FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.
EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 9. Měření znečištění ovzduší OSNOVA 9. KAPITOLY ● ● ● ●
Úvod do měření znečištění ovzduší Hodnocení znečištění ovzduší Měření prašnosti Měření plynných škodlivin
Zdroj ČEZ
ÚVOD DO MĚŘENÍ ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ EMISE generují zdroje znečištění. Přístroje - velký rozsah, malá citlivost. IMISE je stav v ovzduší. Přístroje - malý rozsah, větší citlivost. ŠKODLIVINY TUHÉ - Prach ● Dým (z par tuhých látek) ● Kouř (z nedokonalého spalování) ● Popílek (úlet při spalování uhlí) ● Prach (z drcení, mletí, otěru, exploze) ● Aerosol (prach menší než 1 mm) ŠKODLIVINY KAPALNÉ - Mlha ● Vodní mlha (někdy škodlivina) ● Mlhy olejů ● Mlhy chladicích tekutin ● Mlhy kyseliny chromové ● Mlhy kyseliny sírové apod. ● Smog - kapalné a tuhé škodliviny
ŠKODLIVINY PLYNNÉ Plyny a páry ● Oxid uhelnatý ● Oxid siřičitý ● Oxidy dusíku ● Čpavek ● Chlór ● Sirouhlík ● Sirovodík ● Uhlovodíky ● Ozón ● Organické páry ● ale i H2O 2
HODNOCENÍ ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ HODNOCENÍ TUHÝCH A KAPALNÝCH ŠKODLIVIN ● Kvalitativní Druh škodlivin (chemický rozbor, optické pozorování) ● Kvantitativní Množství škodlivin v objemu (u prachu žádáme někdy i disperzitu - rozložení částic ve vzorku dle velikosti - frakcí)
Hmotnostní koncentrace celková a koncentrace jednotlivých frakcí
i mi m Ci V V
m m C V V
[mg.m-3]
Počet částic v 1 cm3 vzduchu dle frakcí HODNOCENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN ● Kvalitativní Druh škodlivin (chem. rozbor, optické pozorování) ● Kvantitativní Množství škodlivin dle druhu v objemu Objemové koncentrace složek
Vi Vi xi V V
[-],
nebo x 100 [%]
Používá se také [ppm] = parts per milion 1 ppm = 10-4 % dílů na milión = milióntina
3
MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - 1 PRAŠNOST ve venkovním, obytném a pracovním prostředí (má vliv na zdraví lidí, ale i na technologie - čisté prostory)
Přípustné hodnoty počtu částic na m3 pro čisté prostory dle ISO 209 Maximální povolený počet částic v m3 rovný nebo větší než Třída 0,1 mm 0,2 mm 0,3 mm 0,5 mm 1 mm 5 mm ISO 1 101 2 ISO 2 102 24 10 4 ISO 3 103 237 102 35 8 ISO 4 104 2 365 1 018 352 83 ISO 5 105 23 651 10 176 3 517 832 29 ISO 6 106 236 514 101 763 35 168 8 318 293 ISO 7 351 676 83 176 2 925 ISO 8 3 516 757 831 764 29 251 ISO 9 35 167 572 8 317 638 292 511 Prašnost v potrubích (vyšší rychlosti a vyšší koncentrace)
4
MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - 2 METODY MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - PŘÍMÉ A NEPŘÍMÉ Některé z těchto metod lze použít i pro kapalné škodliviny ● Váhové - gravimetrické Váhová metoda s filtry (membránové, ploché, tvarované - z nitrocelulózy či organických mikrovláken) z nehygroskopických materiálů Hmotnostní koncentrace
m2 m1 C V
Nevýhodou je přeceňování velkých částic (hygienicky nedůležité) potlačí se dvoustupňovým prachoměrem (hrubý filtr pro částice větší než 7,5 mm a jemný filtr). Váhová metoda s odběrem vzorků (jednoduchá sonda - zahnutá trubička, nebo kombinované sondy s odběrem tlaků apod.) je vhodná pro kalibraci fotometrických, radiometrických a jiných prachoměrů (dle ČSN 12 4070). Rozsah od 0 do 1000 g.m-3 5
MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - 3 ● ● ● ●
Manometrické (měření vzrůstu tlakové ztráty filtru vlivem zaprášení) Impulsní (měření dynamických účinků částic na destičku) Oscilační (měření vlastní frekvence kmitů zaprášeného pásku) Optické (měření rozptylu či difrakce světla na částicích) Optický prachoměr pro měření četnosti částic různých frakcí
● Mikroskopické (měření počtu částic v odebraném vzorku) ● Elektrické (měření elektrostatického náboje částic) ● Fotometrické a radiometrické (měření zeslabení světelného, infračerveného či záření při průchodu znečištěným vzduchem) ● Spektrometrické (spektrální analýza plynů pro různé vlnové délky) ● Speciální laboratorní zařízení pro vizualizaci částic - Pulzní holografie, PDA systém (Particle Dynamics Analysis) aj. 6
MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - 4 MĚŘENÍ PRAŠNÉHO SPADU - VE VNĚJŠÍM PROSTŘEDÍ ● Sedimentační metoda: Dvojice otevřených nádob 90 mm, ve výšce 2 až 3 m, naplněné vodou s nemrznoucí přísadou. Odběr trvá jeden měsíc (d = 28 až 31), sediment se vysuší a zváží. Prašný spad je dán
m s 30 Sd
[g.m-2.30 dnů-1]
MĚŘENÍ VELIKOSTI ČÁSTIC ● Sběr částic (z filtrů, ze zaprášených pásků, za sedimentačních nádob, ze speciálních sběračů …) Přístroj pro mikrobiologickou kontrolu ovzduší - měří množství vzduchu proteklého filtrem, rozbor usazenin se děje dodatečně 7
MĚŘENÍ PRAŠNOSTI - 5 ● Optická mikroskopie: Vzorek v etylalkoholu dá na sklíčko mikroskopu Výsledky vyhodnocení: Křivky zrnitosti (počet částic určité frakce). Přesnost 10 % vyžaduje měřit 500 částic. ● Elektronová mikroskopie: Pro L< 1 μm ● Moderní optické metody: Jsou progresivnější, měří rozptyl či difrakci světla na částicích s elektronickým zpracováním. Umožní rozlišení četnosti částic dle frakcí. Viz např. PDA (Particle Dynamics Analysis) aj.
Charakteristické rozměry L [μm]
1 d
B C
a
Difrakce světla
A
D
2 L
u2
u1
8
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 1 Rozdělení analyzátorů plynů dle principu činnosti
● Chemické (Detekční trubice, Orsatův přístroj aj.) ● Fyzikální (Jde o nepřímá měření tepelné vodivosti, paramagnetických vlastností, elektrických vlastností polovodičů, absorpce záření aj. Rozdělení analyzátorů plynů dle způsobu použití ● Orientační analyzátory (detekční trubice) ● Analytické analyzátory (Orsatův přístroj, elektrické analyzátory, elektrochemické a polovodičové senzory apod.) ● Laboratorní analyzátory (kalorimetrické, filtrační, polarografické, fotometrické, spektrální, plynové chromatografy apod.) ● Detektory toxických a výbušných plynů (detektory pro pracovní prostory, osobní detektory) 9
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 2 CHEMICKÉ ANALYZÁTORY Druh nebo i množství plynů se identifikuje absorpcí či chemickou reakcí ● Orsatův přístroj: Analýza CO, CO2, O2 a spalitelných složek. Absorpční nádoby se pro urychlení absorpce vyplňují kuličkami, korály ORSATŮV PŘÍSTROJ nebo mají rozprašovací Absorpční zařízení. pipety Odměrná Zařízení může pracovat byreta manuálně i automaticky
Absorpce spalin
Vyrovnávací nádoba
Absorpci CO2 umožní roztok louhu draselného ve vodě (1:3). Absorpci O2 umožní roztok pyrogalolu v louhu draselném (25 g.l-1). Absorpci CO umožní amoniakální roztok chloridu měďného. Spalitelné složky (H2, uhlovodíky ...) se určují ze spalin H2O, CO2 10
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 3 FYZIKÁLNÍ ANALYZÁTORY Jde o nepřímá měření tepelné vodivosti, odporu při průtoku kapilárou, paramagnetických vlastností, absorpce světla či tepelného záření … ● Elektrický analyzátor CO2 na principu měření tepelné vodivosti plynů: Senzor je kovový hranolek 3 se dvěma komůrkami a s elektricky vyhřívanými odporovými dráty. Jednou komůrkou proudí plyn a druhou vzduch. Změna tepelné vodivosti plynu se projeví změnou teploty drátku a jeho odporu.
Po spálení CO se vzduchem v komůrce 4, vznikne CO2, ze kterého se určí obsah CO 11
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 4 ● Elektrický analyzátor O2 na principu měření paramagnetických vlastností: Otvorem 4 se plyn přivádí do měřicí komůrky 1 (v poli magnetu 5) a do srovnávací komůrky 2. V komůrkách jsou žhavené dráty 3 propojené s odpory R1 a R2 do můstku. V důsledku magnetického pole se drátek v komůrce 1 ochlazuje jinak než drátek v komůrce 2, což způsobí změnu teploty a změnu odporu drátku, kterou můžeme registrovat miliampérmetrem 6. Po kalibraci ukazuje miliampérmetr přímo objemové koncentrace.
12
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 5 ● Polovodičové a elektrochemické senzory pro analýzu plynů: Senzory pracující na různých principech (mají analogový výstup, nebo pracují jako inteligentní snímače). Vyrábějí se pro měření v prostoru i v kanálech. Lze měřit emise (velký rozsah přístrojů a menší citlivost) a také imise (menší rozsah přístrojů a velká citlivost). Příklad senzorů firmy ASEKO Metan (0 - 5 %) Org. látky (0 - 5000 či desítky ppm) Oxid uhelnatý (0 - 50 či 300 či 4000 ppm) Vodík (0 - 2000 ppm, 0 - 1 či 4 %) Čpavek (0 - 100 či 1000 ppm) Oxid siřičitý (0 - 100 či 500 či 2000 ppm) Oxid dusnatý (0 - 100 či 300 ppm) Oxid dusičitý (0 - 10 či 50 ppm)
Sulfan (0 - 30 či 100 ppm) Freony (100 - 3000 ppm) Kyslík ( 0 - 21 či 100 ppm) Ozón (0 - 1 ppm) Chlór (0 - 10 či 50 ppm) Fluór (0 - 10 ppm) Chlorovodík (0 - 30 ppm) Fluorovodík (0 - 10 ppm) 13
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 6 ● Opticko-akustický analyzátor různých plynů: Plyn v komůrce je pulzně ozařován tepelným zářením vybrané vlnové délky. Pokud jde o plyn schopný tuto vlnovou délku absorbovat, pulzně se zahřívá a vznikají zvukové vlny, registrované 2 mikrofony. Analyzátor Innova 1302
Nejistota měření je 1 až 2 %
14
