Vzorky ovzduší: Metody odběru vzorků částic a jejich analýza

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" [1]. Vysoké úrovně znečištění mohou způsobit respirační problémy, srdeční a další onemocnění (např. rakovinu). Mohou také způsobit kyselé deště, poškodit plodiny, snížit růst a produktivitu rostlin a poškodit volně žijící zvěř.

Jedná se o velký problém a to vzhledem k tomu, že 99% světové populace dýchá vzduch, který svou kvalitou nesplňuje doporučené limity WHO [1,2]. Kvalita ovzduší zásadně ovlivňuje zdraví životního prostředí a lidí. 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.

Pevné částice a aerosoly

Z různých látek znečišťujících ovzduší vzbuzují zvláštní obavy pevné částice a aerosoly. Tento článek na blogu pojednává o těchto látkách přispívajících ke znečištění ovzduší a zdůrazňuje dva nástroje určené k průběžnému monitorování parametrů kvality ovzduší.

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, Obrázek 1.). Aerosoly a PČ mohou být vytvořeny přírodními jevy, jako jsou sopečné erupce nebo lidskou čínností jako jsou např. průmysl a doprava. Metrohm: Obrázek 1. 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. Několik studií spojilo PČ se zdravotními problémy (např. respiračními problémy) a s environmentálními problémy (např. zhoršení viditelnosti) [4-6]. Zatímco hrubší prachové částice (PČ10) jsou většinou zadržovány nosními chlupy, jemné částice (PČ 2,5) mohou proniknout hluboko do plic a způsobit podráždění.

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 [7]. Avšak tato metoda je schopna stanovit pouze průměry za 24 nebo více hodin. Průběžný odběr vzorků je nanejvýš důležitý, protože umožní citlivé sledování změn v iontovém složení aerosolů.

Čtěte také: Ekologická kosmetika – vzorky zdarma

Metody měření znečištění ovzduší

Existuje několik metod pro měření znečištění ovzduší, včetně:

• Klasická gravimetrická metoda: Tato 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.
• 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 a systémy

• Senzory částic: Už zmíněná laserová čidla detekují prachové částice o velikosti 0,3-10 mikrometrů.
• Detektory plynu: Senzory pro detekci oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, formaldehydu a těkavých organických sloučenin sledují znečištění vzduchu plyny. Tyto integrované moduly bývají obohaceny o meteorologická čidla pro měření teploty, vlhkosti a tlaku.
• Bezdrátové 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.
• Centrální systémy: 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.

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. Metrohm: Obrázek 2. Pokud jde o chemickou analýzu, zařízení MARS (Obrázek 3.) 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 (viz video). Metrohm: Obrázek 3. Oba přístroje zahrnují plynové denudery (Vlhký rotační denuder (VRD), Obrázek 4.), vzorkovač růstu kondenzačních částic (Steam-Jet Aerosol Collector (SJAC), Obrázek 5.), stejně jako čerpací a řídicí zařízení. Tyto přístroje aplikují metodu růstu aerosolových částic v kapky v prostředí přesycené vodní páry. Metrohm: Obrázek 4.

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 (Obrázek 7.) 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. Metrohm: Obrázek 7.

Následující tabulka shrnuje rozdíly mezi 2060 MARGA a MARS:

Čtěte také: Studie o mikroplastech v Labi

Následující část porovnává výsledky, aby zjistila, zda existuje nějaká korelace mezi 2060 MARGA a MARS v odběru vzorků a měření aerosolů. Níže uvedené grafy ukazují výsledky aerosolů okolního vzduchu v Schiedamu v Nizozemsku, měřené mezi 6. a 9. 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. Metrohm: Obrázek 6.

Odběr vzorků

Odběr vzorků plynných látek, škodlivin a prachů může probíhat pasivně nebo aktivně. Pro aktivní odběr se používají čerpadla a odběrová média jako jsou sorpční trubičky, odběrové vaky, odběrové hlavice a kazety s různými typy filtrů a impingery. Pro pasivní odběr se používají samplery se sorbenty.

Příprava vzorků: U přípravy vzorků se používá celá řada technik, které slouží k odběru, skladování a úpravě vzorku. Mezi nejpoužívanější techniky patří: Dávkování kapalin, Filtrace, Flash chromatografie, Homogenizace, a další.

Měření pevných částic ve vzduchu

Pevné částice ve vzduchu jsou mikroskopické částice pevného materiálu, které jsou volně rozptýleny ve vzduchu. Tyto částice mohou pocházet z různých zdrojů, jako jsou průmysl, doprava, požáry nebo přírodní procesy.

Údaje dokumentující úroveň znečištění ovzduší v České republice naměřené v posledních dvou dekádách (ČHMÚ 2000-2022) jednoznačně vypovídají o tom, že mezi nejproblematičtější znečišťující látky, jejíchž koncentrace v přízemním ovzduší často překračují stanovené imisní limity, patří prachové částice PM10, PM2.5. Tyto suspendované částice emitované ze spalovacích procesů navíc na rozdíl od ostatních plynných polutantů nereprezentují pouze jednu chemickou látku, nýbrž obsahují celé spektrum různých složek s vyšší či nižší mírou toxicity (Feretti et al. 2019), které jsou bohatě zastoupeny zejména na složitě strukturovaném povrchu těchto částic (Rodriguez, et al. 2019, Liu et al. 2017) - viz Obr. Vdechování prachových částic jemných frakcí, zejména PM2.5 a menších pak reprezentuje zdravotní riziko odpovídající toxicitě látek převážně fixovaných na jejich povrchu.

Čtěte také: Liberecký kraj a kvalita ovzduší

Mezi nejrizikovější chemické sloučeniny vnášené do organizmu při vdechování prachových částic ze spalování patří zejména polycyklické aromatické uhlovodíky, jmenovitě pak hojně se vyskytující benzo(a)pyren (Holoubek 1996), který je prokazatelně silně karcinogenní a mutagenní. Další skupinou látek, která je vdechována a šířena do prostředí prostřednictvím prachových částic, jsou toxické kovy a metaloidy (Samara and Voutsa 2005, Zhou et al. 2014 a mnoho dalších). Měření koncentrace prachových částic, resp. jejich jednotlivých velikostních frakcí v přízemním ovzduší je založeno na jejich zachytávání na membráně s otvory definované velikosti, přes kterou proudí nasávaný vzduch.

Kvantita, tj. hmotnost částic kumulovaných ze známého objemu vzorkovaného vzduchu může být vyhodnocována kontinuálně na principu záchytu beta záření prostupujícího vrstvou partikulární hmoty aktuálně nahromaděné na membráně (viz obr.2) nebo automaticky vážena pomocí instalovaných mikrováh. U kontinuálního měření (síť AIM provozovaná ČHMÚ) je membrána v podobě pásky, která se průběžně posouvá a zajišťuje tak přesné odměření kumulované kvantity prachových částic odpovídající protečení definovaného objemu vzduchu (viz obr.2). Kvalita, tedy chemické složení prachových částic, zejména pak obsah výše zmiňovaných látek s vysokou mírou toxicity může být vyhodnocována následně laboratorní analýzou partikulární hmoty kumulované na membráně.

Z hlediska současných požadavků na informace o kvalitě ovzduší však často vyvstává potřeba vyhodnotit konkrétní imisní zátěž prachovými částicemi v různých zájmových lokalitách ležících mimo dosah měřících míst provozované sítě imisního monitoringu. Zde se nabízí využití metod nepřímých založených na vyhodnocování míry depozice prachových částic, které ulpívají na listech rostlin a v delším časovém horizontu ovlivňují chemické charakteristiky půdy. Tyto přístupy jsou typicky využívány pro posuzování vlivu automobilové dopravy z hlediska depozice toxických kovů v okolí různě zatížených komunikací.

Monitoring znečištění ovzduší je stěžejním pro umožnění nám porozumět typům a úrovním znečišťujících látek přítomných ve vzduchu, který dýcháme. Expozice znečištěnému ovzduší může způsobit řadu zdravotních problémů, včetně respiračních onemocnění, kardiovaskulárních onemocnění a dokonce i rakoviny. Může také poškodit životní prostředí tím, že způsobuje kyselé deště, poškozuje ozónovou vrstvu a přispívá ke změně klimatu.

tags: #vzorky #ovzdusi #vzorky #castic #metody

Oblíbené příspěvky:

• Jak správně likvidovat stavební odpad
• Co je ekologická stopa?
• Podíl obnovitelných zdrojů
• Metan a životní prostředí
• Umění a ekologie