Измерване концентрацията на прах във въздуха

Поддържането на качеството на атмосферния въздух е едно от най-големите предизвикателства пред обществото днес. Източниците на замърсяване са много, като повечето са антропогенни. Освен газообразните съединения, един от най-проблемните замърсители са праховите частици, чиито високи концентрации в атмосферния въздух представляват риск както за околната среда, така и за човешкото здраве.

Разработени са редица методи за измерване на масовата концентрация на прахови частици в околния въздух. Те включват уреди за директно отчитане, които предоставят възможност за непрекъснат мониторинг, и филтър-базирани гравиметрични пробовземни устройства, които събират праховите частици върху филтър, който впоследствие бива претеглен в лабораторни условия.

Най-често използваните методи за определяне на масовата концентрация на прахови частици във въздуха са: филтър-базирани гравиметрични пробовземни уреди; анализатори с микровезна (Tapered element oscillating microbalance, TEOM); анализатори с бета абсорбция; оптични уреди; метод на черния дим; персонални пробовземни устройства.

Селективни пробовземни глави
И гравиметричните, и автоматичните уреди, освен тези, които работят на оптичен принцип, използват селективни пробовземни глави, които задържат по-големите частици преди количественото определяне на концентрацията на прах. Това се постига чрез използването на аеродинамични принципи – по-големите частици биват отклонявани от пътя, който следват по-малките, и по този начин те не достигат до филтъра.

Обикновено за целта се използва или импактор, или циклон. Когато се прилага импактор, е необходимо редовно почистване, за да се предотврати натрупването на големи количества прах, и често добавяне на смазка, за да се избегне отскачането на по-големите частици и попадането им върху филтъра.

Нито една пробовземна глава не е толкова ефективна, че да пропуска всички частици под 10 mm, например, и да задържа всички с по-големи размери. Входящите отвори се проектират така, че 50% от частиците с критични размери да се задържат, но кривата на процента задържани прахови частици и техните размери варира за различните конструкции.

Циклоните обикновено са с по-нисък процент на задържане и затова в практиката импакторите намират по-широко приложение. Процентът на задържане зависи от скоростта на преминаващия през входящия отвор въздух и следователно е необходимо дебитът му са се контролира и калибрира така, че да бъдат задържани частиците с правилния размер и да бъде взета проба с желания обем.

Филтър-базирани пробовземни устройства
Директива 1999/30/ЕО на Съвета относно пределно допустимите стойности за серен диоксид, азотен диоксид и азотни оксиди, прахови частици и олово в околния въздух специфицира, че измерванията на ФПЧ10 трябва да бъдат провеждани съгласно референтния метод, определен в европейския стандарт EN12341. В стандарта са разгледани три вида устройства – за пробовземане на свръхголям (с широкообхватен аерозолен класификатор), голям и малък обем атмосферен въздух.

Всеки от пробовземните уреди се състои от входящ отвор за ФПЧ10, който е свързан директно с филтърен субстрат и регулируем контролер за дебита. След изтичане на времето за пробовземане, масата на събраните върху филтъра прахови частици се определя гравиметрично. Преди претегляне филтърът се кондиционира при 20°C и 50% относителна влажност.

Важно е да се отбележи, че измерената концентрация на ФПЧ10 по референтния метод е просто това – тя не е абсолютна мярка за масата на ФПЧ10 в атмосферата. Тази техника е обект на въздействие както на позитивни (например поради повишено съдържание на свързана с частиците вода), така и на негативни (заради загуба на полулетливи съединения) влияния по време на пробовземане.

Устройството за пробовземане на малки обеми има няколко разновидности, при които е възможно смяната на филтъра да стане автоматично след период от 24 часа, което елиминира нуждата от ежедневното наблюдение на уреда. Това включва система с интегрирани 8 отделни пробовземни глави за ФПЧ10, свързани към централна помпа посредством соленоидно превключвателно устройство и последователно пробовземащо устройство, използващо автоматичен обменен механизъм.

Въпреки че тези уреди са по-удобни за работа, при тях съществува риск от неопределяема загуба на полулетливи съединения, в случай че филтърът бъде изложен на изменящите се условия на околната среда след изтичане на пробовземния период.

TEOM анализатори
Този вид уреди се използват широко за непрекъснато измерване на концентрацията на прахови частици по целия свят. Устройството се основава на принципа, че честотата на осцилиране на стъклeнa изтънена тръбичка (елемент) се променя правопропорционално на масата на тръбата. Следователно, всяка промяна в масата на тръбичката, дължаща се на отлагането на частици върху прикрепен в единия й край филтър, ще доведе до изменение на резонансната честота, което ще е пропорционално на допълнителната маса.

Пробата въздух преминава с дебит 16,7 l/min през селективен входящ отвор. Устройство за разделяне на потока отклонява 3 l/min към 16 mm покрит с PTFE кварцов филтър. Отворът и елементът се поддържат при 50°C, с цел минимизиране на грешките, свързани с изпарението и кондензацията на вода върху филтъра.

Анализатори с бета абсорбция
Тези устройства са най-разпространени в европейските мониторингови мрежи за измерването на концентрации на ФПЧ10 в атмосферата. Анализаторите с бета абсорбция използват измерването на понижението в интензитета на бета частици, преминаващи през събраните върху филтър прахови частици. Връзката между абсорбираната радиация и масата на събрания прах следва експоненциална зависимост, която не се влияе от химичния състав на типичните прахови частици, намиращи се в атмосферата.

Въпреки че устройството на всеки анализатор е различно, принципът е един и същ. Пробата се събира върху филтър или филтърна лента, а източникът на радиация (обикновено въглерод-14, криптон-85 или прометий-147) се разполага над пробата. Под нея пък е монтиран детекторът, измерващ абсорбираната радиация.

Някои устройства предоставят възможност за непрекъснат мониторинг на масата на праховите частици, докато при други пробата се събира в продължение на дискретен период (30 или 60 минути) преди да бъде определена масата й. Абсорбцията от чистия филтър се отчита или чрез последователно измерване на чист и претърпял експозиция филтър, или чрез използването на двукамерна конструкция.

За пресмятане на концентрацията на прахови частици освен определяне на масата е необходимо да бъде измерен и обемът на взетата проба атмосферен въздух. Това обикновено се постига с използването на контролери за дебита и дебитомерни устройства, както при автоматичните уреди.

Размерът на частиците в пробата се определя от пробовземната глава и прилагания дебит. Затова анализаторите с бета абсорбция могат да измерват общ суспендиран прах, ФПЧ10, ФПЧ2,5 и други фракции, в зависимост от използваната пробовземна глава.

Въпреки че филтърният материал в тези устройства рядко бива подгряван, при някои модели входящият отвор на системата се нагрява, за да се редуцира относителната влажност на пробата и да се сведе до минимум масата на съдържащата се вода или аерозоли. Това обаче би могло да доведе до загуба на полулетливи съединения, както при TEOM анализаторите.

Оптични анализатори
Оптичните устройства за прах използват взаимодействието между частиците в атмосферния въздух и видима, инфрачервена или лазерна светлина. В САЩ често се използват нефелометри и трансмисометри за определяне загубата на видимост поради съдържанието на прахови частици в атмосферния въздух, особено в района на националните паркове.

Трансмисометрите работят, като измерват светлинната екстинкция чрез определяне загубата на светлина (заради разсейване или абсорбция от частиците) от изкуствен светлинен източник с известни параметри. Нефелометрите измерват разсейването на светлината, на което се дължи по-голямата част от светлинната екстинкция.

Някои по-съвременни уреди използват разсейване на лазерна светлина както за преброяване, така и за класифициране по размер на праховите частици. Предимството на този подход е, че с един анализатор с пробовземна глава за общ суспендиран прах могат едновременно да бъдат следени концентрациите на частици с различни размери, включително ФПЧ10, ФПЧ2,5 и ФПЧ1.

Броят на частиците обаче трябва да бъде конвертиран към маса посредством изчисление, използващо редица допускания, чиято валидност може да варира в зависимост от природата на изследваните прахови частици. В опит да преодолеят този проблем някои уреди събират пробонабраните частици върху филтри, които после да бъдат анализирани гравиметрично. След това тези резултати могат да бъдат използвани за калибриране на оптичните резултати за конкретното приложение.

Често тези анализатори са малки, леки и работят на батерия, което позволява те да бъдат пренасяни за извършването на краткотрайни измервания на различни места. Така може да бъде получена информация за разпределението на праховите частици както във времето, така и в пространството.

Метод на черния дим
Тази методология е разработена преди повече от 5 десетилетия, когато основният източник на прахови частици в атмосферния въздух е било битовото отопление. Техниката е описана изцяло в стандарт ISO 9835. Праховите частици се събират върху хартиен филтър в продължение на 24 часа, след което с рефлектометър се определя чернотата на образувалото се петно.

Събираната фракция частици зависи от размера на входящия отвор (30-50 mm диаметър), пробовземната тръба (<8 m от 6,5 mm PVC тръба) и дебита на пробовземане (2 m3/ден). Оборудването за този метод на измерване е относително просто, издръжливо и евтино. Чернотата на петното се определя на стандартен рефлектометър, след което се привежда към концентрация на прахови частици във въздуха с помощта на стандартни калибрационни криви.

Персонални пробовземни устройства
На пазара се предлага широка гама от измервателни уреди за прахови частици, използвани за анализ на експозицията на отделни лица. Изискването за анализа на експозиция е, че пробовземането трябва да се осъществи на разстояние от приблизително 30 cm oт носа и устата на човека.

Преносимото оборудване варира по размер – от закачащи се като значки пробовземни устройства, през помпи за пробовземане на големи обеми, до помпи, тежащи около 3 kg. Малкообемното активно пробовземане се използва за интегрирано измерване например на дневна експозиция, докато пробите с по-голям обем позволяват изследването на експозицията за по-кратки периоди, например за времето на пътуване от вкъщи до работата.