Измерване и мониторинг на въглеродни окиси

Въглеродните окиси, включващи СО и СО2, са сред основните замърсители на атмосферата. Основни техни източници са предприятия от енергийния сектор, металургията, добивната промишленост и други. Явяват се отпаден продукт, получен при непълното горене на въглеродосъдържащи горива като въглища, дървесина и други.

Поради факта, че те са един от основните парникови газове, концентрациите на въглеродни окиси подлежат на непрекъснат мониторинг. Пределно допустимите концентрации на въглеродни окиси в атмосферния въздух на населените места се регламентира от Наредба № 14 от 23.09.1997 г, издадена от министъра на здравеопазването и министъра на околната среда и водите. В наредбата за въглеродните окиси регламентираната пределно допустима средноденонощна концентрация е 10,0 mg/m3, а максимално еднократната е 60,0 mg/m3.

Методи за измерване и анализ на въглеродни окиси
Редът и начинът за извършване на измервания на емисиите (концентрациите на вредни вещества в отпадъчните газове), изпускани в атмосферния въздух от обекти с неподвижни източници се регламентира от Наредба № 6 от 26.03.1999 г. на Министерството на околната среда и водите. По смисъла на тази наредба измерванията могат да бъдат: контролни измервания и собствени измервания.

Контролните измервания се извършват от компетентните органи по чл. 24, т. 1 ЗЧАВ или от акредитирани лица и лаборатории за изпитване. Собствените измервания могат да бъдат непрекъснати (автоматични) или периодични, извършвани от собственика или ползвателя на обекта. При мониторинг на нивата на въглеродни окиси в атмосферата се използват предимно методи, използващи способността на веществата да абсорбират електромагнитна енергия с различна дължина на вълната, съответстваща на инфрачервената част от спектъра. Обикновено това са вълни с дължина от 2 до 11mm.

При измерването на концентрациите на въглеродни окиси в атмосферния въздух от инфрачервените методи се използват предимно недиспергиращият инфрачервен спектрометричен метод (NDIR) или NDIR анализаторите и инфрачервените анализатори с трансформация на Фурие (FTIR). Стандартен метод за измерване на въглеродни окиси, съгласно Наредба № 12 от 15. 07. 2010 г. за норми за серен диоксид, азотен диоксид, фини прахови частици, олово, бензен, въглероден оксид и озон в атмосферния въздух, е недисперсната инфрачервена спектроскопия.

Недисперсна инфрачервена спектроскопия (NDIR)
Действието на NDIR анализаторите се основава на способността на веществата да поглъщат електромагнитни вълни с определена дължина, съответстваща на инфрачервената част от електромагнитния спектър. Предимствата на този вид анализатори са висока чувствителност, добра разделителна способност и бързодействие.

Обикновено при този метод от светлинен източник се подава инфрачервена светлина, която преминава през две еднакви тръби. Едната от тръбите обикновено съдържа газ, който не поглъща енергия в тази част на електромагнитния спектър. Сред използваните газове е азотът. Втората тръба се явява измерителна. В нея се съдържа газът, които ще бъде анализиран. При преминаването на светлинния лъч през тази тръба част от енергията на лъча се поглъща. В резултат на изхода от тръбата светлинният лъч е по-слаб. Силата на светлинния лъч, преминал през първата тръба, се запазва. Разликата в пропускането на двете тръби е пропорционална на количеството на поглъщащия газ в измерителната тръба.

При работа с недисперсионните оптични системи е добре да се има предвид, че тяхната работа зависи от инфрачервения спектър на газа, който ще бъде измерван, спектралните характеристики и чувствителността на детектора. Като конструкция те обикновено включват няколко основни компонента – светлинен източник, филтър, клетка с изследваната проба, детектор и електроника, която обработва и показва детектирания сигнал на екран.

Елиминирането на влиянието на условията, при които се провежда измерването като прозрачността на газа, влияние на оптичните елементи и т.н., е посредством еталонния канал, който се използва за косвено измерване на началната интензивност на светлината.
Сред използваните светлинни източници са полупроводниковите. Това обикновено са електролуминесцентни прибори, в които електроенергията се преобразува в светлина. Най-широко приложение намират приборите с инжекционна луминесценция, които имат диодна структура – светодиоди.

Като приемници се използват фотоприемници, в които под действието на оптично лъчение стават изменения, позволяващи откриването и измерването на някои характеристики на това лъчение. Широко използвани са фоторезистори и фотодиоди.

Инфрачервени анализатори с трансформация на Фурие
При мониторинга на вредни емисии от въглеродни окиси освен анализаторите, базиращи се на NDIR методите, се използват и инфрачервени анализатори с трансформация на Фурие. Тези анализатори се използват предимно, когато концентрацията на измервания газ е много малка. По принцип FTIR анализаторите работят с електромагнитни вълни с дължини в диапазона от 2,5 до 25 мm, съответстващи на инфрачервената част от спектъра.

Концентрацията на изследвания газ се определя на базата на различни алгоритми от инфрачервения спектър на веществото. Сред предимствата на използвания при FTIR приборите измервателен метод е възможността за мониторинг на няколко различни газа едновременно. Вградената в съвременните конструкции инфрачервени анализатори микропроцесорна техника позволява съхранение на интерференчната картина и определяне съдържанието на друг компонент от газовата смес в по-късен период от време.

С този метод могат да бъдат измервани спектри на силно поглъщащи, отразяващи или разсейващи проби. Регистрирането на един спектър изисква много кратко време (0,3 – 0,5 s), което позволява да се проследява ходът на химични реакции, динамиката на физичните процеси по повърхността на материалите и други. Използваните спектрометри имат сравнително просто устройство със само една подвижна част.

Инфрачервени спектри могат да бъдат регистрирани в газообразно, течно и твърдо състояние. В зависимост от агрегатното състояние и използваната техника за работа е необходимо различно количество от изследваното вещество. По отношение на газообразните проби, регистрирането е затруднено само в случаи на силно агресивни газове и пари. Най-често се работи при обикновено налягане, но има кювети за работа при високи и ниски налягания.

Поради факта, че в газообразно състояние веществата заемат много по-големи обеми отколкото в кондензирана фаза, се използват кювети с голяма дебелина на работния слой. Към стандартното оборудване на спектрометрите обикновено е включена кювета с дължина 100 mm. При изследване на замърсяването на въздуха се използват предимно многоходови газови кювети. Работната дължина при тях се увеличава чрез многократно отражение на лъча.

Стандартен начин на работа е евакуиране на газовата кювета с маслена вакуумпомпа и всмукване на анализирания газ. Тази процедура може да се повтори неколкократно, с което се отделят адсорбираните по повърхността на кюветата газове, а освен това се осигурява по-добро запълване. При извършване на количествени определения анализираният газ се смесва с инертен газ, най-често азот.

Според направени редица изследвания високите концентрации на въглеродни окиси могат да доведат до физиологични и патологични изменения и неочаквана смърт. Не по-малко актуален от замърсяването на атмосферата е и проблемът с повишените нива на въглероден диоксид в затворени помещения, в които се намират повече хора. В тази връзка в последно време се обръща все повече внимание на предприемането на мерки за осъществяване на непрекъснат контрол и измерване на въглеродния диоксид в затворени пространства.