Měření chemických látek v ovzduší: Metody a postupy

Znečištění životního prostředí je jedním z významných rizik, které negativně ovlivňuje zdraví člověka. Rozbory emisí, imisí a ovzduší jsou realizovány dle požadavků na limity znečištění daných vyhláškou č. 415/2012 Sb. v platném znění pro zdroj znečištění (emise) a vyhláškou č. 330/2012 Sb.

I. Metodika analýzy látek v ovzduší metodou GC/MS se sorpčními trubičkami Tenax

Chemická laboratoř Institutu ochrany obyvatelstva má pro uvedené účely k dispozici mobilní plynový chromatograf s hmotnostním detektorem EM 640. Obecně jsou postupy analýzy systémem GC/MS známy, ale pro každý přístroj i účel použití je třeba optimalizovat a ověřit známé obecné metodiky.

Metodika analýzy látek v ovzduší metodou GC/MS se sorpčními trubičkami Tenax je určena pro identifikaci a stanovení těkavých organických látek v ovzduší. Látky v proudu vzduchu procházejí adsorpčními trubičkami a adsorbují se na sorbentu Tenax. V termodesorpčním modulu přístroje dochází k desorpci analyzovaných látek a dále k jejich separaci na chromatografické koloně.

Software mobilního plynového chromatografu s hmotnostním detektorem EM 640 Bruker DataAnalysis porovnává naměřená hmotnostní spektra analyzovaných látek se spektry uloženými v knihovnách a provede identifikaci neznámých organických látek ve vzorku.

Tenax patří mezi syntetické sorbenty, které jsou v současné době hojně používány. Hlavní jejich předností je skutečnost, že jejich cílenou přípravou lze dosáhnout požadovaných vlastností. Tenax je chemicky poly-2,6-difenyl-pfenylenoxid se specifickým povrchem 19 až 30 m²/g. Studium jeho vlastností ukázalo, že se jedná o mimořádně vhodný sorbent na nejvýznamnější těkavé organické látky typu alkanů, aromatických uhlovodíků a chlorovaných uhlovodíků, a to jak z hlediska sorpce ze vzduchu tak z hlediska následné tepelné desorpce.

Čtěte také: Jak správně ohlásit emise kotle?

Pro analýzu zcela neznámých látek je pak třeba volit určitý kompromis, aby výtěžnost adsorpce byla co největší a metodika pro různé analyty tak co nejcitlivější. Tato problematika je aktuální právě v případě sorbentu Tenax, jehož specifický povrch není např. možnost získání analyzované složky v původním stavu, tj. trubičkou se prosává pouze takové množství vzduchu, aby nedošlo k eluci nejtěkavější složky ze sorbentu.

II. Optimalizace metodiky odběru vzorků vzduchu

Hlavním konečným cílem studia bylo stanovení optimální metodiky odběru vzorků vzduchu, a to jak pro jednotky PO tak pro chemické laboratoře HZS krajů. V praxi výjezdové skupiny Institutu ochrany obyvatelstva a chemických laboratoří HZS krajů je optimalizovaný postup běžně používán pro identifikaci látek. Velice často však žadatel požaduje po výjezdové skupině odhadnout na základě získaných výsledků koncentrace identifikovaných látek. K tomu však chemická laboratoř dosud nemá potřebné podklady.

1. Vliv doby prosávání

Přesné koncentrace uvedených látek byly připraveny v proudu filtrovaného vzduchu pomocí Dynamické kalibrační jednotky SYCOS K-DPG (Ansyco, SRN) s regulovatelným průtokem vzduchu. Takto byla připravena vzdušná směs látek o koncentraci 2 až 4 ppm a potom směs o koncentraci cca 2,5krát vyšší. Analýza látek byla provedena pomocí termodesorpčního zařízení plynového chromatografu s hmotnostním detektorem EM 640.

Časové závislosti množství látek, které se při průtoku vzduchu 0,5 l/min zachytí na adsorbentu trubičky, jsou uvedeny na obr. 1 a 2. Pro ilustraci vlivu doby prosávání byly zvoleny různé výchozí koncentrace látek, a to 2 až 4 ppm (obr. 1) a dále pak koncentrace cca 2,5krát vyšší (obr.

Množství zachyceného n-heptanu, jako nepolární málo těkavé látky, s dobou prosávání roste s relativně nízkou strmostí až do doby 15 až 20 minut. Zcela jiná je časová závislost množství zachyceného 1-butanolu, tj. polární málo těkavé látky. U nejtěkavější ze studovaných látek - methylethylketonu - roste množství zachycené látky s dobou prosávání do času 5 až 10 minut, kdy je maximální. Množství adsorbovaného chlorbenzenu, jako zástupce středně polární a středně těkavých látek, s časem strmě roste až do doby prosávání 5 minut.

Čtěte také: Postupy měření emisí 2T

2. Vliv rychlosti průtoku vzduchu

Vliv rychlosti průtoku vzduchu (Q) na množství látky zachycené na adsorbentu byl studován při době prosávání vzduchu 20 minut a koncentracích analyzovaných látek ve vzduchu 2 až 4 ppm. Průtok vzduchu byl regulován v rozmezí 0,1 až 5,0 l/min. Závislosti jsou graficky vyjádřeny na obr. 3.

S rostoucím průtokem vzduchu se v trubičce Tenax podobně chovají chlorbenzen a 1-butanol. Podobné jsou rovněž závislosti množství zachycených n-heptanu, jako nepolární netěkavé látky, a methylethylketonu, tj. těkavé látky. S rostoucím průtokem vzduchu roste výtěžnost adsorpce až do rychlosti prosávání 0,5 l/min.

3. Optimální postup adsorpce

Studiem záchytu par látek různých vlastností (polárních, nepolárních, těkavých a málo těkavých) na trubičkách Tenax za účelem následné analýzy mobilním plynovým chromatografem s hmotnostním detektorem EM 640 s využitím termodesorpčního zařízení bylo zjištěno, že z hlediska dosažení maximální citlivosti analýzy představuje optimální postup adsorpce prosávání vzduchu trubičkou po dobu 20 minut při průtoku vzduchu 0,5 l/min.

Některé tyto jednotky - avšak nikoliv všechny - jsou vybaveny plynovým odběrovým čerpadlem PCXR4, kde se průtok 0,5 l/min nastaví. Všechny jednotky, jichž se odběr vzorků vzduchu týká, jsou však vybaveny chemickým průkazníkem CHP-71. Výsledkem těchto zkoušek bylo zjištění, že průtoku 0,5 l/min se s dostatečnou přesností dosáhne tímto postupem: do komory průkazníkových trubiček se zleva (při pohledu proti komoře) umístí 2 otevřené průkazníkové trubičky na yperit (se žlutým pruhem) a 2 trubičky neotevřené. Regulátor průtoku vzduchu se nastaví až do krajní nulové polohy. Na vstup průkazníku se hadičkou připojí adsorpční trubička a průkazník se zapne. Pomalu se otáčí regulátorem průtoku vzduchu až do chvíle, kdy je slyšet chod čerpadla.

III. Stanovení látek pomocí termodesorpčního zařízení plynového chromatografu s hmotnostním detektorem EM 640

1. Kalibrace a měření

Přesné koncentrace uvedených látek byly připraveny v proudu filtrovaného vzduchu pomocí Dynamické kalibrační jednotky SYCOS K-DPG (Ansyco, SRN) popsané u optimalizace metodiky. Průtok vzduchu byl nastaven na 0,5 l/min. Stanovení látek bylo provedeno pomocí termodesorpčního zařízení plynového chromatografu s hmotnostním detektorem EM 640. Pro každou látku a koncentraci byla provedena 2 paralelní měření. Výsledkem měření byl chromatogram směsi látek, příklad je uveden na obr. 4.

Čtěte také: LPG emise Zlín a Fryšták

2. Kalibrační závislosti

Pro jednotlivé látky byla sestrojena závislost plochy píku v jednotkách cnts na koncentraci látky ve vzdušné směsi a zpracována pomocí statistického software. Bylo zjištěno, že v rozmezí koncentrací podle tabulky 1 jsou tyto závislosti lineární. Příklad kalibrační přímky je uveden na obr.

Zjištěné kalibrační závislosti popsané v tabulce 2 umožňují odhadnout koncentrace látek ve vzduchu. Vzorek vzduchu byl odebrán jednotným předepsaným postupem, tj. K desorpci a analýze vzdušné směsi je použit systém EM 640 a podmínky separace a analýzy podle kapitoly II.1.

3. Ověření spolehlivosti

K ověření spolehlivosti a reprodukovatelnosti uvedených koeficientů k odhadu koncentrace látek v ovzduší se nabízí srovnání s výsledky dosaženými při optimalizaci metodiky odběru vzorků vzduchu na trubičku Tenax, kdy práce byly prováděny v květnu 2006 za identických podmínek. Jak je výše uvedeno, optimalizace byla studována na následujících 4 testovacích látkách, přičemž u konečného postupu byly stanoveny tyto koeficienty: pro n-heptan plocha píku 1.106 cnts odpovídala koncentraci 0,0007 ppm, pro n-butanol 0,013 ppm, pro 2-butanon 0,02 ppm a pro chlorbenzen 0,0008 ppm.

Vzhledem k tomu, že butanol leží přibližně mezi skupinami 1 a 2 a heptan s chlorbenzenem mezi skupinami 3 a 4, je patrná velmi dobrá shoda výsledků, které byly dosaženy ve dvouletém časovém intervalu.

IV. Závěry

Studiem záchytu par látek různých vlastností (polárních, nepolárních, těkavých a málo těkavých) na trubičkách Tenax za účelem následné analýzy mobilním plynovým chromatografem s hmotnostním detektorem EM 640 s využitím termodesorpčního zařízení bylo zjištěno, že z hlediska dosažení maximální citlivosti analýzy představuje optimální postup adsorpce prosávání vzduchu trubičkou po dobu 20 minut při průtoku vzduchu 0,5 l/min. To odpovídá množství prosátého vzduchu 10 l.

Studium závislostí plochy píku na koncentraci 10 látek rozdílných vlastností ve vzdušné směsi odebrané prosáváním trubičkou Tenax a jejich zpracování pomocí statistického software ukázalo, že reprodukovatelnost naměřených výsledků umožňuje využít chromatografická data k odhadu koncentrací látek v ovzduší. Podmínkou je, aby vzorek vzduchu byl odebrán výše uvedeným jednotným předepsaným postupem, aby k desorpci a analýze vzdušné směsi byly použity systém EM 640 a dané podmínky separace a analýzy a aby alespoň přibližně byla zajištěna konstantní koncentrace látky ve vzduchu po dobu odběru.

Měření oxidu uhličitého (CO2) v ovzduší

Článek popisuje vlastnosti oxidu uhličitého a možnosti jeho měření. Měření koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší se provádí zejména za účelem řízení kvality vnitřního vzduchu, za účelem zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce a za účelem řízení technologických parametrů v průmyslových procesech. Kvalita ovzduší v místnostech má významný vliv na pracovní pohodu a udržení pozornosti osob. Jedním z možných důvodů měření koncentrace CO2 v místnostech je získání informace pro efektivní řízení větrání. Pro zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce je z hlediska výskytu CO2 nutné dodržovat zákonné limitní koncentrace na pracovištích, a to zejména na místech, kde se při výrobě používají suroviny, provozní prostředky a postupy, které s sebou nesou riziko vzniku vyšších koncentrací CO2.

Oxid uhličitý (CO2) je bezbarvý plyn, bez zápachu, 1,52× těžší než vzduch. Za mezní hodnoty z hlediska kvality vnitřního ovzduší se považují koncentrace CO2 do 1 500 ppm. Koncentrace nad 1000 ppm mohou být individuálně vnímány jako tzv. Limitní koncentrace CO2 na pracovišti z hlediska činnosti lidského organismu stanovuje nařízení vlády č. 361/2007 Sb. Vystavení organismu vyšším koncentracím CO2 se již považuje za zdraví, resp. životu nebezpečné a nelze podle nich navrhovat komfortní větrací zařízení. Vysoké koncentrace CO2 nad 6 % obj. vedou při delší expozici k silným bolestem hlavy, zvýšení krevního tlaku, hučení v uších a pocitům nevolnosti; při koncentracích nad 10 % obj. CO2 se mohou dostavit epileptické křeče, svalové poruchy, pokles krevního tlaku a bezvědomí s nebezpečím udušení; koncentrace nad 18 % obj. CO2 způsobují krátká ochrnutí a poruchy vědomí, které již mohou mít smrtelné následky; 40 % obj. Člověk produkuje CO2 při dýchání v množství, které je závislé na charakteru fyzické činnosti. Vydechovaný vzduch obsahuje cca 4 % obj. CO2. CO2 patří mezi tzv. skleníkové plyny. Celosvětové emise v současné době překračují 30 miliard tun CO2.

Metody měření CO2

Měření se provádí tak, že se detekční trubičkou pomocí mechanické nebo elektrické pumpy prosaje definovaný objem vzduchu, přičemž dojde vlivem chemické reakce detekční vrstvy trubičky s CO2 k jejímu zabarvení. Délka zabarvení detekční vrstvy odpovídá koncentraci CO2. Zvláštním druhem detekčních trubiček jsou difuzní trubičky, které pracují bez prosávací pumpy a měří průměrnou koncentraci CO2 za časový úsek několika hodin. Postupem vývoje měřicích metod přenosných elektronických přístrojů význam trubiček částečně klesá, nicméně v řadě aplikací zůstávají technicky i ekonomicky nejvhodnější metodou měření. Jednou z výhod detekčních trubiček je, že se dodávají v provedeních pro široké spektrum měřicích rozsahů. Tyto přístroje pracují obvykle kontinuálně a aktuální měřenou koncentraci obvykle zobrazují v číselné podobě na displeji. Měřený signál předávají ve standardních analogových veličinách nebo komunikačních protokolech do informačních či řídicích systémů klimatizace.

Senzory pro měření CO2

1. Infračervený (IR) senzor: Senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách CO2. Měřítkem koncentrace je zeslabení intenzity infračerveného záření určité vlnové délky, které převádí detekční prvek - pyrodetektor na elektrický signál. Tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Postupem vývoje byly ze senzorů využívajících vlastností IR spektra eliminovány citlivé pohyblivé součásti, tlakové senzory byly nahrazeny pyrodetektory s přesnými filtry a současné kvalitní senzory zpravidla obsahují plnohodnotné kompenzační prvky. Jistým limitujícím faktorem měřicích vlastností IR senzorů je skutečnost, že vyšší koncentrace CO2 vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru.
2. Elektrochemický senzor: Senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu, který vzniká reakcí 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 doprovází v případě CO2 nevýhoda poměrně krátké životnosti senzoru, která je cca 1 až 2 roky. Rychlejší stárnutí senzorů je způsobeno chemickými změnami vedoucími k postupnému vyčerpání elektrolytu. Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru kompenzovat novou kalibrací.
3. Polovodičový senzor: Jedná se o nejlevnější řešení, avšak jeho měřicí vlastnosti nejsou použitelné pro určování exaktní koncentrace CO2. Měření koncentrace je založeno na změně vodivosti polovodiče za přítomnosti cílového plynu. Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india). Polovodičové senzory nejsou využitelné v bezpečnostních průmyslových aplikacích.

Volba přístrojů pro měření koncentrace CO2

Volba přístrojů pro měření koncentrace CO2 by měla vždy vycházet ze zhodnocení charakteru aplikace a účelu použití. Pokud je účelem občasné měření nebo měření pro kontrolní účely, mohou být vhodnou volbou detekční trubičky. Pro frekventovanější měření a osobní bezpečnostní aplikace lze doporučit přenosné přístroje s IR nebo elektrochemickými senzory. Upřednostňovanou volbou pro stacionární bezpečnostní komerční a průmyslové aplikace by měly být přístroje s IR senzory připojené na měřicí ústřednu. Pro aplikace řízení větrání a klimatizace v budovách je podle nároků na kvalitu měřené hodnoty vhodné volit přístroje s IR senzory nebo ekonomicky výhodnější přístroje s polovodičovými senzory. Správný výběr a nasazení techniky pro měření plynů je vždy potřebné doplnit o procesy, které zajistí provozuschopnost a funkčnost přístrojů. Standardním postupem je pravidelná kontrola a kalibrace přístrojů odborným servisním personálem, která by se měla provádět minimálně jedenkrát za rok. Přístroje používané v bezpečnostních aplikacích se navíc obvykle testují v kratších intervalech. Bezpečnostní manažeři v průmyslových podnicích stále častěji vyžadují provedení funkční zkoušky před každým nasazením přístroje.

tags: #měření #chemických #látek #v #ovzduší #metody

Oblíbené příspěvky:

• Výroba okénka do přírody
• Povolení k instalaci drtičky odpadu
• Klimatická změna a emise
• Postupy a tipy pro lakování vozu
• Jak třídit odpad