Kakvoća zraka u prostoru – Utjecaj nanočestica

Doc. dr. Maja Remškar je voditeljica Laboratorija za sintezu anorganskih nanočestica na Odsjeku za čvrste tvari Instituta Jožef Stefan. Nanotehnologijom se bavi već više od deset godina. U svome se radu posvećuje i istraživanjima toksičnosti nanomaterijala te uspostavljanju mjera za siguran rad s njima. U lipnju 2009. godine primila je Preglovu nagradu za svoja iznimna postignuća. Razgovarali smo s njom o nanočesticama i njihovom utjecaju na kakvoću zraka u prostoru. 

k30-56-s12-300.jpgŠto su nanočestice i kakva su njihova svojstva?
Nanočestica je djelić koji je manji od sto nanometara (jedan nanometar je milijarditi dio metra) u tri dimenzije. To je poput sićušnog zrna riže, malešna kuglica, a može biti i nit, koja je u jednoj dimenziji dugačka, dok je u presjeku manja od sto nanometara. Nanočestice su i vrlo tanke ljuskice koje imaju velike površine, ali im je debljina manja od sto nanometara. Graničnu veličinu od 100 nanometara odredili su stručnjaci s područja znanosti o materijalima te liječnici koji proučavaju prve učinke nanočestica na živu stanicu.
Nanočestice su sićušne, lebde u zraku, dosežu brzine i od više m/s i sudaraju se s molekulama zraka. Dospijevaju do svih kutaka nekog prostora koji im je na raspolaganju, a imaju i posebne fizikalne i kemijske osobine, kao što su takozvani kvantni učinci. Zato se ove čestice zadnjih godina i namjenski proizvode u okviru razvitka nanotehnologije.

Koje su nanočestice opasne i kako mogu utjecati na zdravlje?
Nema opasnih nanočestica. Njihova glavna osobina je prije svega ta, da su sićušne i lagane te mogu dugo vremena lebdjeti u zraku. Radi velikog broja atoma na površini koji nemaju sve susjedne atome, a stoga niti upotpunjene kemijske veze, nanočestice imaju povećanu kemijsku aktivnost. Naravno, važan je i kemijski sastav. Kadmij je, na primjer, otrovan materijal u svim dimenzijama, a neki spojevi postaju opasni i kada su im čestice vrlo sitne. Titan-dioksid nije opasan u većim dimenzijama, ali je zato u promjerima ispod dvije stotine nanometara snažan oksidant organskih molekula. Zlato, koje je u većim dimenzijama kemijski neaktivno, uz promjere od ca. deset nanometara postaje toliko reaktivno da ga se može koristiti kao katalizator.

k30-56-s34-300.jpgI zlato postaje kemijski aktivno ako su čestice manje od nekih deset nanometara.  Osim namjenski izrađenih nanočestica, moramo upozoriti i na nenamjenski proizvedene nanočestice, i to naročito u graditeljstvu; one nastaju kao nusproizvod u proizvodnom procesu odnosno prilikom rušenja objekata, betoniranja, brušenja, rezanja, mljevenja, lomljenja, zamjene pokrovnih slojeva (posebno azbestnih) te brušenja zidova zbog završne obrade. Kod svih ovih postupaka nastaju nanočestice koje završavaju u okolnom prostoru. Nanočestice dospijevaju u ljudsko tijelo kroz kožu te kroz probavni, a prije svega kroz dišni sustav. Na sva tri načina mogu dospjeti u krvotok, a sve više istraživanja pokazuje da krvotokom ili živčanim putovima mogu dospjeti i u mozak. Mogu opteretiti i oštetiti pluća te utječu na bolesti srca i krvožilnog sustava. Čestice od 70 nanometara prodiru u plućna krila, od 50 nanometara ulaze u stanice, dok one od 30 nanometara prodiru i u jezgre stanica. Zbog složenosti istraživanja, još uvijek nemamo podataka o putovanju čestica manjih od 20 nm. U zraku ih ima jako mnogo, pa i onih koje skraćuju naš životni vijek. Metalne nanočestice od čiste kovine u tijelu se djelomično rastapaju (čime uzrokuju dugotrajnije učinke laganog otrovanja), ali su zato oksidi metala u tijelu znatno manje topivi i samo se gomilaju. Usporedimo li ugljik iz dieselskih motora i onaj dobiven izgaranjem, iz tijela će nam se za četiri mjeseca (vrijeme prepolavljanja) izlučiti polovina, dok će nam oksidi metala, npr. azbesti – zauvijek ostati u tijelu.   U unutarnjim prostorima živimo najveći dio vremena. Otkud izviru nanočestice, kako utječu na kakvoću zraka koji udišemo? U unutarnjim prostorima postoji velika koncentracija nanočestica već i radi takozvane pozadine. Te čestice, koje su uvijek nazočne u zraku, prije svega su posljedica izgaranja i ispuha automobilskih motora, naročito onih dieselskih. Prirodno proizvedene nanočestice nastaju kao posljedica vulkanskih erupcija, erozija ili puščanog praha. I virusi su prirodno proizvedene nanočestice, premda je njihov udio u prostoru dosta manji od čestica nastalih zbog izgaranja. U jednom gradskom stanu ima od 10 tisuća do 40 tisuća nanočestica u cm3 zraka. Na selu je njihov broj dosta manji, premda ondje ima više bioloških nanočestica, dok u gradu prevladavaju one čestice koje izazivaju bilo promet (ispušni plinovi iz motora, habanje guma i zavornih pločica, katalizatori), bilo gorenje (izgaranje biomase i fosilnih goriva), odnosno one koje su posljedica industrijske proizvodnje. Nanočestice stižu u prostor i iz otvorenih kamina te inače vrlo omiljenih svijeća (u lokalima i kod kuće), jer oni oslobađaju vrlo velike količine nanočestica promjera 20–30 nm. Dokazano je da nanočestice ugljika skraćuju životni vijek te uzrokuju bolesti srca i krvožilnog sustava.

Kao što znamo, pušenje je toksično i kancerogeno; u cm3 izdahnutoga zraka pušača nalazi se 100 milijuna nanočestica. U zraku što ga pušač udiše nalaze se nanočestice pomiješane s većim česticama, koje se također talože u plućima i kemijski su manje aktivne, premda ih znatno više opterećuju prilikom taloženja. Toksično je i pasivno pušenje, jer je udio nanočestica u zraku koji se udiše – povećan. Na ovo su naročito osjetljiva djeca, jer – u prostoru, u kojemu je netko pušio, nanočestice ostaju i nakon što protekne i više tjedana.
Ipak, najveći zagađivači, prije svega u prometu, ostaju dieselski automobili, i to – osim automobila za osobnu uporabu – i sve druge vrste teretnih vozila na dieselski pogon. Naročito bi pored objekata kao što su bolnice za plućne bolesti, škole ili lječilišta parkirališta trebala biti odmaknuta i udaljena od glavnih zgrada u kojima se nalaze bolesnici. U Velikoj Britaniji su istraživanja na primjeru djece stare do pet godina – koje su roditelji doveli liječniku samo radi kašljanja i nisu imala znakova kakve druge bolesti -pokazala, da se zemljovid popisa dijelova grada u kojima su ta djeca živjela u cijelosti podudarao sa zemljovidom većih cesta u gradu.
Unutar prostora sve više se pojavljuju i nanočestice nanotehnološkog izvora. Imamo već dosta sredstava za čišćenje i dekorativnih premaza izrađenih na osnovi nanotehnologije koja koristimo posve nesvjesni toga, da njima u prostor unosimo nešto što nije nužno uvijek i  zdravo, a naročito ako time dolazi i do mehaničkih opterećenja. Prilikom čišćenja se već koriste kemikalije koje sadrže nanočestice, posebno one koje imaju antibakterijske učinke. Suvremeni premazi sadrže npr. nanočestice silicijevog oksida, oksida kositra, koje djeluju proturefleksivno. Ako s takvim premazom namaže pod, izveden od brušenog kamena, smanjit ćemo refleksiju tog poda, a boje kamena postat će lijepo vidljive i vrlo žive. Ponekad ovi premazi povećavaju i otpornost na oštećenja. Ipak, prilikom mehaničkog brušenja takvih podova, kao i tijekom stalne uporabe poda i hodanja po njemu dolazi do oslobađanja ovih čestica u zrak. Neki premazi, koji se npr. koriste u kupaonicama radi pojačavanja vodoodbojne funkcije – kako bi kapljice vode jednostavno kliznule niz pločice ili staklo – izrađeni su na osnovi nanotehnologije. Oni prikupljaju svu prljavštinu, ali ne ostavljaju na površini mrlje rastopljenih minerala. Tako na površinu keramike ili stakla zapravo nanosimo – tanak sloj nanočestica.

Gdje se sve u kući ili u radnom prostoru mogu naći nanočestice i kako se možemo zaštititi od njih?  
U domaćinstvima sada koristimo sredstva za pranje u kojima se umjesto fosfata nalaze zeoliti; to su kristali sa nanometarskim porama, koje je teško ukloniti iz tkanina. Prodaju se posteljine i prekrivači obrađeni nanosrebrom, to jest – sićušnim česticama srebra, koje doduše imaju antibakterijsku funkciju, ali su nažalost iznimno toksične. Prodiranje nanosrebra u ljudski organizam trebali bismo svakako spriječiti, premda trenutno na tom području ne postoje nikakvi propisi pa se prodaja odvija bez smetnji i u velikim količinama. Ono se koristi i kod športskih odjevnih predmeta te za impregnaciju unutarnjih uložaka za cipele, jer suzbija širenje bakterija i time uklanja neugodan miris.
Ako prašinu uklanjamo usisavačem koji nije opremljen HEPA (High Efficiency Particulate Air) pročistačima ili ako se oni nisu redovito mijenjali, dolazi do toga da već usisanu prašinu, zbijenu u gomilice, ponovno razdvajamo i iznova izbacujemo u zrak. Zato moraju biti pročišćeni i zrak koji prolazi kroz usisavač, kao i zrak koji rashlađuje motor. Može se preporučiti i mokro čišćenje, a s obzirom na uporabu kamina u prostorima možemo savjetovati da se kamini zatvaraju staklenim zaslonom, što će pripomoći poboljšanju kakvoće zraka u prostoriji.
Mnogi ljudi ne vole zavjese, naročito u svojim radnim prostorima, jer se na njima skuplja prašina. No, iako se ne skuplja na njima – ona svejedno ostaje u zraku, dok prašinu sa zavjesa lako uklanjamo pranjem.
U drugim boravišnim prostorima, na primjer – u javnim objektima, gdje se zrak pročišćava središnjim klimatizacijskim uređajima, moramo se pobrinuti za redovito mijenjanje pročistača. Na ovome ne smijemo štedjeti.
U radnom okružju naročito su izloženi djelatnici odnosno okolina u graditeljstvu, posebno ondje gdje dolazi do mljevenja, brušenja, rezanja, rušenja objekata, ukratko – do oslobađanja velikih količina prašine, jer ona sadrži i frakcije nanočestica. Zato bi radnici ovdje tijekom rada trebali koristiti maske. U unutarnjim prostorima bismo se morali pobrinuti za usisavanje svih oblika prašine iz radnog okruženja, za pročišćavanje zraka HEPA – pročistačima i njihovim redovitim mijenjanjem. Najmanje nanočestice ostaju u zraku i po više tjedana. Nadležne službe morale bi brinuti o zaštiti ljudi koji čiste prostore u kojima dolazi do gomilanja prašine. Često puta su osnovni materijali već impregnirani različitim nanočesticama, što nije poznato ljudima koji se bave čišćenjem prostorija.

Nanočestice kvarca često su nazočne u zraku prilikom izvedbe građevinskih radova, npr. miniranja, brušenja, rezanja, rušenja, itd.

Jedan od najvećih zagađivača radnog okoliša su gotovo sigurno – laserske tiskare. Njima su obično najviše ugrožene službe koje se bave stolnim izdavaštvom. Tu bi se trebalo pobrinuti za redovito usisavanje nanoprašine.
Osim prvomajskih krijesova i goleme uporabe svijeća za Dan svih svetih, prvoga studenog, veliki zagađivači okoliša su i vatrometi. Boje koje vidimo su prije svega metali, od kojih su neki sami po sebi toksični. Tako u zrak ispuštamo velike količine nanočestica metala, koji oksidiraju i istodobno se žare. Izvori zagađivanja su i namjenski izazivane eksplozije tijekom obavljanja vojnih vježbi ili u ratovima, kada se u zrak oslobađaju silne količine iznimno toksičnih nanočestica. One i ostaju u zraku još tjednima, mjesecima nakon toga, posebno u sušnijim predjelima Male Azije; kod nas imamo tu sreću, da takve opasne nanočestice iz okoline – ispire kiša.
Kiša je najbolji pročistač zraka. Zato bi i u unutarnjim prostorima, gdje bi moglo doći do ispuštanja čestica, bilo dobro kad bismo mogli namjestiti tuševe koji bi jednostavno isprali zrak.

Na što moramo pripaziti u graditeljstvu?
Trebamo paziti na uporabu materijala koji su nužni u radu, ali i na uporabu novih tehnoloških proizvoda. Svaki put moramo dobro odvagnuti pozitivne učinke i estetiku te cijenu koju moramo platiti za njihovo postizanje. Treba proučiti cjelokupan ‘životni ciklus’ nekog proizvoda – od toga, da će npr. određene vrste podova ili zidova za nekoliko godina trebati iznova brusiti, a tada se više nećemo prisjetiti kako je prilikom ugradnje bio korišten neki nanotehnološki proizvod, pa do toga da može doći i do nenadziranih rušenja odnosno do prirodnih nesreća,  kao što su npr. lani u Sloveniji nastale velike štete kada su ljudi stali naveliko sami uklanjati azbestne zidove, bez ikakve zaštite. Država nije bila spremna na takvu veliku nesreću i nadležne službe nisu izvele prikladne mjere za zaštitu ljudi. Posvuda gdje bi moglo doći do masivnog stvaranja i podizanja prašine – od eksplozija u kamenolomima do različitih rezanja, mljevenja, brušenja, prijevoza, itd. – potreban je oprez. Treba smanjivati količinu prašine u zraku te na neki način zaštititi ljude – radnike, čistače, a i neposrednu okolinu.

Kako prepoznajemo nanočestice, odnosno kako ih mjerimo?
Nanočestice ne možemo neposredno vidjeti, osim pomoću vrhunskih elektronskih mikroskopa. Zadnjih godina je jedina aparatura koja se koristi za to područje ona, koja se temelji na kondenzaciji vode odnosno druge tekućine na česticama. U detektorima nanočestica umjetno izazivamo kondenzaciju vode na nanočesticama. Oko njih izrasta veća kapljica, do promjera od nekoliko mikrona. To je već dimenzija koju se može izmjeriti. Ove se kapljice u zraku jednostavno prebroje, a svaka kapljica ima svoju nanočesticu. Druga vrsta detektora, nazvana impaktorom, djeluje tako da zrak koji sadrži nanočestice vodimo oko ovitaka, pri čemu se teži djelići na vrlo oštrom ovitku zalijeću u stijenku. Manje čestice idu naprijed, gdje ih čeka još oštriji ovitak pa se tamo opet nekoliko većih čestica iz ove frakcije zalijeće te ondje ostaje. Tako po kolonama ovitaka vodimo i manje čestice, a zatim procjenjujemo koliko ih se zaletjelo na određenom ovitku. Time dobivamo takozvanu brojčanu razdiobu čestica po veličini. Ipak, kod najmanjih čestica ove su metode vrlo sporne, jer je njihova težina vrlo mala, tako da postoji mogućnost – velike pogreške. Jedini detektor s brojčanom razdiobom čestice je kondenzacija neke tekućine na česticama i potom prebrojavanje kapljica. U Sloveniji sad imamo prvi detektor. Nije još sasvim potpun, jer se za selekciju čestica po veličini koristi radioaktivno nabijanje (pri čemu se radi o vrlo uvjetnom radioaktivnom izvoru), jer ga radi vrlo strogih propisa na tom području još nemamo, već se čeka na radioaktivni izvor. Zato se rade brojčane razdiobe čestica po veličini, premda se ne može sa stopostotnom sigurnošću ustvrditi da se tu radi uistinu o pravim izmjerenim vrijednostima. Razvitak ove vrste uređaja još je na početku i istovremeno ostavlja vrlo velik tržišni prostor kako onima koji ih razvijaju, tako i prodavačima ovih aparatura.
U budućnosti bismo, naime, mogli posvuda imati detektore nanočestica – po uredima, školama, bolnicama. Kao što već danas u prostorima imamo detektore dima / požara, tako ćemo jednom imati i detektore čestica u svojoj boravišnoj i svakoj drugoj okolini.

Tko se kod nas bavi područjem zaštite od nanočestica? Kada možemo očekivati propise o dopuštenim graničnim vrijednostima nanočestica i kako treba postupati do tada?
Kod nas je za ovo područje zaduženo Ministarstvo zdravlja, Ured za kemikalije. To je ujedno i središnja točka za objavljivanje informacija u vezi s tim. Propise ne očekujemo do 2013. godine, jer smo tu vezani propisima Europske unije, koja je donošenje ovog propisa odložila do spomenute godine. Postoje i veliki pritisci Europskog parlamenta, koji traži da se ponovno prouče granične vrijednosti i granične količine određenih supstanci u prodajnim artiklima i sa stajališta veličine čestica. Sada se te vrijednosti odnose samo na masu, npr. toliko grama na toliko proizvoda je dopustivo, ali nema brojčane razdiobe po veličini. Kako pristiže sve više informacija o tome da nanočestice mogu biti doista toksične, Europski parlament vrši pritisak na Europsku komisiju da za ovaj propis što prije pokrene odgovarajući postupak izmjena.
Do tada treba prije svega paziti na to, da uvijek ocjenjujemo i važemo pozitivne i negativne učinke prije no što se odlučimo za proizvodnju odnosno kupovinu određenih proizvoda, pri čemu moramo misliti na cjelokupni ciklus trajanja proizvoda, kao i predmete na koje taj proizvod nanosimo. Naravno, uvijek treba gledati pozitivno i sa stajališta nanotehnologija koje će sa sobom donijeti mnoge novosti i kada se radi o trajnosti pojedinih proizvoda. Što će neki proizvod biti trajniji, što će manje zahvata biti potrebno u nekom prostoru, to ćemo na drugoj strani dobiti nešto pozitivnije. Na sve moramo gledati cjelovito.
U slučaju pojave velike količine prašine trebamo koristiti maske, tuševe i odmah smanjiti izloženost ljudi udisanju te prašine. I spaljivanje otpada na otvorenom u stranim je državama većinom već vrlo dobro obrađeno propisima, dok to kod nas još nije slučaj. Pa i peći koje, recimo, prilikom gorenja postižu dovoljno visoke temperature da bi ugljik u cijelosti izgorio i pretvorio se u ugljikov dioksid, sa stajališta nanočestica su gotovo pozitivne. Ostaju problematična obična mjesta spaljivanja koja ispuštaju velike količine nanočestica u okolinu, posebno npr. ono u blizini bolnice Golnik.

Nanočestice i život s njima u budućnosti?
Nanočestice će prožeti sve naše djelatnosti i posve izmijeniti naše shvaćanje zdravog okoliša. Još uvijek se vidi snažan pritisak ljudi na gradove, pri čemu kao da nemaju nikakvih promišljanja vezanih uz činjenicu što žive u stambenim objektima smještenim tik uz glavne prometnice u gradu.
Moguća su dva puta. Prvi je, da u budućnosti više nećemo koristiti automobile s unutarnjim sagorijevanjem, a drugi je put – da će ljudi postati dovoljno svjesni opasnosti te krenuti s iseljavanjem iz ovakvih područja.
Ugostiteljski objekti u blizini velikih prometnica ekološki su vrlo sporni. Ondje ljudi sjede satima i satima te udišu snažno zagađeni zrak. Što se tiče zaštite djece i zdravog životnog okoliša, nadam se da će ljudi barem pokušati pronaći mjesta za život koja su udaljena od glavnih prometnica.

Možete li nam predstaviti najnovija otkrića i projekte kojima se trenutno bavite?
Osim problematike nanočestica sa stanovišta zaštite, moje je područje i sinteza nanomaterijala. Jer, i nanočestice se mogu sintetizirati na takav način da očuvamo njihove fizikalne i kemijske osobine, dok s druge strane onemogućavamo da se oslobađaju u okolinu. Tijekom zadnje dvije godine razvili smo posve nove materijale, takozvane »mama« tube. To su vrlo sitne cjevčice u kojima se nalaze još sitnije kuglice moliden- disulfida, koji je trenutno najbolje mazivo na svijetu. Moliden- disulfid je spoj koji se koristi u proizvodnji industrijskih maziva već više desetljeća, a istodobno ponekad služi i za desumporizaciju nafte. Što su manje čestice, više je aktivnih mjesta na površini tog spoja. Radi toga se može preporučiti da čestice budu što je moguće manje. Međutim, nismo smanjivali sve tri dimenzije da bismo dobili neku sićušnu prašinu. Razvili smo cjevčice, u kojima se nalaze kuglice tog materijala. Zbog toga aktivna mjesta za kemijsku reakciju ostaju i dalje aktivna, premda se čestice ne mogu oslobađati u okolinu. Industrijska maziva će smanjivati trenje na površini oruđa odnosno metala koji će se naći u dodiru s trenjem te će stvoriti tanki zaštitni protukorozijski sloj. Time će se produžiti životni vijek svih materijala u dodiru te ujedno smanjiti trenje. Zato možemo predvidjeti i velike uštede energije.

Mojca Polanc Govekar
Fotografije: arhiva Maje Remškar, arhiva IMC, d. o. o.

PODIJELI