Průběžné monitorování znečištění ovzduší škodlivými pevnými částicemi a aerosoly

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]. 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.

Stručný úvod k pevným částicím a aerosolům

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. Proto je důležité analyzovat chemické složení těchto znečišťujících látek nejen pro stanovení dlouhodobých účinků po expozici, ale také pro identifikaci jejich zdrojů, aby bylo možné podniknout kroky ke snížení jejich emisí.

Metrohm: Obrázek 1. Porovnání velikosti částic Převzato z [3]

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. Aerosoly jsou na druhé straně ještě menší než PČ, a z toho důvodu mohou se mohou vznášet v atmosféře po delší dobu.

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. Odběr reprezentativních vzorků a s tím spojená analýza jsou však nejnáročnějšími kroky monitorování ovzduší.

Monitorování ovzduší – dříve a nyní

Analýza PČ a aerosolů se skládá tradičně ze dvou kroků: odběru a analýzy vzorku. Pro odběr reprezentativních vzorků je důležité použít vhodné vybavení a techniky pro odběr vzorků.

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. Metoda je navíc těžkopádná a má malou přesnost, což znemožňuje průběžné on-line měření.

Průběžný odběr vzorků je nanejvýš důležitý, protože umožní citlivé sledování změn v iontovém složení aerosolů. Ale jak je možné toto učinit?

Metrohm Process Analytics je známým poskytovatelem analytických řešení pro analýzu vzduchu a aerosolů s bohatými zkušenostmi a odbornými znalostmi v oboru. Nabízíme komplexní portfolio pokročilých přístrojů, softwaru a příslušenství, které umožňují přesné a spolehlivé měření částic ve vzduchu.

Nejslibnější přístroje pro sběr aerosolu, často označované jako zařízení pro sběr páry, jsou znázorněny na Obrázku 2 a to Metrohm AeRosol Sampler (MARS) a 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air (MARGA).

Metrohm: Obrázek 2. Inline příprava vzorků pro plynné vzorky je zjednodušena pomocí systémů MARGA 2060 (vlevo) nebo MARS (vpravo) od společnosti Metrohm Process Analytics

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. Detailní pohled na Metrohm AeRosol Sampler (MARS)

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. Shromážděné kapičky předem smíchané s nosnou vodou se kontinuálně přivádějí do vzorkovacích smyček nebo předkoncentračních kolon pro analýzu.

Metrohm: Obrázek 4. Vlhký rotační denuder (VRD) pro snadné odstranění plynu

Metrohm: Obrázek 5. Steam Jet Aerosol Collector (SJAC) zastoupený MARS a 2060 MARGA

MARS vs. 2060 MARGA – jaká je správná volba?

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. Na rozdíl od plynů mají aerosoly nízké rychlosti difúze a tím procházejí skrze VRD bez ovlivnění.

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 trvalejší řešení se MARGA M 2060 používá pro monitorování kvality ovzduší 24 hodin denně, 7 dní v týdnu.

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. MARS umožňuje komplexní analýzu vzorků vzduchu s IC, VA nebo oběma

Tabulka 1 Rozdíly mezi 2060 MARGA a MARS. MARGA R 2060 je určen pro výzkumné účely s odnímatelným iontovým chromatografem, zatímco model 2060 MARGA M je určen pro specializované monitorování kvality vzduchu se dvěma integrovanými integrovanými IC.

Parametr / MARS

• Velikost vzorku / Velikost vzorku vzduchu: 0,5–1,0 m³/h
• Druh znečišťujících látek / Vhodné pouze pro analýzu aerosolů
• Druh znečišťujících látek / Aerosoly: Cl¯, NO₃¯, SO₄²¯, F¯, NH₄⁺, Na⁺, Ca₂⁺, Mg₂⁺, K⁺
• Druh znečišťujících látek / Plyny: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
• Druh znečišťujících látek / MARS může měřit různé znečišťující látky, jako jsou sírany, dusičnany a amonné ionty.
• Metoda analýzy / Lze spárovat s různými analytickými technikami (např. IC, VA atd.)
• Metoda analýzy / Techniky jednoduché nebo vícenásobné analýzy
• Časové rozlišení / Nepřetržité monitorování vzduchu
• Způsob odběru vzorků / SJAC
• Rozměry v mm (š/v/h) / 660/605/605
• Zamýšlené použití / Výzkum

Parametr / 2060 MARGA

• Velikost vzorku / Velikost vzorku vzduchu: 0,5–1,0 m3/h
• Druh znečišťujících látek / Analýza aerosolů a plynů
• Druh znečišťujících látek / Plyny: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
• Druh znečišťujících látek / Aerosoly: Cl¯, NO₃¯, SO₄²¯, F¯, NH₄⁺, Na⁺, Ca₂⁺, Mg₂⁺, K⁺
• Druh znečišťujících látek / MARGA může měřit různé znečišťující látky, jako jsou síranové, dusičnanové a amonné ionty, stejně jako stopové plyny, včetně oxidu siřičitého a amoniaku.
• Metoda analýzy / Dva integrované IC
• Metoda analýzy / Technika jediné analýzy
• Časové rozlišení / Nepřetržité monitorování vzduchu
• Způsob odběru vzorků / WRD a SJAC
• Rozměry v mm (š/v/h) / 2060 MARGA R: 660/930/605 a 2060 MARGA M: 660/1810/605
• Zamýšlené použití / 2060 MARGA R – Výzkumné kampaně a 2060 MARGA M – Vyhrazené nepřetržité monitorování

Následující část porovnává výsledky, aby zjistila, zda existuje nějaká korelace mezi 2060 MARGA a MARS v odběru vzorků a měření aerosolů. Vzhledem k tomu, že výsledky měření aerosolů pomocí MARGA 2060 jsou známé jako přesné [8], dobrá korelace by naznačovala, že MARS měří aerosoly také přesně.

Níže uvedené grafy ukazují výsledky aerosolů okolního vzduchu v Schiedamu v Nizozemsku, měřené mezi 6. a 9. červnem 2022 systémy MARGA a MARS 2060 pomocí iontové chromatografie (Obrázek 6).

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. Pokud jsou data korigována na 60 minut pomocí klouzavého průměru, pak jsou koncentrace měřené pomocí MARS a 2060 MARGA podobné.

Metrohm: Obrázek 6. Srovnávací test ukazující výsledky pro různé parametry kvality vzduchu měřené 2060 MARGA

Metrohm: Obrázek 6. Srovnávací test ukazující výsledky pro různé parametry kvality vzduchu měřené MARS

Závěr

Monitorování 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. Je důležité měřit kvalitu vzduchu pomocí nástrojů, jako je MARS nebo 2060 MARGA od Metrohm Process Analytics, abychom pochopili její dopad a vyvinuli účinné strategie ke snížení expozice. Tímto způsobem můžeme pracovat na vytvoření zdravějšího a udržitelnějšího prostředí pro všechny.