Analýza ovzduší: Metody stanovení ozonu

Hodnocení kvality ovzduší je velmi komplexní proces, ve kterém se používají kromě základní statistiky a grafů také různé pokročilé statistické metody a speciální vizualizace, které pomáhají s identifikací zdrojů znečištění ovzduší a zhodnocení situace.

Při hodnocení kvality ovzduší nás zajímá hned několik proměnných. Absolutní hodnoty koncentrací znečišťujících látek jsou základem, ale samy o sobě ke komplexnímu zhodnocení stavu nestačí. Zajímá nás například také, odkud foukalo, jak rychle foukalo, variabilita koncentrací během dne, týdne, měsíce a roku, dlouhodobý trend, teplota a vlhkost vzduchu či množství srážek.

Z výše uvedeného plyne, že s obyčejným čárovým či sloupcovým grafem si často nevystačíme. Často velké množství dat je třeba souhrnně a na první pohled jasně zobrazit, aby bylo možné zjistit vztahy mezi jednotlivými parametry a vyvodit patřičné závěry. Za tímto účelem se používají speciální programy či skripty, které vytváří specifické diagramy podle potřeby.

Většina znečišťujících látek vykazuje typický roční chod koncentrací (u PM například jsou koncentrace nejvyšší v chladnou část roku, naopak u přízemního ozonu v nejteplejší část roku).

Existence ozonu si vědci začali všímat již okolo roku 1775, kdy v souvislosti s pozorováním blesků nebo studiem elektrických zařízení zaznamenali jeho přítomnost jako charakteristický odér, který dobře známe i my z okolí kopírek nebo okouzlujících plazmových lamp.

Čtěte také: Metodiky analýzy podzemních vod

Ozon, jakožto chemickou látku, objevil švýcarsko-německý fyzik Christian Friedrich Schönbein (1799 - 1868), a to až v roce 1840 při experimentech s pomalou oxidací bílého fosforu při elektrolýze vody. Byl objeven jako vedlejší produkt aktivity elektrického náboje při prováděné elektrolýze.

Schönbein (kromě ozonu objevil ještě nitrocelulosu neboli střelnou bavlnu) zaznamenal jeho přítomnost ve vzduchu po bouřkách, a nazval ho proto ozon dle ozo, řeckého výrazu pro vůni. Po tomto vědci se také nazývá vůbec první, v minulosti hojně používaná metoda stanovení ozonu: Schönbeinova metoda (vystavení testovacího papírku napuštěného směsí jodidu draselného a škrobu ovzduší na několik hodin).

V 19. století se stal přízemní ozon předmětem početných měření v mnoha světových lokalitách, kdy se potvrdila jeho existence a zkoumala se jeho funkce v atmosféře.

Ozon je velmi silné oxidační činidlo a dezinfekční prostředek. Proto se efektivně používá k úpravě pitné vody (hlavně potravinářském a nápojovém průmyslu), vody ve veřejných bazénech, ničení choroboplodných zárodků a při úpravě chladicí a procesní vody v průmyslu. Ozon se však také používá při bělení, například při výrobě papíru, textilu a keramiky. Kromě toho může vznikat také při průmyslových aplikacích UV záření během sušicích procesů. V potravinářství se používá k dekontaminaci potravin nebo potravinářského zařízení a povrchů. Kromě toho se v nízkých koncentracích používá také během ozonoterapie.

Z těchto důvodů je naprosto zásadní jeho rychlá a spolehlivá analýza. Mezi nejvíce propracované a užívané chemické metody patří jodometrická titrace. Má velkou výhodu v přesném absolutním stanovení množství ozonu (v kyslíku), nedovoluje ovšem provádět kontinuální stanovení.

Čtěte také: Zdroje rizik a ohrožení

Ve většině publikovaných prací z poslední doby v oblasti výroby ozonu a jeho kvantitativního stanovování se používá fotochemická metoda absorpce záření v ultrafialové oblasti (při použití rtuťové výbojky jako zdroje UV záření). Největší výhodou této metody je stanovení množství ozonu kontinuálně a této vlastnosti se dá výhodně použít při automatické regulaci produkce ozonu ozonizátorem podle okamžité potřeby.

Obě uvedené metody se dají bez jakýchkoli dalších dodatků použít pouze v případě stanovení ozonu vyráběného z kyslíku, neboť v případě výroby ozonu ze vzduchu je nezbytné uvažovat kromě absorpce UV záření v ozonu ještě absorpci v dalších molekulách, zejména v N2, N2O a NO.

Další moderní možností stanovení ozonu on-line (kontinuálně), ale i jednorázově (např. při elektrickém výboji) je infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací: FT-IR. Obrovskou výhodou této spektroskopické techniky je kvantitativní rozsah stanovení ozonu od velmi nízkých koncentrací pod 0,1 ppm až po koncentrace relativně vysoké (procenta). Další výhodou je souběžné on-line stanovení i dalších plynů ve směsi s ozonem (např. právě oxidů dusíku, které ozon může tzv. „vyrábět“ z dusíku v použitém vzduchu).

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.

Čtěte také: Městské klima Brna

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.

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.

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 byl navržen pro orientační stanovení koncentrace ozónu. 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. 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).

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.

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.

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.

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.

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.

ČHMÚ sleduje všechny znečišťující látky, které jsou uvedeny v Příloze č. 1 k zákonu č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší a ve vyhlášce MŽP č. 330/2012 Sb. Na stránkách ČHMÚ jsou uvedeny ty znečišťující látky, které se měří kontinuálně a podávají informaci o průměrných hodinových koncentracích. Jsou to oxid siřičitý, oxid dusičitý, oxid uhelnatý, prachové částice frakce PM10 a PM2,5 a troposférický ozon. Povinnost informovat veřejnost o znečištění těmito látkami vyplývá ze zákona č. 201/2012 Sb.

Vysoké koncentrace troposférického ozonu se vyskytují za horkého a suchého počasí v teplé polovině roku, nejčastěji od začátku dubna do konce září. Maximální koncentrace ozonu v průběhu dne se vyskytují v časných odpoledních hodinách. V případě, že je vyhlášena smogová situace letního typu, se osobám s chronickými dýchacími potížemi, starším lidem a malým dětem doporučuje zdržet se při pobytu pod širým nebem v odpoledních hodinách zvýšené fyzické zátěže, spojené se zvýšenou frekvencí dýchání.

Ozón je dobře známý jako dráždivý a může způsobit astmatické záchvaty. Ozón neodstraňuje částice. Aby bylo možné zabíjet mikroorganismy, musí být úrovně ozónu tak vysoké, že by to bylo také škodlivé pro lidské zdraví. Naopak, na nízkých úrovních, které by byly neškodné pro člověka, generátory ozónu nemají vliv na čištění vzduchu.

Závěry: Ať už ve své čisté formě nebo ve směsi s jinými chemickými látkami, ozón může být zdraví škodlivý. Při vdechnutí může poškodit plíce. Relativně malé množství ozónu může způsobit bolest na hrudi, kašel, dušnost a dráždění v krku. Může také zhoršit chronické onemocnění dýchacích cest, jako je astma, a také ohrozit schopnost těla v boji proti respiračním infekcím.

tags: #analyza #ovzdusi #ozon #metody

Oblíbené příspěvky:

• Komplexní pohled na problematiku ochrany ovzduší
• Udržitelné hospodaření v Jeseníkách
• Prezentace o klimatických změnách
• Tristan Gooley a orientace
• Vyklízení dřevěného odpadu Velké Karlovice