^◦C . . . 49

5.4.2 TSA smyˇcka s dT=15^◦C . . . 50

5.4.3 TSA smyˇcka s dT=20^◦C . . . 51

5.4.4 Porovn´an´ı TSA smyˇcek . . . 52

6 Numerick´a simulace 54 6.1 Matematick´y model . . . 54

6.1.1 Large Eddy Simulation . . . 56

6.1.2 Partially Averaged Navier-Stokes . . . 57

6.1.3 Turbulentn´ı pˇrenos tepla . . . 59

6.1.4 Turbulentn´ı pˇrenos hmoty . . . 60

6.2 Validace PANS pro pˇrestup tepla/hmoty . . . 61

6.3 Implementace matematick´eho modelu adsorpce do OpenFOAM . . . 62

6.4 Zjednoduˇsen´a simulace adsorpce na aktivn´ım uhl´ı . . . 64

6.4.1 Vliv adsorpce na zmˇenu teploty . . . 64

6.4.2 Simulace pracovn´ı smyˇcky TSA . . . 69

6.5 Moˇznosti zpˇresnˇen´ı numerick´e simulace . . . 72

6.6 Re´aln´a struktura aktivn´ıho uhl´ı . . . 73

6.6.1 Segmentov´an´ı sn´ımk˚u struktury aktivn´ıho uhl´ı . . . 75

6.6.2 Uprava a vyhlazen´ı geometrie struktury aktivn´ıho uhl´ı . . . .´ 76

6.6.3 Tvorba s´ıtˇe pro strukturu aktivn´ıho uhl´ı . . . 80

6.6.4 Nastaven´ı numerick´e simulace . . . 82

6.6.5 V´ysledky pro re´alnou strukturu . . . 83

6.7 N´ahrada re´aln´e struktury aktivn´ıho uhl´ı . . . 86

6.7.1 Tvorba n´ahradn´ı struktury . . . 87

6.7.2 Algoritmus tvorby n´ahradn´ı struktury . . . 88

6.7.3 Nastaven´ı numerick´e simulace . . . 91

6.7.4 V´ysledky ze simulac´ı pˇri pouˇzit´ı n´ahradn´ı struktury . . . 91

6.7.5 Nastaven´ı simulace TSA smyˇcky pomoc´ı n´ahradn´ı struktury . . . 97

6.7.6 Porovn´an´ı simulace pracovn´ı smyˇcky TSA pomoc´ı n´ahradn´ı struk- tury s experimentem . . . 98

7 Z´avˇer 102

8 Dalˇs´ı smˇer v´yzkumu 103

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u a zkratek

Symbol Jednotka Definice

A m² plocha

C - konstanta BET izotermy

dT K teplotn´ı diference

D_mol m²s⁻¹ koeficient molekul´arn´ı difuze D m charakteristick´y rozmˇer

D_aCO2 m²s⁻¹ koeficient molekul´arn´ı difuze vzduch-CO2

E J aktivaˇcn´ı energie

F J Helmhotzova energie

f kgm⁻²s⁻²) extern´ı s´ıly

f_k - pomˇer nevyˇrenen´e turbulentn´ı kinetick´e energie ku celkov´e f - pomˇer nevyˇrenen´e rychlosti disipace ku celkov´e

f_ω - pomˇer nevyˇrenen´e specifick´e rychlosti disipace ku celkov´e h s⁻¹ koeficient konvektivn´ıho toku hmoty

H J entalpie

J_k mol m⁻² s⁻¹ tok hmoty pˇri adsorpci

K - Langmuirova konstanta

Ke - Henryho konstanta

k m²s⁻² turbulentn´ı kinetick´a energie

k_u m²s⁻² nevyˇreˇsen´a turbulentn´ı kinetick´a energie Lk m²s⁻² koeficient difuze pˇri adsorpci

M_AC kg/mol molekul´arn´ı hmotnost aktivn´ıho uhl´ı n mol mol´arn´ı mnoˇzstv´ı

nF - Freundlich˚uv parametr

N u - Nusseltovo ˇc´ıslo

p Pa tlak

Pku m⁴s⁻³ produkce turbulentn´ı kinetick´e energie

P e - Pecletovo ˇc´ıslo

P e_t - turbulentn´ı Pecletovo ˇc´ıslo

P r - Prandtlovo ˇc´ıslo

P rt - turbulentn´ı Prandtlovo ˇc´ıslo

p_s Pa saturaˇcn´ı tlak

q molg⁻¹ adsorpˇcn´ı kapacita q^∗ molg⁻¹ adsorpˇcn´ı kapacita

q_max molg⁻¹ maxim´aln´ı adsorpˇcn´ı kapacita qa Jkg⁻¹ diferenci´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo q_k Jkg⁻¹ kondenzaˇcn´ı teplo

Q_teplo J integr´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo R Jkg⁻¹K⁻¹ univerz´aln´ı plynov´a konstanta

r - residuum

r_H - residuum entalpie

r_p - residuum tlaku

Re - Reynoldsovo ˇc´ıslo

S JK⁻¹ entropie

S_visc K sutherlandova konstanta

Sc - Schmidtovo ˇc´ıslo

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u a zkratek

Symbol Jednotka Definice

T K teplota

T_sub K teplota sublimace

U J vnitˇrn´ı energie

u ms⁻¹ rychlost

V m³ objem

Y - hmotnostn´ı pod´ıl

y⁺ - bezrozmˇern´a vzd´alenosti od stˇeny Symbol Jednotka Definice

δ_ij - Kroneckerovo delta

∆Ha J adsorpˇcn´ı teplo ε m²s⁻³ rychlost disipace

ε_u m²s⁻³ nevyˇreˇsen´a rychlost disipace λ Wm⁻¹K⁻¹ koeficient tepeln´e vodivosti µ Pas⁻¹ dynamick´a viskozita µ_i Jmol⁻¹ chemick´y potenci´al ν m²s⁻¹ kinematick´a viskozita ν_sgs m²s⁻¹ subgridn´ı viskozita ν_t m²s⁻¹ turbulentn´ı viskozita νu m²s⁻¹ v´ırov´a viskozita

ω s⁻¹ specifick´a rychlost disipace

ω_u s⁻¹ nevyˇreˇsen´a specifick´a rychlost disipace π Pam⁻² povrchov´y tlak

φ - relaxaˇcn´ı faktor

ρ kgm⁻³ hustota

ρAC kgm⁻³ hustota aktivn´ıho uhl´ı

τ Pa tenzor vazk´ych sil

τ_t s turbulentn´ı ˇcasov´e mˇeˇr´ıtko

Θ K fluktuace teploty

ζ Pas⁻¹ objemov´a viskozita

Modelov´e konstanty turbulentn´ıch model˚u pak jsou β^∗, Γ_ku, Γ_ωu, C₁, C₂, C_1, C_2, C_2^∗, C_µσ_ω2, σ_ωku

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u a zkratek

Zkratka Definice AC aktivn´ı uhl´ı

CFL Courant Friedrich Lewy podm´ınka ClFC Chlorofluorouhl´ık

CH₄ Metan

CO2 Oxid uhliˇcit´y

CPU Central Processing Unit ESA Electric Swing Adsorption

H2 Vod´ık

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry LDF Linear Driving Force

LES Large Eddy Simulation

LUST Linear Upwind Stabilised Transport MEA mono-thanol-amin

MOF Metal Organic Framework

N₂ Dus´ık

NaOH Hydroxid sodn´y

NDIR Non-Dispersive Infra-Red

O₂ Kysl´ık

PANS Partially-Averaged Navier-Stokes

PISO Pressure Implicit with Spliting Operators PSA Pressure Swing Adsorption

RANS Reynolds-Averaged Navier-Stokes

SIMPLE Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations SST Shear Stress Transport

TSA Temperature Swing Adsorption TUL Technick´a Univerzita v Liberci

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter VOC Volatile Organic Compound

VSA Vacuum Swing Adsorption

WALE Wall Adapting Local Eddy viscosity WHO World Health Organisation

Seznam obr´ azk˚ u

1 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 ve tˇr´ıdˇe bˇehem jednoho dne[38]. . . 15

2 Raspberry Pi v ´upravˇe pro mˇeˇren´ı CO2 v m´ıstnosti. . . 16

3 Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ v kancel´aˇri bˇehem jednoho dne. . . 17

4 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 v kancel´aˇri bˇehem 3 po sobˇe n´asleduj´ıc´ıch dn˚u. . . 18

5 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 v kancel´aˇri na TU-Dresden bˇehem 14 po sobˇe n´asleduj´ıc´ıch dn˚u. . . 19

6 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 ve v´yuce. . . 19

7 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 ve v´yuce bˇehem dvou vyuˇcovac´ıch blok˚u. . . 20

8 Adsorpce a desorpce na adsorbentu. . . 23

9 Klasifikace adsorpˇcn´ıch izoterm [2]. . . 25

10 Langmuirova izoterma, vlevo z´avislost na maxim´aln´ı adsopˇcn´ı kapacitˇe a vpravo z´avislost na konstantˇe K. . . 26

11 T´othova izoterma. . . 27

12 Henryho izoterma. . . 27

13 Freundlichova izoterma. . . 28

14 Freundlichova-Langmuirova izoterma. . . 28

15 Pr˚ubˇehy Dubinin-Astakhov adsorpˇcn´ıch izoterm, vlevo z´avislost na qmax, vpravo z´avislost na pomˇeru RT /E. . . 29

16 Pr˚ubˇehy BET adsorpˇcn´ıch izoterm, vlevo C>1, vpravo C<1. . . 30

17 Aktivn´ı uhl´ı ve formˇe a peletek a monolitu . . . 31

18 Zeolit ve formˇe kuliˇcek a peletek . . . 32

19 Zeolit vyroben´y 3D tiskem [64] . . . 32

20 Sn´ımek adsorbentu MOF z mikroskopu [53] . . . 33

21 Struktura MOF [17] . . . 33

22 Sch´ema zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce CO₂ na aktivn´ım uhl´ı. . . 39

23 Model prvn´ı verze zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce. . . 40

24 Model druh´eho zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce. . . 41

25 Model tˇret´ı verze zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce. . . 42

26 Uk´azka z mˇeˇren´ı adsorpce na aktivn´ım uhl´ı pro tˇret´ı verzi zaˇr´ızen´ı. . . 42

27 Ctvrt´ˇ a verze zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı adsorpce CO₂. . . 43

28 Boˇcn´ı pohled na komoru s aktivn´ım uhl´ım. . . 44

29 Celn´ı pohled na komoru s aktivn´ım uhl´ım. . . .ˇ 44 30 Porovn´an´ı namˇeˇren´eho pr˚ubˇehu teploty s teoretick´ym pr˚ubˇehem. . . 45

31 Uk´azka z kalibrace senzoru. . . 48

32 Pr˚ubˇeh teploty a v´ystupn´ı koncentrace CO2 bˇehem pracovn´ı smyˇcky pro dT=10^◦C. . . 49

33 Pr˚ubˇeh teploty a v´ystupn´ı koncentrace CO₂ bˇehem pracovn´ı smyˇcky pro dT=15^◦C. . . 50

34 Pr˚ubˇeh teploty a v´ystupn´ı koncentrace CO2 bˇehem pracovn´ı smyˇcky pro dT=20^◦C. . . 51

35 Pr˚ubˇeh teploty bˇehem pracovn´ı smyˇcky. . . 52

36 Pr˚ubˇeh v´ystupn´ı koncentrace CO2. . . 52

37 Adsorbovan´e a desorbovan´e CO₂ v aktivn´ım uhl´ı pro jednotliv´e smyˇcky. . . 53

38 Porovn´an´ı v´ypoˇctu viskozity smˇesi . . . 55

39 V´ypoˇcetn´ı dom´ena pro validaci turbulentn´ıho modelu. . . 61

40 Pr˚ubˇeh Nusseltova ˇc´ısla pod´el v´alce. . . 62

41 Zn´azornˇen´ı volby m´ısta s adsorbentem. . . 63

42 Zn´azornˇen´ı adsorpce (vlevo) a desorpce (vpravo) pomoc´ı kontur hmotnostn´ı koncentrace CO2. . . 63

43 Geometrie v´ypoˇcetn´ı dom´eny pro zjednoduˇsen´y pˇr´ıstup. . . 64

44 Pr˚ubˇeh teploty pracovn´ı smyˇcky TSA. . . 65

45 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2. . . 66

46 Pr˚ubˇeh adsorpˇcn´ı kapacity. . . 66

47 Pr˚ubˇeh teploty pro r˚uzn´e teplotn´ı smyˇcky. . . 67

48 Pr˚ubˇeh v´ystupn´ı koncentrace CO2 pro r˚uzn´e teplotn´ı smyˇcky. . . 68

49 Detail ˇspiˇcky pr˚ubˇehu koncentrace CO₂. . . 68

50 Pr˚ubˇeh aktu´aln´ı adsorpce pro r˚uzn´e teplotn´ı smyˇcky. . . 69

51 Adsorbovan´e mnoˇzstv´ı CO2 pro r˚uzn´e teplotn´ı smyˇcky. . . 69

52 Pr˚ubˇeh teploty pro numerickou simulaci. . . 70

53 Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ z numerick´e simulace a experimentu pro dT=10^◦C. 71 54 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 z numerick´e simulace a experimentu pro dT=15^◦C. 71 55 Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 z numerick´e simulace a experimentu pro dT=20^◦C. 72 56 Re´aln´a struktura aktivn´ıho uhl´ı z poˇc´ıtaˇcov´e tomografie. . . 73

57 Sn´ımky z tomografu pˇred a po ´upravˇe. . . 74

58 Pr˚ubˇeh segmentace. . . 75

59 Princip kvadratick´eho kolapsu hran (vlevo) a princip ´uhlu mezi norm´alami (vpravo). . . 76

60 Ostr´y pˇrechod v geometrii aktivn´ıho uhl´ı. . . 77

61 Princip Laplacova vyhlazen´ı. . . 78

62 Vyhlazen´ı struktury Laplacov´ym filtrem. . . 79

63 Z´akladn´ı vstupn´ı s´ıt’ do programu SnappyHexM esh. . . 80

64 V´ypoˇcetn´ı dom´ena, vlevo 3D pohled, vpravo ˇceln´ı pohled. . . 81

65 P˚udorys a spodn´ı pohled na v´ypoˇcetn´ı dom´enu. . . 81

66 Detail v´ypoˇcetn´ı s´ıtˇe pˇred o po vyhlazen´ı okraj˚u. . . 82

67 Kontury normovan´e koncentrace, vlevo pˇr´ıˇcn´y ˇrez a vpravo pod´eln´y ˇrez. . . 83

68 Kontury pod´eln´e rychlosti, vlevo pˇr´ıˇcn´y ˇrez a vpravo pod´eln´y ˇrez. . . 84

69 Kontury pˇr´ıˇcn´e rychlosti v pod´eln´em ˇrezu, vlevo vodorovn´a a vpravo svisl´a. 84 70 Kontury pˇr´ıˇcn´e rychlosti v pˇr´ıˇcn´em ˇrezu, vlevo vodorovn´a a vpravo svisl´a. . 85

71 Re´aln´a struktura kovov´e s´ıtˇe [75]. . . 86

72 N´ahradn´ı struktura kovov´e s´ıtˇe [75]. . . 86

73 Sch´ema n´ahradn´ı struktury. . . 87

74 N´ahradn´ı struktury B2 (vlevo) a B4 (vpravo). . . 88

75 Sch´ema blokov´e struktury. . . 88

76 algoritmus tvorby n´ahradn´ı struktury. . . 89

77 V´ystup z programu tvorby struktur pro rychlou kontrolu vytvoˇren´e struktury. 90 78 Uk´azka vygenerovan´e s´ıtˇe pomoc´ı vytvoˇren´eho algoritmu. . . 91

79 Kontury normovan´e pod´eln´e sloˇzky rychlosti pro n´ahradn´ı strukturu B1 (vlevo) a B2 (vpravo). . . 92

80 Kontury normovan´e pod´eln´e sloˇzky pro n´ahradn´ı strukturu B1(vlevo) a B3(vpravo). . . 93

81 Kontury normovan´e pˇr´ıˇcn´e sloˇzky rychlosti pro n´ahradn´ı strukturu B1 (vlevo) a B2 (vpravo). . . 94

82 Kontury normovan´e pˇr´ıˇcn´e sloˇzky rychlosti pro n´ahradn´ı strukturu B1 (vlevo) a B3 (vpravo). . . 94

83 Z´avislost Sherwoodova ˇc´ısla na pozici prvku. . . 95

84 Kontury normovan´e koncentrace pro n´ahradn´ı strukturu B1 a B2. . . 96

85 Kontury normovan´e koncentrace pro n´ahradn´ı strukturu B1 a B3. . . 96

86 Vygenerovan´a struktura pro simulaci TSA smyˇcky. . . 97

87 Kontury okamˇzit´e pod´eln´ı sloˇzky rychlosti. . . 98

88 Kontury okamˇzit´e pˇr´ıˇcn´e sloˇzky rychlosti. . . 99

89 Kontury okamˇzit´e koncentrace CO₂ bˇehem desorpce . . . 100

90 Porovn´an´ı okamˇzit´ych kontur koncentrace CO₂ bˇehem desorpce (vlevo) a adsorpce (vpravo). . . 100

91 Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ z numerick´e simulace pro n´ahradn´ı strukturu a experimentu pro dT=10^◦C. . . 101

Seznam tabulek

1 Uˇ´cinky CO2 na lidsk´y organismus . . . 14

2 Parametry senzoru pro mˇeˇren´ı koncentrace CO2 . . . 17

3 Souhrnn´e v´ysledky z mˇeˇren´ı koncentrace CO₂ ve vnitˇrn´ıch prostor´ach. . . . 21

4 Souhrn vlastnost´ı adsorbent˚u. . . 34

5 Parametry aktivn´ıho uhl´ı . . . 35

6 Parametry zeolit˚u . . . 36

7 Parametry MOF˚u . . . 37

8 Parametry senzoru K30-FR pro mˇeˇren´ı koncentrace CO2 . . . 45

9 Parametry termistoru pro mˇeˇren´ı teploty . . . 46

10 Parametry nastaven´eho experimentu . . . 47

11 Sutherlandovy koeficienty pro v´ypoˇcet viskozity . . . 55

12 Varianty pro test nez´avislosti s´ıtˇe na re´aln´e struktuˇre . . . 83

13 Varianty vytvoˇren´ych n´ahradn´ıch struktur . . . 87

14 Varianty pro test nez´avislosti s´ıtˇe . . . 92

15 Vlastnosti pˇrenosu hmoty (Sherwoodovo ˇc´ıslo) jednotliv´ych struktur. . . 95

1 Uvod ´

Kvalita vnitˇrn´ıho ovzduˇs´ı mus´ı b´yt br´ana v potaz vzhledem k tomu, ˇze lid´e tr´av´ı 90 % ˇcasu pr´avˇe ve vnitˇrn´ıch prostor´ach. Je-li nˇekde zm´ınˇena problematika kvality ovzduˇs´ı, v drtiv´e vˇetˇsinˇe se t´yk´a venkovn´ıho prostˇred´ı, ovˇsem americk´a agentura pro ochranu prostˇred´ı prok´azala, ˇze ve vnitˇrn´ım prostˇred´ı se nach´az´ı 2-5x v´ıce zneˇciˇst’uj´ıc´ıch neˇz ve venkovn´ım prostˇred´ı. Pr´avˇe dlouhodob´y pobyt v prostˇred´ı s vysokou hodnotou zneˇciˇst’uj´ıc´ıch l´atek m´a v´yznamn´y vliv na zdrav´ı ˇclovˇeka. Svˇetov´a zdravotnick´a organizace (WHO) spoleˇcnˇe s Mezin´arodn´ı agenturou pro v´yzkum rakoviny doˇsla k z´avˇeru, ˇze majoritn´ı pod´ıl na vzniku rakoviny m´a pr´avˇe vnitˇrn´ı prostˇred´ı na rozd´ıl od genetick´ych faktor˚u. WHO d´ale uv´ad´ı, ˇze 3 miliony lid´ı roˇcnˇe umˇre z d˚usledku zneˇciˇstˇen´eho venkovn´ıho vzduchu. Z pohledu vnitˇrn´ıho zneˇciˇstˇen´ı je toto ˇc´ıslo vyˇsˇs´ı a to konkr´etnˇe 4.3 miliony. To vych´az´ı z toho, ˇze 92 % obyvatel ˇzije v prostˇred´ı kde jsou pˇrekroˇceny limity t´ykaj´ıc´ı se zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek. Tato pr´ace se zab´yv´a kvalitou vnitˇrn´ıho ovzduˇs´ı a zejm´ena moˇznost´ı sn´ıˇzen´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v m´ıstnosti.

Prvn´ı kapitola t´eto pr´ace obsahuje kr´atk´e sezn´amen´ı se zdrav´ıˇskodliv´ymi l´atkami, kter´e se mohou ve vnitˇrn´ıch prostor´ach nach´azet. N´asleduje kapitola vˇenovan´a vlastn´ımu mˇeˇren´ı kvality ovzduˇs´ı v m´ıstnostech, a to konkr´etnˇe mˇeˇren´ı koncentrace CO₂. Jsou zde uvedeny v´ysledky z mˇeˇren´ı koncentrace CO₂ v kancel´aˇr´ıch a z v´yuky. V z´avˇeru t´eto kapitoly je uveden souhrn z proveden´ych mˇeˇren´ı.

Dalˇs´ı kapitola se zab´yv´a moˇznost´ı sn´ıˇzen´ı mnoˇzstv´ı CO₂ v m´ıstnosti pomoc´ı adsorpce.

Prvn´ı ˇc´ast t´eto kapitoly je vˇenov´ana teoretick´emu sezn´amen´ı s adsorpc´ı. Je zde vyj´adˇrena adsorpˇcn´ı rovnov´aha, teplo pˇri adsorpci, a tak´e samotn´y popis materi´alu pomoc´ı ad- sorpˇcn´ıch izoterm. N´asleduje sezn´amen´ı s moˇznostmi regenerace materi´alu pouˇzit´emu k zachycen´ı CO₂. Uveden je zde i popis tˇr´ı nejˇcastˇejˇs´ıch materi´al˚u pouˇz´ıvan´ych k adsorpci CO2.

Po kapitole vˇenuj´ıc´ı se sezn´amen´ı s adsorpc´ı navazuje kapitola t´ykaj´ıc´ı se vlastn´ıho experimentu. Je zde uveden popis nˇekolika etap, kter´ymi experiment proˇsel. Uvedeny jsou zejm´ena nedostatky konkr´etn´ı varianty experimentu, kter´e bylo potˇreba odstranit pro zajiˇstˇen´ı poˇzadavk˚u kladen´ych na experiment. Nechyb´ı zde tak´e pr˚ubˇeh samotn´eho mˇeˇren´ı a jsou zde pops´any i kalibraˇcn´ı procedury pouˇzit´ych pˇr´ıstroj˚u a senzor˚u. Posledn´ı ˇc´ast v t´eto kapitole je vˇenov´ana v´ysledk˚um mˇeˇren´ı a kr´atk´e diskusi.

N´asleduj´ıc´ı kapitola je zamˇeˇrena na numerickou simulaci adsorpce CO₂ na aktivn´ım uhl´ı. Prvn´ı ˇc´ast kapitoly je vˇenov´ana matematick´emu modelu. Jsou zde uvedeny ´ustˇredn´ı rovnice popisuj´ıc´ı adsorpci CO2 na aktivn´ım uhl´ı, a to vˇcetnˇe pouˇzit´eho zp˚usobu ˇreˇsen´ı turbulence. V t´eto kapitole je tak´e uveden postup implementace kinetick´eho modelu ad- sorpce do open-source softwaru OpenFOAM. Jsou zde uk´az´any v´ysledky ze simulace pˇri pouˇzit´ı zjednoduˇsen´eho modelu zaloˇzen´eho na principu por´ezn´ıho m´edia. N´asleduje po- pis z´ısk´an´ı skuteˇcn´e geometrie struktury aktivn´ıho uhl´ı a tvorba v´ypoˇcetn´ı s´ıtˇe pro tuto strukturu. D´ale je zde uvedeno zjednoduˇsen´ı simulace pˇri pouˇzit´ı n´ahradn´ı struktury m´ısto skuteˇcn´e. Vysvˇetlen je princip tvorby n´ahradn´ı struktury a tvorba v´ypoˇcetn´ı s´ıtˇe. Dalˇs´ı podkapitola se t´yk´a porovn´an´ı v´ysledk˚u pro jednotliv´e n´ahradn´ı struktury a porovn´an´ı s v´ysledky pro re´alnou geometrii. V t´eto kapitole jsou tak´e obsaˇzeny informace t´ykaj´ıc´ı se nastaven´ı okrajov´ych podm´ınek, volba vhodn´eho algoritmu, nastaven´ı simulace apod.

V z´avˇeru kapitoly je pops´ana simulace adsorpce pˇri pouˇzit´ı n´ahradn´ı struktury a je zde uvedeno i porovn´an´ı s v´ysledky z´ıskan´ymi z experimentu.

1.1 Kvalita ovzduˇs´ı ve vnitˇrn´ıch prostor´ach a jej´ı vliv na ˇclovˇeka

T´ım jak v posledn´ı dobˇe doch´az´ı k rekonstrukc´ım starˇs´ıch budov z d˚uvodu zv´yˇsen´ı tepeln´e izolace, tak doch´az´ı ke sn´ıˇzen´ı infiltrace ˇcerstv´eho vzduchu skrze okna. Pr´avˇe d´ıky tomu doˇslo ke zv´yˇsen´ı mnoˇzstv´ı zdrav´ı ˇskodliv´ych l´atek v m´ıstnosti pˇri srovn´an´ı se situac´ı pˇred 20 lety.

Zneˇciˇst’uj´ıc´ı l´atky mohou b´yt jak v plynn´e formˇe, tak ve formˇe ˇc´astic. Nejˇcastˇejˇs´ı zneˇciˇst’uj´ıc´ı l´atky v m´ıstnosti jsou azbest, cigaretov´y kouˇr, olovo, oxid uhelnat´y, oxid uhliˇcit´y, ozon, radon a d´ale skupina l´atek oznaˇcov´ana zkratkou VOC (Volatile Organic Compound, v ˇceˇstinˇe je to tˇekav´a organick´a l´atka). Mezi VOC patˇr´ı benzen, dichlor me- tan formaldehyd, chlorofluorouhl´ık (ClFC), tetrachlorethylen. VOC se vyznaˇcuj´ı t´ım, ˇze maj´ı vysokou hodnotu v´yparn´eho tlaku a to pˇri teplotˇe odpov´ıdaj´ıc´ı typick´e pokojov´e teplotˇe. Jejich vysok´y v´yparn´y tlak m´a za n´asledek n´ızk´y bod varu, d´ıky tomu doch´az´ı k snadn´emu odpaˇrov´an´ı pˇr´ıpadnˇe sublimaci do okoln´ıho vzduchu. Pr´avˇe tˇreba formaldehyd, kter´y je obsaˇzen ve spoustˇe lepidel, barev, moˇridel atd., m´a teplotu varu -19 ^◦C. Dalˇs´ı zdrav´ı ˇskodliv´e l´atky vznikaj´ı pˇri vaˇren´ı a vyt´apˇen´ı, pˇri kter´em se pouˇz´ıv´a fosiln´ı palivo.

Pˇri tepeln´em zpracovn´an´ı potravin m˚uˇze doch´azet k tvorbˇe zdrav´ych ˇskodliv´ych l´atek ze samotn´ych surovin, nejˇcastˇeji z oleje pouˇzit´eho ke smaˇzen´ı [76].

Oxid uhliˇcit´y (CO₂) je zneˇciˇst’uj´ıc´ı l´atka, u kter´e doch´az´ı nejˇcastˇeji k pˇrekroˇcen´ı limit˚u a to d´ıky tomu, ˇze s´am ˇclovˇek je jej´ım zdrojem. V tabulce 1 jsou uvedeny ´uˇcinky prostˇred´ı s vysokou hodnotou CO2na ˇclovˇeka. Ide´aln´ı vnitˇrn´ı prostˇred´ı je s ´urovn´ı koncentrace CO2

pod 1000 ppm, kdy se neprojevuj´ı ˇz´adn´e neˇz´adouc´ı ´uˇcinky. Koncentrace CO₂ do 2000 ppm, lze br´at jako pˇrijateln´e pokud jim nen´ı ˇclovˇek vystaven po delˇs´ı dobu. Pouh´a zmˇena prostˇred´ı, pˇr´ıpadnˇe spr´avn´e vyvˇetr´an´ı m´ıstnosti zp˚usob´ı to ˇze ´uˇcinky brzo odezn´ı. ´Uˇcinky vyˇsˇs´ıch koncentrac´ı CO₂ jsou jiˇz mnohem z´avaˇznˇejˇs´ı, asi nejˇcastˇejˇs´ı zkuˇsenost lid´ı je bolest hlavy pˇri koncentrac´ıch CO₂ vyˇsˇs´ıch neˇz 2000 ppm. Tˇechto koncentrac´ı se bˇeˇznˇe dosahuje v ˇspatnˇe odvˇetran´ych loˇznic´ıch, kde ˇclovˇek poc´ıt´ı bolest hlavy zejm´ena r´ano pˇri vst´av´an´ı.

Nad 5000 ppm jsou jiˇz velice z´avaˇzn´e neˇz´adouc´ı ´uˇcinky, kter´e v´yraznˇe ovlivˇnuj´ı zdrav´ı ˇclovˇeka. S´am jsem mohl poc´ıtit tyto ´uˇcinky a to pˇri nespr´avn´e manipulaci s tlakovou lahv´ı CO2 bˇehem experimentu. Nejednalo se o kr´atkodob´e ´uˇcinky a bolest hlavy s nevolnost´ı odeznˇela aˇz po nˇekolika hodin´ach na ˇcerstv´em vzduchu.

Tabulka 1: ´Uˇcinky CO2 na lidsk´y organismus Hodnota CO₂ Uˇ´cinky

do 1000 ppm bez ´uˇcink˚u na lidsk´y organismus 1000 - 2000 ppm ´unava, sn´ıˇzen´a koncentrace 2000 - 5000 ppm bolesti hlavy

nad 5000 ppm nevolnost, zv´yˇsen´y tep nad 15000 ppm d´ychac´ı pot´ıˇze

nad 40000 ppm ztr´ata vˇedom´ı

Sloˇzen´ı vydechovan´eho vzduchu je 16 % O2, 79 % N2, 4 % CO2. Pr˚umˇernˇe je vydech- nuto 0.5 l v jednom v´ydechu, kdy poˇcet cyklu v´ydech n´adech je 14-18 za minutu. Z toho lze dopoˇc´ıtat, ˇze ˇclovˇek vydechne 0,28-0,36 l/min CO₂. Uv´aˇz´ıme-li izolovanou m´ıstnost o objemu 36 m³ a jednu osobu v m´ıstnosti, dostaneme, ˇze se hodnota koncentrace CO2 v dan´e m´ıstnosti zv´yˇs´ı o 600 ppm/hod. Vezmeme-li v potaz, ˇze pozad’ov´a koncentrace CO2

je cca 400 ppm, tak jiˇz za jednu hodinu dojde k dosaˇzen´ı koncentrace CO₂ maj´ıc´ı vliv na osobu v dan´e m´ıstnosti.

Jiˇz bylo nˇekolikr´at dok´az´ano, ˇze nejvˇetˇs´ı probl´em s vysok´ymi koncentracemi CO₂ je ve ˇskol´ach. Nˇekter´a mˇeˇren´ı ukazuj´ı dlouhodob´e pˇrekroˇcen´ı limitn´ıch koncentrac´ı na z´akladn´ıch ˇskol´ach prvn´ıho stupnˇe [11]. Zde bylo dosaˇzeno pr˚umˇern´e koncentrace CO2

2000 ppm a maxim´aln´ı hodnota vyˇsplhala bˇehem mˇeˇren´ı aˇz na 4100 ppm. Mysl´ım, ˇze je na m´ıstˇe zd˚uraznit, ˇze se jedn´a o dˇeti ve vˇeku 6-11 let, kter´e jeˇstˇe nemaj´ı ponˇet´ı o tom, ˇze by mohli b´yt vystaveni tak vysok´ym koncentrac´ım a jak´y maj´ı na nˇe vliv. Tyto vysok´e koncentrace nejsou ojedinˇel´e a v´ysledky z mnou proveden´ych mˇeˇren´ı to jen potvrzuj´ı.

Trochu starˇs´ı studie [38] porovn´av´a mnoˇzstv´ı ˇz´ak˚u (student˚u) a koncentraci CO₂. Na obr. 1 je vyobrazen jeden z v´ystup˚u t´eto studie.

Obr´azek 1: Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 ve tˇr´ıdˇe bˇehem jednoho dne[38].

Velk´y vliv na takto vysok´e hodnoty CO₂ m´a nedostateˇcn´a informovanost lid´ı, kteˇr´ı takov´e prostˇred´ı okupuj´ı. Nˇekolikr´at se mi potvrdilo, ˇze aˇz po informov´an´ı dan´e osoby o stavu vzduchu v dan´e m´ıstnosti, se mi zaˇcala svˇeˇrovat, ˇze se ˇcasto c´ıt´ı unaven´a, bol´ı j´ı hlava a ˇspatnˇe se soustˇred´ı. Z tohoto poznatku lze odvodit nejjednoduˇsˇs´ı zp˚usob pro zajiˇstˇen´ı sn´ıˇzen´ı CO2 v m´ıstnosti a to je dostateˇcn´a informovanost lid´ı o kvalitˇe vzduchu ve vnitˇrn´ım prostˇred´ı.

Vysok´e koncentrace CO₂ se ovˇsem net´ykaj´ı pouze ˇskol. Nˇekter´e studie ukazuj´ı, ˇze i v dom´acnostech je dosaˇzeno vysok´ych hodnot[33], konkr´etnˇe ˇslo o mˇeˇren´ı CO2 v loˇznic´ıch pˇres noc (21:00-7:00) a to jak bˇehem zimn´ıho, tak tak´e letn´ıho obdob´ı. Studie, kter´a zahrnovala 79 dom´acnost´ı ukazuje, ˇze v 66 % pˇr´ıpad˚u dos´ahla pˇres noc koncentrace CO₂ v´ıce neˇz 1000 ppm. Pˇri tzv. 20 minutov´em pr˚umˇeru se uk´azalo, ˇze v 46 % dom´acnost´ı bylo dosaˇzeno v´ıc jak 2000 ppm, v 24 % nad 3000 ppm a dokonce v 10 % nad 4000 ppm. Ve studii je tak´e uvedeno, ˇze vyˇsˇs´ıch koncentrac´ı CO₂ bylo dosaˇzeno v prostor´ach, kde spaly dˇeti.

2 Mˇ eˇ ren´ı CO

ve vnitˇ rn´ıch prostor´ ach

Souˇc´ast´ı t´eto pr´ace jsou vlastn´ı mˇeˇren´ı koncentrace CO2 ve vnitˇrn´ıch prostor´ach. Tato mˇeˇren´ı lze rozdˇelit do dvou skupin, kde prvn´ı skupinu tvoˇr´ı mˇeˇren´ı bˇehem v´yuky a tu druhou mˇeˇren´ı v kancel´aˇr´ıch. Mˇeˇren´ı byla prov´adˇena pr˚ubˇeˇznˇe bˇehem cel´eho roku, s t´ım ˇze pro vyhodnocen´ı se rozdˇelila podle toho, v jak´em semestru prob´ıhala. Bˇehem mˇeˇren´ı koncentrace CO2 byl senzor vˇzdy um´ıstˇen v oblasti bl´ızko nˇejak´e osoby, ale v dostateˇcn´e vzd´alenosti, aby nedoch´azelo ke zkreslen´ı ´udaj˚u z d˚usledku pˇr´ım´e expozice vy- dechovan´ym vzduchem. Byl proveden i test, pˇri kter´em bylo v m´ıstnosti um´ıstˇeno senzor˚u v´ıce. V´ysledkem testu bylo, ˇze pr˚umˇern´e hodnoty CO2 se prakticky shodovaly. Jedin´y rozd´ıl byl v pˇr´ıpadˇe, kdy se jeden ze senzor˚u nach´azel v bl´ızkosti otevˇren´eho okna nebo dveˇr´ı.

Pro mˇeˇren´ı byl vyuˇzit NDIR (Non-Dispersive InfraRed) senzor COZIR od firmy Gas Sensing Solutions. Parametry tohoto senzoru jsou uvedeny v tabulce 2. Ukl´ad´an´ı hodnot koncentrace CO₂ bylo ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚u nastaveno po 5 sekund´ach. O z´aznam se staral poˇc´ıtaˇc Raspberry Pi doplnˇen´y dotykov´ym displejem pro snadnˇejˇs´ı ovl´ad´an´ı. Zaˇr´ızen´ı je na obr. 2. Pˇr´ıstroj byl tak´e doplnˇen o extern´ı baterii a bylo moˇzn´e jej um´ıstˇen nez´avisle na elektrick´e z´asuvce.

Obr´azek 2: Raspberry Pi v ´upravˇe pro mˇeˇren´ı CO₂ v m´ıstnosti.

Tabulka 2: Parametry senzoru pro mˇeˇren´ı koncentrace CO2

Typ senzoru COZIR Wide Range CO2

V´yrobce Gas Sensing Solutions

Zp˚usob mˇeˇren´ı koncentrace CO₂ NDIR

Rozsah mˇeˇren´ı 0-50 000 ppm

Warm-up time < 10 s

Podm´ınky mˇeˇren´ı teplota 0-50 ^◦C Podm´ınky mˇeˇren´ı vlhkost 0-95 % Podm´ınky mˇeˇren´ı tlak 0,95 - 10 bar

Pˇresnost ±70 ppm +/- 5 % z ˇcten´ı

Frekvence 2 Hz

Nap´ajen´ı 3,2 - 5V

Spotˇreba energie 3,5 mW

2.1 V´ysledky z mˇeˇren´ı CO2 ve vnitˇrn´ıch prostor´ach

Jedno z mˇeˇren´ı, kter´e se t´ykalo mˇeˇren´ı CO2 v kancel´aˇri, je zobrazeno na obr´azku 3. Bˇehem tohoto mˇeˇren´ı se v kancel´aˇri stˇr´ıdalo nˇekolik osob. V prvn´ıch dvou hodin´ach se v kancel´aˇri nach´azely 2 osoby a za 75 minut doˇslo ke zv´yˇsen´ı koncentrace CO₂ o 1000 ppm. N´aslednˇe bylo otevˇreno okno do reˇzimu vˇetr´an´ı. V ˇcase 2 hodiny od zaˇc´atku mˇeˇren´ı se v m´ıstnosti vyskytovala tˇret´ı osoba a okno bylo zavˇreno, zde doˇslo bˇehem jedn´e hodiny k n´ar˚ustu o 1500 ppm. Po t´eto ˇc´asti bylo opˇet okno otevˇreno do reˇzimu vˇetr´an´ı a po dobu 30 minut se v m´ıstnosti nikdo nenach´azel. Po t´eto pauze bylo okno opˇet uzavˇreno a po dobu 2 hodin se v m´ıstnosti nach´azely 2 osoby. N´aslednˇe doˇslo k otevˇren´ı okna do reˇzimu vˇetr´an´ı a v m´ıstnosti se jiˇz nach´azela pouze jedna osoba. Koncentrace CO₂ do 1000 ppm byla pouze 12 % celkov´eho ˇcasu, v rozmez´ı 1000-2000 ppm byla 63 % celkov´eho ˇcasu a 25 % ˇcasu byla koncentrace CO2 vyˇsˇs´ı neˇz 2000 ppm.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 1 2 3 4 5 6 7

Koncentrace CO2 (ppm)

Cas (hod)

Obr´azek 3: Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ v kancel´aˇri bˇehem jednoho dne.

Na obr´azku 4 je zobrazen pr˚ubˇeh koncentrace v kancel´aˇri bˇehem nˇekolika dn´ı. Jsou zde barevnˇe oznaˇceny ˇcasov´e ´useky ve kter´ych doˇslo k pˇrekroˇcen´ı limitn´ıch hodnot koncentrace.

Zelenˇe jsou zobrazeny ´useky, kdy byla koncentrace niˇzˇs´ı neˇz 1000 ppm, oranˇzovˇe jsou zobrazeny ´useky s koncentrac´ı niˇzˇs´ı neˇz 2000 ppm a ˇcervenˇe je ´usek s koncentrac´ı vyˇsˇs´ı neˇz 2000 ppm. Procentu´alnˇe vych´az´ı 54 % ˇcasu , kdy byla koncentrace do 1000 ppm, 38 % ˇcasu v rozmez´ı 1000-2000 ppm a 6 % ˇcasu nad 2000 ppm. Ovˇsem kdyˇz se data zredukuj´ı pouze na ´useky, kdy se zamˇestnanci nach´azeli v kancel´aˇri, tak dojde k naprosto jin´emu rozdˇelen´ı. V prvn´ı oblasti do 1000 ppm vych´az´ı 48,5 %, 37 % ˇcasu je koncentrace CO₂ rozmez´ı 1000-2000 ppm a 13,5 % je koncentrace CO2 vyˇsˇs´ı neˇz 2000 ppm.

0 500 1000 1500 2000 2500

0 10 20 30 40 50 60

Koncentrace CO2 (ppm)

Cas (hod)

Obr´azek 4: Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ v kancel´aˇri bˇehem 3 po sobˇe n´asleduj´ıc´ıch dn˚u.

Bˇehem st´aˇze, kterou jsem absolvoval na TU-Dresden jsem mˇel moˇznost pokraˇcovat v mˇeˇren´ıch v kancel´aˇr´ıch. Na obr´azku 5 je zobrazen pr˚ubˇeh ze 14 denn´ıho mˇeˇren´ı, kter´e prob´ıhalo v ˇr´ıjnu. D˚uvod, proˇc zde toto mˇeˇren´ı zmiˇnuji je jev, ke kter´emu doˇslo bˇehem mˇeˇren´ı. Z grafu je moˇznost vidˇet, jak postupnˇe doch´azelo k n´ar˚ustu koncentrace CO₂ na zaˇc´atku pracovn´ı doby (zaˇc´atkem pracovn´ı doby je m´ısto, kde doch´az´ı ke zv´yˇsen´ı konce- trace CO2). Tento jev m´a jednoduch´e vysvˇetlen´ı a to nedostateˇcn´e vyvˇetr´an´ı m´ıstnosti po skonˇcen´ı pracovn´ı doby.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 50 100 150 200 250 300 350

Koncentrace CO2 (ppm)

Cas (hod)

Obr´azek 5: Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 v kancel´aˇri na TU-Dresden bˇehem 14 po sobˇe n´asleduj´ıc´ıch dn˚u.

D´ale bylo provedeno nˇekolik kr´atk´ych mˇeˇren´ıch, kdy d´elka mˇeˇren´ı odpov´ıdala jedn´e, pˇr´ıpadnˇe dvˇema vyuˇcovac´ım blok˚um. Tato mˇeˇren´ı byla prov´adˇena v nˇekolika uˇcebn´ach.

Pˇr´ıklad z mˇeˇren´ı bˇehem jednoho vyuˇcovac´ıho bloku je zobrazen na obr´azku 6. Bˇehem v´yuky bylo v uˇcebnˇe 27 lid´ı a v´yuka prob´ıhala v zimn´ım semestru. Zde byla koncentrace CO₂ do 1000 ppm pouze 3 % ˇcasu, 37 % ˇcasu byla hodnota v rozmez´ı 1000-2000 ppm a 60 % ˇcasu byla koncentrace CO₂ vyˇsˇs´ı neˇz 2000 ppm.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Koncentrace CO2 (ppm)

Cas (hod)

Obr´azek 6: Pr˚ubˇeh koncentrace CO2 ve v´yuce.

Zaj´ımav´e jsou i ´udaje z mˇeˇren´ı dvou po sobˇe jdouc´ıch vyuˇcovac´ıch blok˚u. Ty jsou zobrazeny na obr´azku 7. Bˇehem mˇeˇren´ı byla otevˇrena okna do reˇzimu vˇetr´an´ı a dveˇre do m´ıstnosti byly zavˇreny. Zde se v prvn´ım bloku nach´azelo 25 lid´ı a ve druh´em bloku se nach´azelo 15 lid´ı. Pˇri tomto mˇeˇren´ı doˇslo ke zvl´aˇstn´ı situaci, kde v prvn´ı ˇc´asti doˇslo k n´ar˚ustu koncentrace CO₂ na hodnotu kolem 2000 ppm a n´aslednˇe k mal´emu poklesu a v´ıcem´enˇe ke stabilizaci koncentrace CO2 uvnitˇr. Zvl´aˇstn´ı je na tom faktu pˇredevˇs´ım to, ˇze bˇehem tohoto bloku nedoˇslo k ˇz´adn´e zmˇenˇe podm´ınek, nebylo nijak manipulov´ano s okny ani s dveˇrmi. V druh´em bloku doˇslo k prakticky norm´aln´ımu pr˚ubˇehu koncentrace CO2, pouze se postupnˇe sniˇzuj´ıc´ım pˇr´ır˚ustkem CO2. Procentu´alnˇe pro cel´e mˇeˇren´ı vych´az´ı pouze 9 % v oblasti do 1000 ppm, 81 % v rozmez´ı 1000-2000 ppm a 10 % v oblasti s koncentrac´ı CO₂ vyˇsˇs´ı neˇz 2000 ppm. Oproti pˇredchoz´ım ˇcasov´ym pr˚ubˇeh˚um je zde vidˇet vˇetˇs´ı kol´ıs´an´ı hodnot, to bylo zp˚usobeno nastaven´ım filtrov´an´ı, kde m´ısto 16 hodnot, zde byly vyuˇzity k filtrov´an´ı pouze 4 hodnoty.

0 500 1000 1500 2000 2500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Koncentrace CO2 (ppm)

Cas (hod)

Obr´azek 7: Pr˚ubˇeh koncentrace CO₂ ve v´yuce bˇehem dvou vyuˇcovac´ıch blok˚u.

Zobrazen´e v´ysledky z mˇeˇren´ı ve v´yuce se t´ykaly vˇzdy jedn´e m´ıstnosti. Objem m´ıstnosti ve v´ysledku nemˇel takov´y vliv na pr˚ubˇeh koncentrace CO₂, jak´y jsem p˚uvodnˇe oˇcek´aval.

Mnohem vˇetˇs´ı vliv na mˇeˇren´e hodnoty mˇel lidsk´y faktor a to jak z pohledu vyuˇcuj´ıc´ıho, tak z pohledu samotn´ych student˚u. Toto se zejm´ena projevovalo bˇehem zimn´ıho semestru, kdy byla m´ıstnost pˇred zaˇc´atkem v´yuky zˇr´ıdkakdy vyvˇetr´ana.

Celkovˇe bylo provedeno v´ıce jak 2000 hodin mˇeˇren´ı v kancel´aˇr´ıch a pˇribliˇznˇe 200 hodin mˇeˇren´ı ve v´yuce. Souhrnn´a statistika z mˇeˇren´ı je v obr´azku 3. Pr˚umˇern´a hod- nota byla vypoˇctena tak, ˇze pro jednotliv´e mˇeˇren´ı byl vypoˇcten pr˚umˇer a n´aslednˇe byly zpr˚umˇerov´any jednotliv´e pr˚umˇery. Toto bylo provedeno z d˚uvodu r˚uzn´ych d´elek trv´an´ı jed- notliv´ych mˇeˇren´ı. T´ımto zp˚usobem tak mˇely jednotliv´e z´aznamy stejnou v´ahu a nedoˇslo tak k ovlivnˇen´ı v´ysledn´e hodnoty kv˚uli dlouh´ym z´aznam˚um jednotliv´ych mˇeˇren´ı. V tˇret´ı ˇr´adku tabulky je uvedena hodnota 20 minutov´eho pr˚umˇeru koncentrace CO2. Ta se vypoˇcte z mˇeˇren´ı tak, ˇze vˇzdy pro 20 minutov´y interval je vypoˇctena pr˚umˇern´a hodnota a n´aslednˇe je br´ana pr´avˇe maxim´aln´ı hodnota z dan´eho mˇeˇren´ı. Hodnoty v tˇret´ı ˇr´adku jsou tedy zpr˚umˇerovan´e vˇsechny maxim´aln´ı 20ti minutov´e pr˚umˇery z jednotliv´ych mˇeˇren´ı. V ˇr´adce

4 je pak uvedena pouze maxim´aln´ı hodnota 20 minutov´eho pr˚umˇeru, kter´y byl namˇeˇren.

V posledn´ım ˇr´adku tabulky je pak maxim´aln´ı hodnota, kter´a byla bˇehem vˇsech mˇeˇren´ı namˇeˇrena.

Tabulka 3: Souhrnn´e v´ysledky z mˇeˇren´ı koncentrace CO2 ve vnitˇrn´ıch prostor´ach.

kancel´aˇr zima

kancel´aˇr l´eto

v´yuka zima v´yuka l´eto pr˚umˇern´a hodnota

koncentrace CO₂ (ppm)

1630 1300 1730 1240

maxim´aln´ı pr˚umˇern´a hodnota koncentrace CO₂ (ppm)

2580 1970 3247 2150

20 minutov´y pr˚umˇer koncentrace CO2 (ppm)

2230 1680 2630 1780

maxim´aln´ı 20 minutov´y pr˚umˇer koncentrace CO2

(ppm)

4650 3810 5320 3370

maxim´aln´ı hodnota CO₂ (ppm)

4980 4260 5730 3670

Pod´ıv´ame-li se bl´ıˇze na jednotliv´e hodnoty, m˚uˇzeme jasnˇe vidˇet, ˇze bˇehem zimn´ıho semestru byly obecnˇe namˇeˇreny vyˇsˇs´ı koncentrace CO2 neˇz v semestru letn´ım. D´ale pˇri pohledu na v´ysledky pr˚umˇern´ych hodnot se m˚uˇze zd´at, ˇze to s ´urovn´ı CO2ve vnitˇrn´ıch pro- stor´ach nen´ı tak hrozn´e. Mnohem v´ıce vypov´ıdaj´ıc´ı je ovˇsem ´udaj 20 minutov´ych pr˚umˇer˚u, kter´y v´ıce sdˇeluje o ´urovni CO2 v dan´e m´ıstnosti, zejm´ena pak pˇri mˇeˇren´ı bˇehem v´yuky.

3 Sniˇ zov´ an´ı CO

Metody sniˇzov´an´ı CO2 (zachyt´av´an´ı CO2) lze rozdˇelit do nˇekolika skupin. Prvn´ı moˇznost´ı je sn´ıˇzen´ı CO2 pomoc´ı absorpce [14]. Jedn´a se o proces, pˇri kter´em atomy, molekuly nebo ionty jedn´e l´atky vstupuj´ı do objemu druh´e l´atky (kapalina nebo pevn´a l´atka). Absorpce m˚uˇze b´yt jak fyzik´aln´ıho, tak chemick´eho charakteru. Pro zachyt´av´an´ı CO2 se napˇr´ıklad pouˇz´ıv´a hydroxid sodn´y (NaOH) [74], kter´y dok´aˇze zachytit 1,39 kg CO2 na 1 kg NaOH.

Tento materi´al m´a avˇsak nev´yhodu v tom, ˇze po zachycen´ı CO₂ se ned´a regenerovat.

Existuj´ı i dalˇs´ı l´atky, kter´e se vyuˇz´ıvaj´ı k absorpci CO2, jako tˇreba mono-ethanol-amin (MEA). Pr´avˇe MEA umoˇznuje opˇetovnou regeneraci, ale v porovn´an´ı s NaOH nem´a tak velkou absorpˇcn´ı kapacitu (1 kg CO₂ zachyt´ı 1,39 kg MEA). Aˇckoli se jedn´a o velmi pouˇz´ıvanou l´atku, tak m´a jednu v´yraznou negativn´ı vlastnost a to ˇze podporuje korozi materi´alu.

Dalˇs´ı metodou je membr´anov´a separace CO₂ [39] [40], kde je moment´alnˇe nejvˇetˇs´ı v´yzkum v oblasti polyimidov´ych membr´an. Existuj´ı ale i dalˇs´ı materi´aly jako poly-ether oxidy, uhl´ıkov´a molekul´arn´ı s´ıta atd. U membr´an je velice d˚uleˇzit´e, pro jak´e prostˇred´ı se budou pouˇz´ıvat. Jedn´a se zejm´ena o sloˇzen´ı smˇesi plyn˚u z kter´e budeme CO₂ zachycovat.

Obecnˇe by ale membr´ana mˇela disponovat vlastnosti jako vysok´a permeabilita CO₂, vy- sok´a selektivita CO2/N2, levn´a v´yroba, n´ızk´a cena, teplotn´ı a chemick´a stabilita a hlavnˇe odolnost proti st´arnut´ı.

Relativnˇe novou technologi´ı je kryogenn´ı separace CO₂ [59], kter´a se pouˇz´ıv´a zejm´ena pro odstranˇen´ı CO2 ze zemn´ıho plynu. Tato metoda nepotˇrebuje ˇz´adnou chemickou l´atku k procesu separace ale vyuˇz´ıv´a termofyzik´aln´ıch vlastnost´ı. CO₂ m´a teplotu sublimace pˇri atmosferick´em tlaku T_sub= −78, 5^◦C (CO₂ neexistuje pˇri atmosferick´em tlaku v kapaln´e formˇe) a metan (CH4) m´a Tsub= −182^◦C.

Posledn´ı metoda, kterou zde zm´ın´ım je zp˚usob sniˇzov´an´ı CO₂ pomoc´ı adsorpce [49].

Hodnˇe v´yzkumu t´ykaj´ıc´ı se adsorpce je v souˇcasn´e dobˇe pr´avˇe zamˇeˇreno na zachyt´av´an´ı CO2 ze spalin [50] [68] [43] [65]. V´yzkum v oblasti vyuˇzit´ı adsorpce pro zachyt´av´an´ı CO2

ve vnitˇrn´ım prostˇred´ı je sp´ıˇse okrajov´y a zab´yv´a se pˇredevˇs´ım testov´an´ım souˇcasn´ych materi´al˚u [36], [32]. V dohledn´e dobˇe asi nelze oˇcek´avat, ˇze by se situace zmˇenila, nebot’

prioritn´ı bude sn´ıˇzen´ı emis´ı CO2 ze spalin.

Pˇritom zachyt´av´an´ım CO₂ by se daly z´aroveˇn sn´ıˇzit energetick´e n´aroky na syst´em vˇetr´an´ı a vyt´apˇen´ı [32]. V´ysledky ze studi´ı ukazuj´ı, ˇze pomoc´ı adsorpce by se dalo uˇsetˇrit 30-60 % energie na syst´emu vyt´apˇen´ı a vˇetr´an´ı. Je nutn´e ovˇsem podotknout, ˇze tato moˇznost je st´ale ve f´azi v´yvoje a je potˇreba tuto metodu provˇeˇrit pro ˇsirok´e spektrum podm´ınek. Nicm´enˇe se jedn´a o jeden z moˇzn´ych smˇer˚u sn´ıˇzen´ı energetick´e n´aroˇcnosti budov a pr´avˇe adsorpc´ı, se budu v t´eto pr´aci d´ale vˇenovat.

V´yborn´y pˇrehled o zp˚usobech zachyt´av´an´ı CO2 je v knize od autor˚u Metze a spol [44].

Tato kniha mi velice pomohla ze zorientovat v oblasti zp˚usob˚u separace CO₂ a z´ajemc˚um o tuto problematiku ji vˇrele doporuˇcuji.

4 Adsorpce

Pojmem adsorpce naz´yv´ame dˇej, pˇri kter´em doch´az´ı k zachyt´av´an´ı jedn´e l´atky na povrchu druh´e l´atky. Obr´acen´y proces, tedy dˇej pˇri kter´em doch´az´ı k uvolˇnov´an´ı jedn´e l´atky z povrchu druh´e, je naz´yv´an desorpce. Pˇri fyzik´aln´ı adsorpci (fyzisorpce) se jedn´a o ulp´ıv´an´ı molekul plynu (adsorb´atu) na povrchu pevn´e l´atky (adsorbentu) z d˚usledku pˇritaˇzliv´ych Van der Waalsov´ych sil. Tento druh adsorpce umoˇzˇnuje ulp´ıv´an´ı adsorb´atu na povrchu adsorbentu i ve v´ıce vrstv´ach.

Chemick´a adsorpce (chemisorpce) je na rozd´ıl od fyzik´aln´ı adsorpce zprostˇredkov´ana siln´ymi vazbami. Pˇr´ıkladem chemick´e adsorpce je adsorpce vod´ıku na povrchu platinov´ych kov˚u. Pˇri t´eto adsorpci doch´az´ı k ulp´ıv´an´ı adsorb´atu na adsorbentu pouze v jedn´e vrstvˇe.

Zjednoduˇsen´y popis adsorpce a desorpce je na obr´azku 8.

Obr´azek 8: Adsorpce a desorpce na adsorbentu.

4.1 Adsorpˇcn´ı rovnov´aha

Adsorpˇcn´ı rovnov´aha se d´a popsat pomoc´ı Helmholtzovy energie F [61].

dF = −SdT − pdV +

N

X

i=1

µ_idn_i (1)

kde ni je poˇcet mol˚u sloˇzky i, p je tlak, S je entropie, T je teplota, V je objem, µi je chemick´y potenci´al sloˇzky i. N znaˇc´ı celkov´y poˇcet sloˇzek v syst´emu.

Zaveden´ım nov´e promˇenn´e naz´yvan´e povrchov´y tlak (v zahraniˇcn´ı literatuˇre oznaˇcov´an jako ”spreading pressure”), kter´y znaˇc´ı rozd´ıl mezi povrchov´ym napˇet´ım ˇcist´eho povrchu a povrchov´ym napˇet´ım povrchu pokryt´eho adsorb´atem [56]. Tento tlak je definov´an jako:

π = − ∂U

∂A



S,V,n

, (2)

kde A je povrch a U je vnitˇrn´ı energie. Pro lepˇs´ı pˇredstavu je n´ıˇze uveden definiˇcn´ı vztah pro tlak:

p = − ∂U

∂V



S,n

. (3)

Nahrazen´ım tlaku za povrchov´y tlak dostaneme

dF = −SdT − πdA +

N

X

i=1

µ_idn_i. (4)

Po integraci pˇri konstantn´ım π, T a µ je Helmholtzova energie

F = −πA +

N

X

i=1

µ_in_i. (5)

Diferencov´an´ım z´ısk´ame

dF = −πdA − dπA +

N

X

i=1

µidni+

N

X

i=1

nidµi. (6)

Z v´yˇse uveden´e rovnice lze z´ıskat Gibbsovu rovnici dosazen´ım za dF

−Adπ + SdT +

N

X

i=1

nidµi. (7)

Pro rovnov´ahu za izotermn´ıch podm´ınek dostaneme rovnici, kter´a spojuje chemick´y potenci´al a povrchov´y tlak:

−Adπ +

N

X

i=1

nidµi = 0. (8)

4.2 Adsorpˇcn´ı teplo

Jde o teplo uvolnˇen´e bˇehem procesu adsorpce. Toto teplo je kladn´e a jedn´a se tedy exo- termn´ı proces. Pˇri zvyˇsuj´ıc´ı se teplotˇe adsorbentu (pˇri konstantn´ım tlaku) doch´az´ı k po- klesu mnoˇzstv´ı adsorbovan´e l´atky v adsorbentu.

Adsorpˇcn´ı tepla mohou b´yt diferenci´aln´ı, pˇr´ıpadnˇe integr´aln´ı [4]. Diferenci´aln´ı ad- sorpˇcn´ı teplo je teplo uvolnˇen´e pˇri adsorpci jednoho molu adsorb´atu v takov´em mnoˇzstv´ı adsorbentu, kde adsorbovan´e mnoˇzstv´ı vztaˇzen´e na jednotkovou hmotnost adsorbentu (q) je t´emˇeˇr konstantn´ı. Diferenci´aln´ı teplo kles´a s rostouc´ım adsorbovan´ym mnoˇzstv´ım, kde pro fyzik´aln´ı adsorpci pˇribliˇznˇe odpov´ıd´a kondenzaˇcn´ımu teplu adsorbovan´e l´atky. Dife- renci´aln´ı teplo z´avis´ı na stupni obsazen´ı povrchu. V souvislosti s obsazenost´ı povrchu jsou zavedeny dvˇe hodnoty adsorpˇcn´ıch tepel a to prvn´ı diferenci´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo a posledn´ı diferenci´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo. V pˇr´ıpadˇe prvn´ıho jde o mnoˇzstv´ı tepla, kter´e se uvoln´ı pˇri

adsorpci na ˇcist´em povrchu. V pˇr´ıpadˇe posledn´ıho jde o teplo teplo uvolnˇen´e na t´emˇeˇr obsazen´em povrchu. Diferenci´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo se vypoˇc´ıt´a z n´asleduj´ıc´ıho vztahu

 ∂ ln p

∂T



q

= −qa(q)

RT², (9)

kde p je tlak, q je naadsorbovan´e mnoˇzstv´ı l´atky v adsorbentu, qaje diferenci´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo, R je univerz´aln´ı plynov´a konstanta, T je teplota. Po integraci dostaneme vztah

q_a= R

 T₂T₁ T2− T₁

 lnp₁

p2

. (10)

Integr´aln´ı adsorpˇcn´ı teplo je teplo uvolnˇen´e pˇri adsorpci 1 molu adsorb´atu na mnoˇzstv´ı ˇcist´eho adsorbentu, kde je adsorbovan´e mnoˇzstv´ı rovno q. Toto teplo se stanovuje expe- riment´alnˇe pˇri izotermn´ıch pˇr´ıpadnˇe adiabatick´ych podm´ınk´ach. Mezi diferenci´aln´ım a integr´aln´ım adsorpˇcn´ım teplem plat´ı vztah

Q_teplo(q) = 1 q

Z a 0

qa(q)dq. (11)

4.3 Adsorpˇcn´ı izotermy

Existuje mnoho zp˚usob˚u v´ypoˇctu parametr˚u adsorpce. Nejˇcastˇeji jsou mˇeˇreny adsorpˇcn´ı izotermy, neboli z´avislost adsorbovan´eho mnoˇzstv´ı na tlaku pˇri konstantn´ı teplotˇe. D´ale se mˇeˇr´ı tak´e adsorpˇcn´ı izobary, neboli z´avislost adsorbovan´eho mnoˇzstv´ı na teplotˇe pˇri konstantn´ım tlaku. Z experiment˚u vyplynulo nˇekolik z´akladn´ıch typ˚u adsorpˇcn´ıch izoterm.

Na obr´azku 9 je zobrazena z´akladn´ı klasifikace podle IUPAC z roku 1985. V nˇekter´ych literatur´ach b´yv´a klasifikace rozˇs´ıˇrena na 9 izoterm a to rozdˇelen´ım I, II a IV na 2 varianty [55].

Obr´azek 9: Klasifikace adsorpˇcn´ıch izoterm [2].

N´ıˇze jsou uvedeny nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´e izotermy v oblasti, kterou jsem se zab´yval.

Kaˇzd´a z tˇechto izoterm se hod´ı pro popis jin´eho druhu adsorbentu. Nelze tedy ˇr´ıci, ˇze

by existovala jedna obecn´a adsorpˇcn´ı izoterma, ale je potˇreba pro kaˇzd´y materi´al naj´ıt vhodnou adsorpˇcn´ı izotermu na z´akladˇe dat z´ıskan´ych z experimentu. Rovnice adsorpˇcn´ıch izoterm jsou ve sv´e podstatˇe stavov´e rovnice.

4.3.1 Langmuirova izoterma

Tato izoterma popisuje jednovrstvou adsorpci, hod´ı se tedy sp´ıˇse pro popis chemick´e ad- sorpce. Pˇredpokladem je, ˇze adsorbovan´e molekuly se vz´ajemnˇe neovlivˇnuj´ı a pravdˇepodobnost adsorpce je stejn´a na vˇsech m´ıstech povrchu. V oblasti n´ızk´ych tlak˚u je izoterma prak- ticky line´arn´ı a v oblasti vysok´ych tlak˚u se bl´ıˇz´ı limitn´ı hodnotˇe. Jde o jednu z nejstarˇs´ıch pouˇz´ıvan´ych izoterm.

q^∗= q_max Kp

1 + Kp, (12)

kde K se vypoˇcte pomoc´ı

K = K0exp T₀ T



, (13)

konstanta K0 je pak urˇcena z experimentu.

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

q* (kmol/kg)

p (bar)

q_max=5 q_max=4 q_max=3

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

q* (kmol/kg)

p (bar)

K=5 K=4 K=3

Obr´azek 10: Langmuirova izoterma, vlevo z´avislost na maxim´aln´ı adsopˇcn´ı kapacitˇe a vpravo z´avislost na konstantˇe K.

4.3.2 T´othova izoterma

Jedn´a se o rozˇs´ıˇren´ı Langmuirovy izotermy. Vyuˇzit´ı najde zejm´ena pro v´ıce vrstvou ad- sorpci a heterogenn´ı syst´emy.

q^∗ = q_max Kp

(1 + (Kp)ⁿ)^1/n. (14)

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

q* (kmol/kg)

p (bar) n=1.0 n=1.2 n=1.4

Obr´azek 11: T´othova izoterma.

4.3.3 Henryho izoterma

Jde o nejjednoduˇsˇs´ı izotermu, kter´a je d´ana line´arn´ı z´avislost´ı. Tento typ izotermy je platn´y pouze pro n´ızk´e tlaky.

q^∗ = Kep, (15)

kde Ke je Henryho konstanta.

0 1 2 3 4 5 6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

q* (kmol/kg)

p (bar) K_e=5 K_e=4 K_e=3

Obr´azek 12: Henryho izoterma.

4.3.4 Freundlichova izoterma

Tato izoterma je d´ana empirick´ym rozˇs´ıˇren´ım Henryho adsorpce. Na rozd´ıl od Langmui- rovy izotermy nen´ı v oblasti n´ızk´ych tlak˚u line´arn´ı a v oblasti vysok´ych tlak˚u se nebl´ıˇz´ı limitn´ı hodnotˇe. Byla pouˇzita napˇr´ıklad pro adsorpce vodn´ych roztok˚u na kokosov´em pra- chu modifikovan´em pryskyˇric´ı [7].Kde n_F je Freundlich˚uv parametr 0<n_F<1.

q^∗ = Kep^nF. (16)

0 2 4 6 8 10

0 0.5 1 1.5 2

q* (kmol/kg)

p (bar) n_F=1.0 n_F=0.8 n_F=0.6

Obr´azek 13: Freundlichova izoterma.

4.3.5 Freundlichova-Langmuirova izoterma

Izoterma, kter´a vznikla empirick´ym rozˇs´ıˇren´ım Langmuirovy izotermy.

q^∗= qmax

Kp^nF

1 + Kp^nF. (17)

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

q* (kmol/kg)

p (bar) n_F=1.0 n_F=0.8 n_F=0.6

Obr´azek 14: Freundlichova-Langmuirova izoterma.

4.3.6 Dubinin-Astakhova izoterma

Jde o izotermu, kter´a je nejˇcasteji spojov´ana s popisem adsorpˇcn´ı rovnov´ahy pro aktivn´ı uhl´ı[8].

q^∗ = q_maxexp



− RT

E ln p_s p

n

, (18)

q_max je maxim´aln´ı hodnota adsorpce na saturaˇcn´ım tlaku, E aktivaˇcn´ı energie E = 25M J/kmol, R univerz´aln´ı plynov´a konstanta R = 8314J/kmolK, T teplota, pssaturaˇcn´ı tlak, p tlak, n Astakhov exponent n = 1.5.

0 1 2 3 4 5 6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

q* (kmol/kg)

p/p_s

q_max=5 q_max=4 q_max=3

0 1 2 3 4 5 6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

q* (kmol/kg)

p/p_s

RT/E=0.1 RT/E=0.2 RT/E=0.3

Obr´azek 15: Pr˚ubˇehy Dubinin-Astakhov adsorpˇcn´ıch izoterm, vlevo z´avislost na qmax, vpravo z´avislost na pomˇeru RT /E.

4.3.7 BET izoterma

Tato izoterma dostala sv˚uj n´azev podle autor˚u Brunauera, Emmeta a Tellera. Jde v pod- statˇe o rozˇs´ıˇren´ı Langmuirovy izotermy na v´ıcevrstvou adsorpci. Tato izoterma b´yv´a ˇcasto doporuˇcov´ana pro pˇr´ıpady, kdy je potˇreba stanovit specifick´y povrch adsorbentu. Vˇetˇsina komerˇcn´ıch analyz´ator˚u pro mˇeˇren´ı adsorpce vyhodnocuje data pomoc´ı t´eto izotermy.

q^∗ = qmax

C_p^p

s

 1 −_p^p

s

 h

1 + (C − 1)

p ps

i . (19)

Konstanta C je d´ana vztahem

C = exp



−q_a− q_k RT



, (20)

kde qa je adsorpˇcn´ı teplo a qk je kondenzaˇcn´ı teplo. Tvar izotermy z´avis´ı na velikosti tepel. V pˇr´ıpadˇe ˇze |q_a| > |q_k| vyjde konstanta C > 1. Pokud je |q_a| < |q_k| je konstanta C < 1. Obr´azek 16 pak ukazuje rozd´ıl tvaru BET izoterm.

0 5 10 15 20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

q* (kmol/kg)

p (bar) C=2 C=5 C=50

0 5 10 15 20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

q* (kmol/kg)

p (bar) C=0.9 C=0.7 C=0.5

Obr´azek 16: Pr˚ubˇehy BET adsorpˇcn´ıch izoterm, vlevo C>1, vpravo C<1.

4.4 Kinetika adsorpce

Pro kinetick´y popis b´yv´a nejˇcastˇeji pouˇz´ıv´an model Linear Driving Force (LDF)[20]. Kde jeho pouˇzitelnost pro numerickou simulaci adsorpce byla nˇekolikr´at ovˇeˇrena [60][25] a i pˇres svoji jednoduchost je dosaˇzeno velice dobr´e shody s experimentem.

∂q

∂t = k(q^∗− q), (21)

kde k je koeficient pˇrenosu hmoty pˇri adsorpci. Dalˇs´ı model, kter´y lze pouˇz´ıt pro popis kinetiky adsorpce vych´az´ı z difuze. Tok hmoty pˇri adsorpci je pak vyj´adˇren ve formˇe

J_k = −L_kq_k∂µ_k

∂x_i, (22)

kde L_k je koeficient difuze. Dosazen´ım za chemick´y potenci´al z´ısk´ame upraven´y tvar rov- nice

J_k = −L_kRT q_k∂ ln p_k

∂x_i , (23)

kde R je univerz´aln´ı plynov´a konstanta, T je teplota p_k je tlak

4.5 Adsorbenty

Materi´al, na kter´em doch´az´ı k ulp´ıv´an´ı (zachycen´ı) dalˇs´ı l´atky (kapaliny ˇci plynu) se naz´yv´a adsorbent. Adsorbenty lze jednoduˇse popsat jako materi´aly s velk´ym specifick´ym povr- chem. Tˇreba aktivn´ı uhl´ı m´a specifick´y povrch v´ıce jak 1000 m² na 1 gram materi´alu.

Modifikac´ı v´yrobn´ıho procesu lze doc´ılit poˇzadovan´ych adsorpˇcn´ıch vlastnost´ı a lze tedy vytvoˇrit z jednoho materi´alu v´ıce druh˚u adsorbent˚u [49]. To je velice v´yhodn´e pro v´yrobn´ı proces z pohledu jednotn´e vstupn´ı suroviny pro tvorbu adsorbent˚u.

Za jeden z nejuniverz´alnˇejˇs´ıch adsorbent˚u lze povaˇzovat aktivn´ı uhl´ı. To b´yv´a vyr´abˇeno v nˇekolika podob´ach (pr´aˇskov´e, granulovan´e, extrudovan´e, monolit). Nˇekolik prac´ı testo- valo aktivn´ı uhl´ı ve formˇe monolitu [68] [36], ale obecnˇe nebylo dosaˇzeno takov´ych para- metr˚u jako tˇreba pro pr´aˇskov´e nebo granulovan´e aktivn´ı uhl´ı. Dalˇs´ı typ aktivn´ımu uhl´ı jsou aktivovan´e uhl´ıkov´e textilie [47], kter´e napˇr´ıklad byly zkouˇseny zde na TUL na textiln´ı fakultˇe. Jednou z jejich nejvˇetˇs´ıch v´yhod jsou dobr´e mechanick´e vlastnosti. Pr´avˇe tˇreba monolit aktivn´ıho uhl´ı byl velmi kˇrehk´y a t´ım byla limitov´ana jeho pouˇzitelnost. Uhl´ıkov´e textilie jsou dobˇre tv´arn´e a lze je snadno vrstvit. Uk´azka aktivn´ıho uhl´ı je na obr´azku 17, kde vlevo jsou peletky a vpravo monolit aktivn´ıho uhl´ı. Monolit aktivn´ıho uhl´ı m´a oproti jin´ym form´am jednu velkou v´yhodu a to ˇze pro jeho zahˇr´ıv´an´ı se d´a vyuˇz´ıt Joulova jevu, d´ıky tomu, ˇze je monolit celistv´y. Tato v´yhoda je bl´ıˇze vysvˇetlena v podkapitole t´ykaj´ıc´ı se regenerace adsorpˇcn´ıch vlastnost´ı.

Obr´azek 17: Aktivn´ı uhl´ı ve formˇe a peletek a monolitu

Dalˇs´ım velmi ˇcasto pouˇz´ıvan´ym adsorbentem jsou zeolity [25]. Velice zaj´ımav´y je zp˚usob tvorby monolitu a to pomoc´ı 3D tisku [64]. Touto metodou byla sice sn´ıˇzena maxim´aln´ı adsorpˇcn´ı kapacita na 90 % oproti pr´aˇskov´emu zeolitu zato vˇsak umoˇzˇnuje tvorbu monolitu pˇr´ımo na m´ıru dan´e aplikaci. Bohuˇzel na rozd´ıl od aktivn´ıho uhl´ı maj´ı zeolity nev´yhodu v podobˇe degradace adsorpˇcn´ı kapacity s r˚ustem poˇctu cykl˚u [54]. Zeo- lity byly hojnˇe testov´any pro pouˇzit´ı pˇri zachyt´av´an´ı CO₂ ze spalin [43]. Uk´azka zeolitu je na obr´azku 18. Zeolit vyroben´y pomoc´ı technologie 3D tisku je zobrazen na obr´azku 19. Je pozoruhodn´e jak se technologie 3D tisku zaˇc´ın´a uplatˇnovat i v celku netradiˇcn´ıch odvˇetv´ıch a pr´avˇe aplikace t´eto technologie pˇri tvorbˇe adsorbent˚u vypad´a velice slibnˇe.

Obr´azek 18: Zeolit ve formˇe kuliˇcek a peletek

Obr´azek 19: Zeolit vyroben´y 3D tiskem [64]

Nejnovˇejˇs´ı a tak´e nejslibnˇejˇs´ı skupinou adsorbent˚u jsou kovov´e organick´e struktury (Metal Organic Framework - MOF) [53] [16] [42]. Ty jsou zat´ım ve f´azi testov´an´ı ad- sorpˇcn´ıch vlastnost´ı a jejich ˇsirˇs´ı nasazen´ı lze oˇcek´avat v pr˚ubˇehu nˇekolika let. Jedn´a se zejm´ena o pˇreveden´ı technologie v´yroby tˇechto materi´al˚u z laboratorn´ıho prostˇred´ı do pr˚umyslov´eho mˇeˇr´ıtka. V souˇcasn´e dobˇe je jejich v´yroba pˇr´ıliˇs n´akladn´a, a proto se pˇri v´yzkumu nov´ych struktur tak´e zohledˇnuje moˇznost masov´e v´yroby. Uk´azka sn´ımku ma- teri´alu z mikroskopu je na obr´azku 20 a krystalick´a struktura je na obr´azku 21.

Obr´azek 20: Sn´ımek adsorbentu MOF z mikroskopu [53]

Obr´azek 21: Struktura MOF [17]

Souhrnn´y pˇrehled o tˇrech jmenovan´ych skupin´ach adsorbent˚u je v tabulce 4.5. Pˇrehled z´akladn´ıch vlastnost´ı jednotliv´ych materi´al˚u je uveden v tabulce 5 pro aktivn´ı uhl´ı, v tabulce 6 pro zeolity a v tabulce 7 pro MOF. Tabulky byly pˇrevzaty z pˇrehledov´eho ˇcl´anku Ben-Mansoura a spol. [5].