Jak se měří kvalita ovzduší: Metody a technologie

Kvalita ovzduší zásadně ovlivňuje zdraví životního prostředí a lidí. Znečištění ovzduší je definováno Světovou zdravotnickou organizací (WHO) jako "kontaminace vnitřního nebo vnějšího prostředí jakýmkoli chemickým, fyzikálním nebo biologickým činitelem, který modifikuje přirozené vlastnosti atmosféry". Vysoké úrovně znečištění mohou způsobit respirační problémy, srdeční a další onemocnění (např. rakovinu). Proto je už nyní vývoj technologií pro monitoring znečištění ovzduší nezbytným nástrojem environmentálního managementu.

Integrace technologií pro sledování znečištění ovzduší umožňuje detailní analýzu kvality ovzduší na lokální i regionální úrovni. Aplikace modulárních senzorových sítí, datových platforem nebo inteligentních systémů pro identifikaci zdrojů znečištění znamená nesporný přínos pro každodenní život běžných obyvatel, firem, měst, krajů i státu.

Jedná se o velký problém a to vzhledem k tomu, že 99% světové populace dýchá vzduch, který svou kvalitou nesplňuje doporučené limity WHO. Mohou také způsobit kyselé deště, poškodit plodiny, snížit růst a produktivitu rostlin a poškodit volně žijící zvěř.

Metody měření znečištění ovzduší

V praxi jsou k měřením znečištění ovzduší využívány nejrůznější typy přístrojů, čidel či analyzátorů, lišící se pořizovací cenou, provozními náklady, a tím i přesností a nejistotou měření. To vše se zákonitě odráží v kvalitě dat, která tyto přístroje poskytují.

Klasická gravimetrická metoda

Klasická gravimetrická metoda měří koncentraci hrubých (PM10, o velikosti do 10 µm) a jemných (PM2,5, o velikosti do 2,5 µm) pevných částic ve vzduchu. Princip této metody spočívá v nasávání vzorku vzduchu do lapačů prachu, kde se nečistoty zachytí na jednorázových filtrech. Tyto filtry se v laboratoři váží jak před, tak po odběru a pravidelně se vyměňují. Podle rozdílu hmotnosti se pak určuje aktuální koncentrace prachu ve vzduchu měřená v mikrogramech na metr krychlový.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Moderní automatické měřicí systémy

Moderní automatické měřicí systémy umožňují průběžné měření znečištění ovzduší v reálném čase. Systémy k monitoringu využívají laserová a optická čidla detekující koncentrace hrubých a jemných pevných částic.

• Senzory částic - Už zmíněná laserová čidla detekují prachové částice o velikosti 0,3-10 mikrometrů.

Bezdrátové systémy a centrální systémy

Pro sběr a analýzu dat se čím dál více využívá úzkopásmový IoT (internet věcí). Senzory přes úzkopásmové sítě data o znečištění, teplotě, vlhkosti a dalších parametrech průběžně odesílají do centrálních datových serverů. Data z jednotlivých senzorů je možné shromažďovat také v centrálních systémech, kde dochází k jejich následnému zpracování, vizualizaci a analýze. Například Moravskoslezský kraj využívá inteligentní identifikační systém zdrojů znečištění ovzduší (IIS). Ten spojuje emisní data s konkrétními lokalitami a procesy.

Například ostravský pilotní výzkumný projekt CLAIRO systematicky snižuje znečištění ovzduší výsadbou zeleně. Pro porovnávání výsledků pomocí modulárních sítí senzorů v reálném čase měří koncentraci pevných částic i plynů.

Pevné částice a aerosoly

Z různých látek znečišťujících ovzduší vzbuzují zvláštní obavy pevné částice a aerosoly. Pevné částice (PČ) jsou obecně definovány jako malé pevné částice rozptýlené v plynu, zatímco aerosoly jsou jemnější kapičky kapaliny nebo pevné částice, které zůstávají rozptýlené v plynech po významnou dobu. Obojí mohou negativně ovlivnit lidské zdraví, zejména pokud je jejich průměr menší než 2,5 μm (PM2.5). Aerosoly a PČ mohou být vytvořeny přírodními jevy, jako jsou sopečné erupce nebo lidskou čínností jako jsou např. průmysl a doprava.

Tyto miniaturní částice mohou být transportovány vzduchem na velké vzdálenosti a způsobit komplikace daleko od jejich zdroje. Čím menší je velikost částic, tím hlouběji mohou proniknout do dýchacího systému. Zatímco hrubší prachové částice (PČ10) jsou většinou zadržovány nosními chlupy, jemné částice (PČ 2,5) mohou proniknout hluboko do plic a způsobit podráždění.

Čtěte také: Jak často na emise?

Pro získání lepšího přehledu o účincích znečištění ovzduší na lidské zdraví a životní prostředí, je zapotřebí přesných měření, která určují množství a chemické složení rozptýlených částic s vysokým časovým rozlišením. Analýza PČ a aerosolů se skládá tradičně ze dvou kroků: odběru a analýzy vzorku. Při odběru vzorků se obvykle využívá filtračního procesu. Částice se shromažďují na substrátech s filtry, které jsou po určité době odstraněny pro extrakci deionizovanou vodou pro následnou analýzu. Průběžný odběr vzorků je nanejvýš důležitý, protože umožní citlivé sledování změn v iontovém složení aerosolů.

Nástroje pro monitorování kvality ovzduší od Metrohm Process Analytics

Metrohm Process Analytics je známým poskytovatelem analytických řešení pro analýzu vzduchu a aerosolů s bohatými zkušenostmi a odbornými znalostmi v oboru. Pokud jde o chemickou analýzu, zařízení MARS je propojeno s mokrými chemickými analyzátory, jako je kationtový a/nebo aniontový chromatograf (IC) nebo voltametrický systém, zatímco 2060 MARGA má integrované aniontové a kationtové IC. Oba přístroje zahrnují plynové denudery (Vlhký rotační denuder (VRD)), vzorkovač růstu kondenzačních částic (Steam-Jet Aerosol Collector (SJAC)), stejně jako čerpací a řídicí zařízení. Tyto přístroje aplikují metodu růstu aerosolových částic v kapky v prostředí přesycené vodní páry.

MARS vs. MARGA 2060

Zatímco MARS byl navržen tak, aby vzorkoval pouze aerosoly, 2060 MARGA navíc detekuje ve vodě rozpustné plyny. Ve srovnání s klasickými denudery, které odstraňují plyny ze vzorku vzduchu před aerosolovým kolektorem (růstovou komorou), shromažďuje MARGA 2060 plynné druhy ve VRD pro online analýzu. MARGA 2060 se dodává ve dvou konfiguracích: R (research) a M (monitoring). Verze MARGA R 2060 je určena pro výzkumné kampaně, jako je studium sezónní variability kvality ovzduší. Pokud se iontový chromatograf nepoužívá, může být odpojen a znovu použit pro další laboratorní výzkum.

Pro srovnání, MARS lze použít jako před kondicionační jednotku pro několik analytických technik v okolních nebo průmyslových prostředích, jako je IC, voltametrický (VA) přístroj, hmotnostní spektrometr (MS) nebo analyzátor celkového organického uhlíku (TOC). Alternativně lze vzorky v režimu offline odebrat pomocí automatického podavače vzorků. Pro okamžité vyhodnocení výsledků lze MARS také vzdáleně propojit s libovolným analytickým systémem. Na druhou stranu, MARGA 2060 má dva integrované integrované IC, takže nelze spojit s žádnou jinou analytickou technikou.

Následující tabulka porovnává rozdíly mezi 2060 MARGA a MARS:

Čtěte také: Schopnost krajiny zadržovat vodu

Následující část porovnává výsledky, aby zjistila, zda existuje nějaká korelace mezi 2060 MARGA a MARS v odběru vzorků a měření aerosolů. 2060 MARGA má dobu cyklu 60 minut (normální doba cyklu), zatímco MARS má dobu cyklu 30 minut. Data ukazují podobný trend mezi oběma systémy, ale protože MARS generuje dvakrát více údajů, jsou jeho údaje o koncentraci aerosolu vyšší ve srovnání s údaji z MARGA 2060.

Typy senzorů pro měření plynů

Zatím totiž neexistuje jedna společná technologie, která by to umožňovala. Pro účely měření kvality vzduchu by bylo nejpraktičtější použít jeden senzor, který by uměl rozlišovat a nezávisle na sobě analyzovat jednotlivé složky vzduchu a pak ukazovat jejich koncentrace či je porovnávat s přednastavenými limity.

Přesněji řečeno, je možné jedním senzorem analyzovat jeho kvalitu, ale jako souhrnný plyn, kdy sice je možné informovat o jeho nedostatečné kvalitě, ale již nelze určit, která složka vzduchu konkrétně je závadná. Každá látka totiž na základě svých fyzikálně-chemických vlastností daných jeho složením vyžaduje odlišné fyzikální způsob měření, tedy konkrétně převodu chemické koncentrace na elektrický signál, lze následně již elektronicky zpracovávat a vyhodnocovat.

GSS/MOS senzory

GSS či MOS senzory plynů využívají technologii založenou na interakci molekul plynu s vodivým materiálem, u něhož mění svojí přítomností jeho elektrickou vodivost. Ta je pak následně již elektricky vyhodnocována. Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india). Pro některé plyny je tato snímací vrstva vytápěná na teploty 270°C až 900°C.

V současnosti je snaha výrobců pro běžné uživatelské účely měření (běžné monitorování a regulace / hlídání limitů) prakticky vždy použít polovodičové provedení senzoru, které výhodné díky jejich ceně a dlouhodobé životnosti v čistém prostředí a nízkých měřicích rozsazích. Stručně řečeno: GSS/MOS senzory jsou uživatelsky nenáročné a lze jej velmi dobře miniaturizovat a masově vyrábět. Proto jsou GSS/MOS senzory obecně levné, ale bohužel nejsou zatím dostupné a vhodné pro všechny druhy plynů, i když se nabídka s postupným vývoje nových snímacích materiálů neustále rozšiřuje.

GSE/EC senzory

GSE či EC senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu na základě chemické redukce či oxidace molekul sledovaného plynu s elektrolytem uzavřeným v těle senzoru. Materiál elektrod, elektrolyt i napětí mezi elektrodami jsou zvoleny tak, aby na měřicí elektrodě docházelo k elektrochemické reakci doprovázené vznikem volných elektronů. Dobré měřicí vlastnosti elektrochemického senzoru jsou obvykle vykoupeny poměrně krátkou životností senzoru (cca 1 až 2 roky). Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru často kompenzovat novou kalibrací.

PID foto-ionizační detektory

Princip PID foto-ionizačních detektorů je založený na měření počtu excitovaných iontů molekul ionizovaných plynů vlivem energie dodané fotony ultrafialového záření (dodávaným UV světlem). Molekuly plynu procházející generovaným světlem jsou pak ionizovány v případě, že jejich ionizační energie je nižší nebo rovna energii fotonů světla z lampy. Stručně řečeno: PID senzory umožňují měření / detekci jen těkavých VOC plynů. Na druhou stranu PID senzory dosahují velkého měřícího rozsahu koncentrací a dobré přesnosti a časové stability.

NDIR senzor

NDIR senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách měřeného plynu (např. CO2). U současných moderních provedení tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Nevýhodou je vyšší pořizovací cena a omezená možnost miniaturizace. Jistým limitujícím faktorem je skutečnost, že vyšší koncentrace plynu vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru, protože příliš mnoho molekul je schopno pohltit prakticky veškeré IR záření sledovaných vlnových délek a tedy na přijímač záření již žádné nedopadne.

Legislativní rámec a normy kvality ovzduší

Kvalita ovzduší závisí na stupni znečištění některými látkami (plyny nebo prachovými částicemi), které jsou škodlivé lidskému zdraví a kvalitě života a které, pokud překročí rizikové či prahové hodnoty, mají negativní vliv na přírodní ekosystémy. Abychom omezili riziko akutních případů znečištění a snížili dlouhodobé vystavování těmto škodlivinám, Světová zdravotnická organizace (WHO) definuje a pravidelně reviduje pomocné doporučené hodnoty pro každou znečišťující látku na základě epidemiologických studií a studií řízené expozice. Normy kvality ovzduší, které by se neměly překračovat, stanoví Evropská směrnice nebo národní a/či místní orgány.

Evropské směrnice uvádějí, že se pro zóny a aglomerace, kde jsou překračovány mezní hodnoty1 jedné či více škodlivin, musí vypracovat plán či program k dosažení stanovených mezních hodnot. Tento indikátor se soustředí na hlavní zdroje znečištění ovzduší v městských oblastech, zejména na ty spojené s procesy spalování v dopravě, vytápění a průmyslu. Hlavními škodlivinami, které jsou vypouštěny přímo nebo jako vedlejší produkt následných chemických reakcí, jsou oxid siřičitý; oxid dusičitý; oxid uhelnatý; těkavé organické látky (např. benzen); prachové částice, ozón a olovo. Ty mají negativní vliv na lidi, kulturní památky a ekosystémy. Dýchání zamořeného vzduchu může způsobit celou škálu zdravotních problémů, od astma až po rakovinu.

Řízení kvality ovzduší zahrnuje hodnocení jeho kvality a přípravu a zavádění plánu či programu, který určí opatření nebo projekty, jenž je potřebné přijmout k dosažení mezních hodnot v oblastech, kde jsou překračovány. Plán nebo program řízení musí obsahovat opatření pro hlavní zdroje škodlivin. Opatření se mohou vztahovat přímo k řízení mobility (včetně opatření týkající se přepravy cestujících a zboží, individuálního využití automobilů, hromadné přepravy, zavádění alternativních dopravních prostředků), topných systémů (ve vhodných případech propagace alternativních zdrojů energie jako sluneční, tepelná energie nebo využití dálkového vytápění) nebo průmyslové výroby.

Podle Rámcové směrnice o kvalitě ovzduší (Community Framework Directive on Ambient Air Quality, 96/62/EC), související dceřiné směrnice zavádějí mezní hodnoty pro odstranění, prevenci či snížení škodlivých vlivů na lidské zdraví a životní prostředí jako celek. Mezní hodnoty stanovené ve výše uvedených směrnicích jsou minimální požadavky, které umožňují členským státům zavést přísnější limitní hodnoty a ochranná opatření.

Smogové situace a doporučení

Smogová situace je stav mimořádně znečištěného ovzduší, kdy úroveň znečištění suspendovanými (prachovými) částicemi PM10, přízemním (troposférickým) ozonem (O3), oxidem siřičitým (SO2) nebo oxidem dusičitým (NO2) překročí některou z informativních prahových hodnot uvedených v příloze č. 6 zákona č. 201/2012 Sb. Zimní smogové situace spojené s vysokými koncentracemi suspendovaných (prachových) částic se nejčastěji pozorují v chladném období roku, tedy od října do března, kdy vznikají jako důsledek spalování fosilních paliv v kombinaci s nepříznivými rozptylovými podmínkami (nízká rychlost větru, výskyt teplotní inverze).

Osobám s chronickými dýchacími potížemi, srdečním onemocněním, seniorům, těhotným ženám a malým dětem se po vyhlášení smogové situace doporučuje zdržet se při pobytu pod širým nebem zvýšené fyzické zátěže spojené se zvýšenou frekvencí dýchání. U dospělých osob bez zdravotních potíží nejsou nutná žádná omezení.

Při zimních smogových situacích jsou nejlepší podmínky pro větrání v brzkých odpoledních hodinách, jelikož nejvyšších hodnot škodlivin je dosahováno v ranních hodinách před východem slunce a večer po jeho západu. Koncentrace v tomto případě kopírují denní změny rozptylových podmínek a denní rytmus aktivity obyvatel (vytápění, intenzita dopravy).

tags: #jak #se #měří #kvalita #ovzduší #metody

Oblíbené příspěvky:

• Ekologické bydlení a finance
• Spalování odpadu a jeho rizika
• Výlet do Pohádkového lesa
• Třídění odpadu ve třídě
• Podzimní barvy listí