20 CHEMAGAZÍN • Číslo 3 • Ročník XXI (2011) PLYNY Hodnota hmotnostní koncentrace jemných částic v ovzduší v mě- řené lokalitě je výsledkem vzájemného působení několika různých faktorů ovlivňujících životní prostředí. Přesná a co možná nejlépe časově rozlišitelná měření koncentrace jemných částic v ovzduší a také měření meteorologických parametrů tak získávají značný význam, a to i vzhledem k potřebě kvalitních naměřených dat pro disperzní modelování. Níže bude představeno zařízení Fidas ® – monitorovací systém jemných částic v ovzduší, který umožňuje spolehlivá imisní měření. Tento příspěvek se věnuje zejména popisu měřicího principu tohoto zařízení, který využívá dopředný světelný rozptyl, a také technickým překážkám a výzvám, které se podařilo překonat. Hlavní výhodou kontinuálního analyzátoru Fidas ® je vysoké časové rozlišení. Analyzátor je schopen poskytovat průměrná minutová data koncentrací jemných částic v ovzduší. Definice „jemných částic“ Jemné částice jsou součást polétavého prachu v ovzduší a sestávají z běžně se v přírodě vyskytujících částic (např. částice mořských solí, pouštní prach, pyl, bakterie, apod.) a z antropogenních částic (např. výfukové spaliny z dopravy, otěr z pneumatik, mechanické a chemické procesy v průmyslu, apod.). V roce 1987 stanovila americká agentura pro životní prostředí (EPA) „National Air Qua- lity-Standard for Particulate Matter (PM)“, v němž byly vyčleněny dýchatelné prachové částice. Jako kritérium byla použita velikost částic. V současnosti existují vedle původní kategorie PM 10 i další kategorie jako např. PM 2.5 (částice, které mohou proniknout při dýchání až do plic). Číslice za označením PM popisuje aerodynamický průměr částice, který separační zařízení oddělí s 50% účinností (50% hmotnosti). Tzn., že v této klasifikaci není ostrá hranice mezi jednotlivými frakcemi, ale naopak snaha o co nejbližší přizpůsobení jednotlivých velikostních frakcí prostupnosti dýchacích cest. Vdechovatelná („inhalable“) frakce - hmotnostní frakce poléta- vého prachu, která je vdechnutelná nosem a ústy. Thorakální („thoracic“) frakce – hmotnostní frakce vdechovaných částic pronikajících přes hrtan. V následujícím obrázku je vyznačeno, že 50 % polétavého prachu s D = 10 μm je v thorakální frakci. Respirabilní („respirable“) frakce – hmotnostní frakce vdechova- ných částic, které pronikají do dýchacích cest, kde není řasinkový epitel. V obrázku č. 1 je vyznačeno, že 50 % polétavého prachu s D = 4 μm je v respirabilní frakci. [8] Zařízení na měření koncentrace jemných částic v imisích Pro kvantifikaci zatížení prostředí částicemi PM x se využívá hmot- nostní koncentrace. Jako referenční metoda bylo stanoveno vážení filtrů se vzorkem částic, který byl odebrán při stanoveném průtoku při využití separační odběrné hlavy pro danou frakci. Jedná se ovšem o metodu měření s nízkým časovým rozlišením (většinou 24-hodinové denní průměry). Problémem také mohou být variace v důsledku skladování filtrů. Dále existují kontinuální metody měření s vysokým časovým rozlišením: – metoda měření využívající kónické oscilační mikrováhy (TEOM), – metoda měření využívající separační odběrné hlavy pro da- nou frakci a absorpci beta záření (např. Environnement S.A MP101M), – metoda měření využívající optický aerosolový spektrometr (např. Fidas ® ). Fidas ® Monitor jemných částic Imisní monitor jemných částic Fidas ® umožňuje kontinuální a současné určení hmotnostní koncentrace frakcí PM 1 , PM 2,5 , PM 4 , PM 10 , TSP (PM tot ), četnosti částic na jednotku objemu (koncentrace částic) a opačně také velikostní distribuci částic. Obr. 2 – Fidas ® Monitor jemných částic Analyzátor sestává z odběrné hlavy Sigma-2 [7], která umožňuje reprezentativní odběr vzorku také při silném větru, a z inteligentní kompenzace vlhkosti (IADS), která zabraňuje znehodnocení měření kondenzačními efekty (IADS vypaří těkavé složky v odebraném vzorku vzduchu). KONTINUÁLNÍ ČASOVĚ ROZLIŠENÁ MĚŘENÍ JEMNÝCH ČÁSTIC V ATMOSFÉŘE SPIELVOGEL J. 1 , CHALOUPECKÝ P. 2 , WEISS M. 1 , MÖLTER L. 1 1. Palas ® GmbH, Karlsruhe (D), [email protected]2. ENVItech Bohemia s.r.o., Praha, [email protected]Zatížení venkovního ovzduší jemnými částicemi je v poslední době v tisku stále se opakující termín, a to především ve vztahu k překračování limitů platných od roku 2005 [1] nebo jejich možným zdravotním následkům [2,3]. Důležitá není pouze analýza jednotlivých zdrojů jemných částic, ale také jejich rozšíření – jako např. z center aglomerací do okolní krajiny nebo jako v dubnu 2010 po erupci islandské sopky Eyjafjal- lajökull, která způsobila krátkodobé uzavření větší části evropského letového prostoru. Obr. 1 – Vdechovatelná, thorakální a respirabilní konvence jako procenta z polétavého prachu (zdroj [9])
Transcript
20 CHEMAGAZÍN • Číslo 3 • Ročník XXI (2011)
PLYNY
Hodnota hmotnostní koncentrace jemných částic v ovzduší v mě-řené lokalitě je výsledkem vzájemného působení několika různých faktorů ovlivňujících životní prostředí. Přesná a co možná nejlépe časově rozlišitelná měření koncentrace jemných částic v ovzduší a také měření meteorologických parametrů tak získávají značný význam, a to i vzhledem k potřebě kvalitních naměřených dat pro disperzní modelování.
Níže bude představeno zařízení Fidas® – monitorovací systém jemných částic v ovzduší, který umožňuje spolehlivá imisní měření. Tento příspěvek se věnuje zejména popisu měřicího principu tohoto zařízení, který využívá dopředný světelný rozptyl, a také technickým překážkám a výzvám, které se podařilo překonat.Hlavní výhodou kontinuálního analyzátoru Fidas® je vysoké časové
rozlišení. Analyzátor je schopen poskytovat průměrná minutová data koncentrací jemných částic v ovzduší.
Definice „jemných částic“Jemné částice jsou součást polétavého prachu v ovzduší a sestávají z běžně se v přírodě vyskytujících částic (např. částice mořských solí, pouštní prach, pyl, bakterie, apod.) a z antropogenních částic (např. výfukové spaliny z dopravy, otěr z pneumatik, mechanické a chemické procesy v průmyslu, apod.). V roce 1987 stanovila americká agentura pro životní prostředí (EPA) „National Air Qua-lity-Standard for Particulate Matter (PM)“, v němž byly vyčleněny dýchatelné prachové částice. Jako kritérium byla použita velikost částic. V současnosti existují vedle původní kategorie PM10 i další kategorie jako např. PM2.5 (částice, které mohou proniknout při dýchání až do plic).
Číslice za označením PM popisuje aerodynamický průměr částice, který separační zařízení oddělí s 50% účinností (50% hmotnosti). Tzn., že v této klasifikaci není ostrá hranice mezi jednotlivými frakcemi, ale naopak snaha o co nejbližší přizpůsobení jednotlivých velikostních frakcí prostupnosti dýchacích cest.
Vdechovatelná („inhalable“) frakce - hmotnostní frakce poléta-vého prachu, která je vdechnutelná nosem a ústy.
Thorakální („thoracic“) frakce – hmotnostní frakce vdechovaných částic pronikajících přes hrtan. V následujícím obrázku je vyznačeno, že 50 % polétavého prachu s D = 10 μm je v thorakální frakci.
Respirabilní („respirable“) frakce – hmotnostní frakce vdechova-ných částic, které pronikají do dýchacích cest, kde není řasinkový epitel. V obrázku č. 1 je vyznačeno, že 50 % polétavého prachu s D = 4 μm je v respirabilní frakci. [8]
Zařízení na měření koncentrace jemných částic v imisíchPro kvantifikaci zatížení prostředí částicemi PMx se využívá hmot-nostní koncentrace. Jako referenční metoda bylo stanoveno vážení filtrů se vzorkem částic, který byl odebrán při stanoveném průtoku při využití separační odběrné hlavy pro danou frakci.
Jedná se ovšem o metodu měření s nízkým časovým rozlišením (většinou 24-hodinové denní průměry). Problémem také mohou být variace v důsledku skladování filtrů.
Dále existují kontinuální metody měření s vysokým časovým rozlišením:
– metoda měření využívající kónické oscilační mikrováhy (TEOM),
– metoda měření využívající separační odběrné hlavy pro da-nou frakci a absorpci beta záření (např. Environnement S.A MP101M),
– metoda měření využívající optický aerosolový spektrometr (např. Fidas®).
Fidas® Monitor jemných částicImisní monitor jemných částic Fidas® umožňuje kontinuální a současné určení hmotnostní koncentrace frakcí PM1, PM2,5, PM4, PM10, TSP (PMtot), četnosti částic na jednotku objemu (koncentrace částic) a opačně také velikostní distribuci částic.
Obr. 2 – Fidas® Monitor jemných částic
Analyzátor sestává z odběrné hlavy Sigma-2 [7], která umožňuje reprezentativní odběr vzorku také při silném větru, a z inteligentní kompenzace vlhkosti (IADS), která zabraňuje znehodnocení měření kondenzačními efekty (IADS vypaří těkavé složky v odebraném vzorku vzduchu).
KONTINUÁLNÍ ČASOVĚ ROZLIŠENÁ MĚŘENÍ JEMNÝCH ČÁSTIC V ATMOSFÉŘESPIELVOGEL J.1, CHALOUPECKÝ P.2, WEISS M.1, MÖLTER L.1
Zatížení venkovního ovzduší jemnými částicemi je v poslední době v tisku stále se opakující termín, a to především ve vztahu k překračování limitů platných od roku 2005 [1] nebo jejich možným zdravotním následkům [2,3]. Důležitá není pouze analýza jednotlivých zdrojů jemných částic, ale také jejich rozšíření – jako např. z center aglomerací do okolní krajiny nebo jako v dubnu 2010 po erupci islandské sopky Eyjafjal-lajökull, která způsobila krátkodobé uzavření větší části evropského letového prostoru.
Obr. 1 – Vdechovatelná, thorakální a respirabilní konvence jako procenta z polétavého prachu (zdroj [9])
21 CHEMAGAZÍN • Číslo 3 • Ročník XXI (2011)
PLYNY
Co se týče aerosolového senzoru, jedná se o optický aerosolový spektrometr, který pomocí optického rozptylu (Lorenz-Mie scat-tering) dokáže rozpoznat velikost jednotlivých jemných částic. Částice se pohybují jednotlivě skrze opticky vymezený měřený objem, který je rovnoměrně nasvícen bílým světlem. Každá nasví-cená částice vydává optický impuls, který je následně pod úhlem 85° až 95° detekován.
Množství částic – četnost – nebo také koncentrace částic se měří na základě počtu optických impulsů na objemový tok. Síla těchto optických impulsů je také měřítkem průměru částic.
Na základě zlepšené optiky, vyšší světelné hustoty díky světel-nému zdroji (nové LED diodě, emitující bílé světlo) a zlepšené elektronice pro vyhodnocování světelných impulsů (logaritmický A/D konvertor) dosahuje Fidas® dolní hranice detekce 180 nm. Velmi malé částice, které ve velké míře vznikají při spalovacích procesech, tak mohou být detekovány mnohem lépe než dříve. Z obr. 3 je zřejmá vyšší citlivost analyzátoru Fidas® v porovnání s obdobnými optickými spektrometry.
Obr. 3 – Porovnání velikostní distribuce jemných částic naměřené pomocí standardního optického monitoru (měřicí rozsah 0,3 až 17 µm) a pomocí analyzátoru Fidas®
Čím je vyšší přesnost klasifikace částic a rozlišovací schopnost měřicího zařízení, tím přesnější může být určení velikostní distri-buce částic.
Pro přepočet naměřených četností částic na jednotku objemu (koncentrace) a velikosti částic na hmotnostní koncentraci jsou velmi zásadními faktory vysoká přesnost klasifikace částic a rozlišo-vací schopnost měřicího zařízení. Hmotnost se počítá ze získaných dat velikostní distribuce částic, přičemž se předpokládá sférický tvar částic. Hustota částic má různou váhu podle velikosti částice.
K optickému senzoru je sériově připojen držák filtru umožňující gravimetrickou validaci naměřených dat. Analyzátor je možné jed-noduše a elegantně ovládat pomocí velkého barevného dotykového displeje. Vestavěný datalogger umožňuje dlouhodobé ukládání a správu naměřených dat. Prostřednictvím UMTS antény je možné systém vzdáleně přes internet ovládat, popř. přenášet naměřená data.
Meteorologická stanice poskytuje data rychlosti a směru větru, množství a druh srážek. GPS anténa umožňuje přesné určení sou-řadnic měřené lokality při mobilním měření.
Příklad postupného technického vývojePři měřicí kampani ve Vídni bylo provedeno porovnání naměřených
hodnot pomocí Fidas® a pomocí zařízení TEOM FDMS. Hodnoty koncentrací frakcí PM10 a PM2.5 naměřené analyzátorem Fidas® strmě klesaly a po dobu několika dní setrvaly výrazně pod hodno-tami naměřenými zařízením TEOM FDMS (viz Obr. 5).
Výzkum prokázal znečištění suché trasy pavučinami. Aby se do budoucnosti výskyt téhož problému vyloučil, byla na odběrovou hlavu přidána mřížka proti hmyzu. Později byla implementována automatická čisticí procedura, která denně o půlnoci krátkodobě zahřeje suchou cestu na 70 °C.
Obr. 5 – Naměřené hodnoty při měřicí kampani ve Vídni
Výsledky spolehlivých měření hmotnostní koncentrace prašného aerosolu
Velikonoce ve Vídni
Mnohá německá a rakouská města jsou každoročně v noci na veli-konoční neděli zatížena zvýšenou hmotnostní koncentrací jemných částic v ovzduší (viz Obr. 6). To je způsobeno velikonočními ohni – dávný zvyk, který má zahnat či vypálit zimu.
Dokončení na další straně
22 CHEMAGAZÍN • Číslo 3 • Ročník XXI (2011)
PLYNY
Obr. 6 – Zvýšené hmotnostní koncentrace jemných částic naměřené ve Vídni v noci na velikonoční neděli
Aerosoly vzniklé ze spalovacích procesů velikonočních ohňů obsahují velký počet malých částic s maximem okolo 300 nm (viz Obr. 7). Pro umožnění co nejpřesnějšího modelování šíření jemných částic je vedle vysokého časového rozlišení (Fidas® poskytuje data s časovým rozlišením od 1 s) velmi důležitá velikostní distribuce částic, jelikož fyzikální parametry částic jsou určující pro předpověď jejich následného šíření. Např. z průměru částice se dá odvodit pádová rychlost a z koncentrace částic na jednotku plochy zase koagulační schopnost.
K tomu, aby bylo možné detailně zaznamenat vývoj mlhy, byla v měřicím systému odpojena kompenzace vlhkosti. 22.5.2010 ráno byl poté cca po 3 hodiny detekován nárůst hmotnostní koncentrace jemných částic (viz Obr. 8). Je zajímavé, že naproti tomu četnost částic nevykazovala žádný nárůst, ale naopak slabý pokles. Tento pokles byl způsoben patrně zvýšeným výskytem velkých kapiček mlhy, které svou dostatečnou plochou umožňují jemným částicím koagulovat a ty jsou tak z atmosféry efektivně odstraňovány.
Obr. 8 – Porovnání průběhu hmotnostní koncentrace částic a koncentrace částic na jednotku plochy během výskytu mlhové epizody v Lübecku
Při podrobnějším pozorování příslušné velikostní distribuce částic se prokázalo, že ve velikostním intervalu cca od 3 do 15 μm bylo detekováno více částic, než je obvyklé. Meteorologické senzory naměřily v tomtéž čase vysoké hodnoty relativní vlhkosti vzduchu a nízké hodnoty teploty vzduchu. Pohled na meteorologická data zve-řejněná na internetu potvrzují výskyt mlhové epizody během měření.
Na obr. 9 je vidět, že velikostní distribuce částic se v počátku mlhové epizody během jedné hodiny (od 4:02 do 5:02 hod.) významně změnila, poté však již zůstala přibližně konstantní. Na-proti tomu odeznívání mlhové epizody probíhalo velmi pomalu (viz Obr. 10). Také v tomto případě jsou pro podrobné modelování pro-cesů při vzniku mlhy jak informace o velikostní distribuci částic, tak i vysoké časové rozlišení, velmi nápomocny.
Obr. 9 – Velikostní distribuce částic během vzniku mlhy
Obr. 10 – Velikostní distribuce částic během zániku mlhy
ZávěrMonitor jemných částic Fidas® je vhodný pro spolehlivé a časově rozlišené měření jemných částic v atmosféře. V protikladu k ostat-ním měřicím metodám poskytuje optické měření na bázi rozptylu bílého světla kontinuální měření četnosti částic na jednotku plochy (koncentrace), velikosti částic současné měření hmotnostní koncen-trace různých velikostních frakcí prašného aerosolu (PM10 a PM2.5).
Na příkladech jemných částic ze spalovacích procesů (velikonoční ohně ve Vídni) a velkých kapiček mlhy (v Lübecku) bylo ukázáno, jak je možné na základě informací o velikostní distribuci částic lépe porozumět procesům vzniku a šíření částic v atmosféře a umožnit či usnadnit tak jejich modelování.
23 CHEMAGAZÍN • Číslo 3 • Ročník XXI (2011)
PLYNY
Naměřená data (jako např. koncentrace PM10, PM2.5, PM1, kon-centrace částic, meteorologická data, apod.) jsou k dispozici online na internetových stránkách společnosti Palas® (www.palas.de).
Literatura[1] Richtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 über
Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft
[2] Joachim Heinrich, Veit Grote, Annette Peters, H.-Erich Wich-mann: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub: Epidemio-logie der Langzeiteffekte. In: Umweltmedizin in Forschung und Praxis. 7, Nr. 2, 2002, ISSN 1430-8681, S. 91–99.
[3] Arbeitsgruppe „Wirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit“ der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN: Bewertung des aktuellen wissenschaftlichen Kennt-
nisstandes zur gesundheitlichen Wirkung von Partikeln in der Luft. In: Umweltmedizin in Forschung und Praxis. 8, Nr. 5, 2003, ISSN 1430-8681, S. 257–278
[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub#cite_note-0 [5] "Die Nebenwirkungen der Behaglichkeit: Feinstaub aus Kamin
und Holzofen", Hintergrundpapier des Umweltbundesamts, März 2006
[7] EN 481 „Festlegung der Teilchengrößenverteilung zur Messung luftgetragener Partikel“, EPA: National Ambient Air Quality Standard, Particulate Matter (NAAQS-PM)
[8] Sigma-2 Probenahmekopf nach VDI Norm 2119-4[9] www.szu.cz
