Časopis 112 ROČNÍK XXII ČÍSLO 6/2023

V červnovém čísle časopisu se dočtete o zásahu v Benešově, kde v listopadu loňského roku vypukl požár v OC Hvězda. Škoda byla vyčíslena přibližně na 50 milionů korun. Následuje rozbor taktického cvičení, kdy tématem byla železniční dopravní nehoda dvou vlaků. Jistě vás zaujme i článek o Turecku, kde se po zemětřesení do záchranných prací zapojil i USAR odřad HZS ČR. Více než týden pomáhal při pátrání a záchraně osob ve zřícených budovách. Výchovně vzdělávací program „Výchova k bezpečí – ochrana člověka za mimořádných událostí“ je určen všem společenským skupinám včetně seniorů či handicapovaných osob přímo v prostorách stanice Modřany díky moderně vybavené učebně PVČ. 

V souvislosti s výskytem onemocnění covidu-19 se zásadně zvýšila potřeba dekontaminace prostor. Jednou z variant bylo využití dekontaminace pomocí ozonizace prostředí s požadavkem na dekontaminaci povrchů. Na základě těchto požadavků vznikl projekt s názvem „Možnosti využití ozónu pro dekontaminaci ovzduší a povrchů nejen složkami IZS ČR“. Projekt byl řešen v letech 2021–2022 za podpory bezpečnostního výzkumu Ministerstva vnitra. Hlavními řešenými oblastmi byla volba optimální metody pro detekci ozónu, vytvoření postupů pro stanovení jeho koncentrace v reálných podmínkách, použitelnost ozónu pro dekontaminaci povrchů a jeho vliv na degradaci materiálů. Projekt probíhal ve spolupráci Technického ústavu požární ochrany a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze.

Obr. 1 Navržený a zkonstruovaný přenosný detektor ozónu

Název covid-19 vznikl spojením anglických slov „coronavirus“ a „disease 2019“, což lze do češtiny přeložit jako koronavirové onemocnění 2019. Jde o vysoce infekční onemocnění vyvolané koronavirem SARS-CoV-2. Svými příznaky se v řadě případů blíží chřipkovému onemocnění. Oproti chřipce má ale podstatně vyšší míru infekčnosti vyjádřenou tzv. reprodukčním číslem (R0), které udává, kolik dalších osob infekční jedinec nakazí. Zároveň i míra hospitalizace a smrtnost u covidu-19 je násobně vyšší, než je tomu u chřipky. Právě toto paralyzovalo v letech 2020 až 2022 celý svět, protože žádný stát nemá systém zdravotní péče tak robustní, aby zvládl nával, který může pandemie covidu-19 vyvolat. Právě ona byla impulsem pro hledání vhodného způsobu, jak efektivně desinfikovat prostředí, aby riziko přenosu koronaviru SARS-CoV-2 bylo minimální. Kromě testů celé řady různých desinfekčních prostředků vyvstala i otázka využitelnosti ozonizace. 

Ozón (O₃) má vysoký oxidační potenciál a díky tomu je často využíván k oxidaci širokého spektra látek, které znečišťují vodu a vzduch. Ozón je nestabilní plyn, který je těžší než vzduch. Samovolně se rozkládá, přičemž poločas jeho rozpadu je závislý na prostředí, teplotě prostředí, ale i na dalších faktorech. To je důvod, proč ho není možné skladovat a je nutné jej připravovat přímo na místě použití. Pro jeho výrobu se používají generátory ozónu. V souvislosti s ním je potřeba říct, že se jedná o nebezpečný plyn, protože je toxický. Už při nízkých koncentracích dráždí dýchací cesty. Na jeho přítomnost je velmi citlivý i lidský nos, kterým lze rozpoznat již koncentrace kolem 10 µg/m3.

Hlavními cíli projektu bylo vytvoření metodiky pro stanovení koncentrace ozónu, přenosného detektoru a studium vlivu ozónu na degradaci povrchů materiálů a reakci na živý organismus.

Obr. 2 Schéma zapojení měřicí sestavy s kalibrací detektoru 1 – digestoř; 2 – vstupní plyn k ozonizaci (Q1 = 6 l/min); 3 – generátor O3 s regulovatelným výkonem; 4 – odvod přebytečného O3 regulovaný jehlovým ventilem; 5 – přírubová skleněná nádoba s testovaným detektorem; 6 – FTIR plynová cela; 7 – výstup z plynové cely (Q3 = 2 l/min); 8 – jehlový ventil, 9 – plynové čerpadlo

Pro výrobu ozónu byl použit generátor ozónu PROFIZON-X 7G o maximálním výkonu 7 g O₃ za hodinu s průtokem plynu 6 l/min a možností napájení vzduchem u interního kompresoru nebo kyslíkem z externího vstupu. Na základě série zkoušek byla jako vstupní plyn vybrána směs kyslíku s dusíkem směšovaná v určitém poměru pro výrobu požadovaného množství ozónu. Pro identifikaci a následnou kvantifikaci byla vybrána metoda infračervené (IČ) spektroskopie, která umožňuje nedestruktivním způsobem stanovit molekulární složení neznámých látek. Pomocí intenzity naměřených IČ pásů ve spektru je možné určit koncentraci sledované látky. Pro měření koncentrace ozónu byl použit FTIR spektrometr (Fourier transform infrared – metoda založená na absorpci infračerveného záření při průchodu vzorkem) MATRIX-MG2 s 2m plynovou kyvetou o objemu 200 ml a regulací teploty (25-180 °C) od firmy Optik Instruments, s. r. o., (Bruker). Pro určení koncentrace ozónu byl vybrán pás v oblasti 1055 cm-1. Pro měření koncentrací ozónu již byla od dodavatele připravena metoda pro měření koncentrací ozónu za laboratorní teploty zahrnující další plyny s ohledem na možný výskyt v ovzduší nebo interferenci v kvantifikované oblasti. Při měření se tedy sledovaly tyto složky: ozón O₃, oxid uhličitý CO₂, voda H₂O, oxid dusnatý NO a oxid dusičitý NO₂. Vytvořený postup byl využit na stanovení koncentrace ozónu při testech účinnosti na živých organismech, při degradacích materiálů i při kalibracích vyvíjeného detektoru. 

Přenosný ruční detektor 
Obr. 3 Zapojení měřicí sestavy s kalibrací detektoruPřenosný ruční detektor byl navržen pro orientační stanovení koncentrace ozónu (obr. 1). Pro nízké koncentrace je detektor schopen detekovat 10–1000 ppb ozónu a pro vyšší rozsah detekuje koncentrace 10–1000 ppm ozónu. Pro vlastní detekci bylo využito dvou polovodičových senzorů MQ-131 pracujících na principu změny tepelné vodivosti měřicího obvodu vůči referenčnímu obvodu. Senzor je zahříván na vysokou teplotu (150–450 °C), při níž dochází k absorpci molekul kyslíku na povrch díky volným elektronům, což změní odpor polovodiče. Když se přiblíží molekula zájmových plynů k absorbovanému kyslíku či rovnou k vrstvě senzitivního oxidu, dochází k vzájemné reakci a změně odporu polovodiče, která je přímo úměrná koncentraci zájmového plynu. Senzitivním materiálem plynového senzoru MQ-131 je polovodič dopovaný různými oxidy kovů. Pro detekci nízkých koncentrací ozónu je to oxid wolframový WO₃ a pro vyšší koncentrace oxid cíničitý SnO₂. 

Tyto materiály, z kterých je měřící obvod sestaven, mají vysokou vodivost v čistém vzduchu, avšak v přítomnosti plynu (ozónu) se vodivost senzoru snižuje spolu s rostoucí koncentrací plynu. Měřením vodivosti obvodu lze, díky jednoduchému převodu, získat odpovídající výstupní koncentraci měřeného plynu (ozónu). 

Obr. 4 Detail zapojení měřicí sestavy s kalibrací detektoruSpolečně s přenosným ručním detektorem byl testován komerčně dostupný detektor GasAlertMicro5 se senzorem chloru (Cl₂). Senzor použitý v tomto detektoru reaguje kromě chlóru také na ozón, ale s nižší citlivostí. Detekční rozsah tohoto detektoru je pro Cl2 pouze 0 až 50 ppm a v případě ozónu reaguje na koncentrace od 0 do 93 ppm O₃, avšak s nižší citlivostí než námi vytvořený přenosný detektor ozónu.

Kalibrace přenosného detektoru
Pro kalibraci a následné zkoušky byla sestavena měřicí sestava zahrnující průtokoměr pro směšování a nastavení průtoku vstupních plynů, generátor ozónu, skleněnou přírubovou nádobu pro umístění detektoru, FTIR spektrometr, průtokoměr pro zajištění stálého průtoku plynovou celou FTIR spektrometru a plynové čerpadlo (obr. 2). Na generátoru ozónu byl nastavován různý výkon pro výrobu různých koncentrací ozónu vhodných pro kalibraci detektoru.

Na obr. 3 a 4 jsou fotografie reálného zapojení měřicí sestavy během kalibrace přenosného detektoru.

Vliv ozónu na povrchy vybraných materiálů 
Pro zkoušky vlivu působení ozónu na povrchy vybraných materiálů, samotné bakterie a dále pro zkoušky vlivu působení ozónu na bakterie nanesené na povrch vybraných materiálů byla do měřicí sestavy namísto přírubové nádoby zařazena exsikátorová skříň pro umístění vzorků. Pro účely zkoumání vlivu ozonizace na degradaci látek byly zvoleny materiály, které se v inte­riérech běžně využívají: laminovaná dřevotřísková deska tloušťky 12 mm, dřevěná lať z borovicového dřeva o průřezu 10 × 15 mm, plexisklo tloušťky 2 mm, nylonový koberec tloušťky 5 mm, PVC linoleum tloušťky 2,5 mm, bavlněný úplet – tričko (100% bavlna o tloušťce zhruba 0,4 mm). Z uvedených materiálů byly následně připraveny vzorky o rozměrech asi 10 × 10 mm. Každý vzorek byl opatřen otvorem pro protažení silikonového vlasce sloužícího k zavěšení do utěsněného boxu. Vzhled vybraných materiálů před přípravou vzorků je na obr. 5, způsob umístění vzorků do exsikátorové skříně je uveden na obr. 6.

Obr. 5 Testované materiály

Vzorky všech materiálů byly postupně vystaveny působení ozónu v koncentracích 1400 a 3000 ppm v časových intervalech 1, 3, 5, 7, 9 a 24 hodin. Vzorky byly jak před zkouškou, tak po ní podrobeny analýzám pomocí metody plynové chromatografie (GCMS) a rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Výsledky GCMS analýz stěrů a extraktů vzorků neexponovaných a exponovaných v prostředí ozónu ukazují jeho významný vliv na povrch testovaných materiálů, zejména na dřevotřísku, dřevo, linoleum a koberec a částečně také na plexisklo a bavlněné tričko. Z údajů je zřejmé, že při působení ozónu na povrch těchto materiálů dochází k částečné oxidaci látek přítomných v materiálech, což má za následek větší tvorbu peroxidů, oxidů, esterů a etherů primárních sloučenin. Ze získaných dat rovněž vyplývá, že čím déle je ozón na povrch materiálů aplikován, tím snadněji se látky z materiálu uvolňují, což může být způsobeno narušením struktury povrchu těchto materiálů. Z naměřených spekter je rovněž patrný nárůst intenzity píků jednotlivých detekovaných látek s rostoucí dobou expozice ozónu.

Obr. 6 Zleva: ozonizace povrchů materiálů, ozonizace bakterií v roztoku, ozonizace bakterií nanesených na testovaných materiálech

Z pohledu SEM analýzy způsobuje ozón mikroskopické poškození materiálů při vysoké koncentraci 3000 ppm a délce působení v řádu několika hodin. Při kratším čase a nižší koncentraci nepůsobí žádné morfologické změny ani u jednoho z testovaných materiálů. Vzhledem k tomu, že pro dekontaminaci prostředí jsou nutné řádově nižší koncentrace ozónu i délky ozonizace, není možné poškození materiálů překážkou pro jeho použití. 

Vliv ozónu na bakterie
Při zkouškách ozonizace bakterií bylo nastavení podmínek měření stejné jak pro samotné bakterie v roztoku, tak i pro bakterie nanesené na povrch vybraných materiálů. Jediným rozdílem bylo, že pro samotné bakterie byla ozonizace realizována při koncentracích 100, 500 a 1000 ppm. Naopak pro bakterie nanesené na povrch byla ozonizace realizována při koncentracích ozónu 50, 100, 500 a 1000 ppm. Během expozice bakterií docházelo ke zvyšující se vlhkosti ve skříňovém exsikátoru, proto bylo během měření nutné pravidelně kontrolovat koncentraci vyrobeného ozónu a jeho výrobu regulovat. Vzorky byly umístěné ve skříňovém exsikátoru (obr. 6).

Pro účely testů byly vybrány gramnegativní bakterie Escherichia coli (E. coli) a grampozitivní Staphylococcus epidermidis (S. epidermis). V případě materiálů byly vybrány dřevotříska, dřevo a linoleum. Dekontaminační účinnost ozónu byla hodnocena jak na základě eliminace bakterií v suspenzi, tak i na základě eliminace bakterií z povrchu materiálů. K eliminaci bakterií v suspenzi bylo nutné využít vyšších koncentrací ozónu a delší doby expozice než k jejich eliminaci z povrchu materiálů. V bakteriální suspenzi byly více senzitivní gramnegativní bakterie E. coli, zatímco v testech eliminace bakterií z povrchu materiálů byly naopak rezistentnější. To může být dáno odlišnou schopností E. coli a S. epidermidis adherovat na materiál. Buňky S. epidermidis se vlivem ozónu mohly od materiálů snáze oddělit. Zároveň byly pozorovány odlišné účinky ozónu na bakterie na površích různých materiálů. To by mohlo být způsobeno rozdílnou strukturou materiálů a opět rozdílnou schopností bakterií se na nich udržet. Ze všech testovaných materiálů eliminoval ozón živé bakterie nejlépe z povrchu dřeva a dřevotřísky, a to již při koncentraci 50 ppm. Nicméně byl pozorován rozdíl v účinnosti vůči oběma testovaným druhům bakterií, přičemž vůči E. coli byla účinnost ozónu nižší. Vzhledem k tomu, že ozón nedostatečně eliminuje bakterie z povrchu lino­lea, lze se domnívat, že ani vůči jiným materiálům podobného charakteru nebu­de dostatečně účinný, respektive bude účinný pouze ve vyšších koncentracích, které mohou být zdraví nebezpeč­né. Proto se metoda ozonizace neukázala být vhodným nástrojem pro dekon­taminaci povrchů. 

kpt. Ing. Romana FRIEDRICHOVÁ, Ph.D., plk. Ing. Jan KARL, kpt. Ing. Milan RŮŽIČKA, Technický ústav požární ochrany, foto archiv Technického ústavu požární ochrany
   
   
 

Print  E-mail  X Corp.   Facebook