Udostępnij artykuł
Zanieczyszczenie powietrza zostało zdefiniowane przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) jako „zanieczyszczenie środowiska wewnętrznego lub zewnętrznego jakimkolwiek czynnikiem chemicznym, fizycznym lub biologicznym, który modyfikuje naturalne właściwości atmosfery” [1]. Kiedy poziom zanieczyszczenia powietrza jest wysoki, może to prowadzić do problemów z oddychaniem, chorób serca i innych chorób (np. raka). Może również powodować kwaśne deszcze, niszczyć uprawy, zmniejszać wzrost i produktywność roślin oraz szkodzić dzikiej przyrodzie. Ponieważ 99% światowej populacji oddycha powietrzem, którego jakość przekracza limity określone w wytycznych WHO [1,2], jest to szeroko rozpowszechniony problem. Wśród różnych zanieczyszczeń powietrza cząstki stałe i aerozole budzą szczególne obawy. W tym artykule na blogu omówiono te czynniki przyczyniające się do zanieczyszczenia powietrza i zwrócono uwagę na dwa instrumenty przeznaczone do ciągłego monitorowania parametrów jakości powietrza.
Krótkie wprowadzenie do cząstek stałych i aerozoli
Cząstki stałe (PM) są ogólnie definiowane jako małe cząstki stałe zawieszone w gazie, podczas gdy aerozole to drobniejsze kropelki cieczy lub cząstki stałe, które pozostają zawieszone w gazach przez dłuższy czas. Oba mogą negatywnie wpływać na zdrowie ludzi, zwłaszcza gdy ich średnica jest mniejsza niż 2,5 µm (PM2.5, Rysunek 1). Aerozole i PM mogą powstawać w wyniku zjawisk naturalnych, takich jak erupcje wulkanów, a także działań antropogenicznych w sektorze przemysłowym czy transporcie. Dlatego tak ważna jest analiza składu chemicznego tych zanieczyszczeń nie tylko w celu określenia długofalowych skutków po narażeniu, ale również w celu identyfikacji ich źródeł aby podjąć działania ograniczające emisje.
W powietrzu te maleńkie cząstki mogą być transportowane na duże odległości, powodując komplikacje daleko od ich źródła. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym głębiej mogą one wniknąć do układu oddechowego. W kilku badaniach powiązano PM z problemami zdrowotnymi (np. problemami z oddychaniem) i środowiskowymi (np. ograniczeniem widoczności) [4–6]. Podczas gdy grubsze cząstki pyłu (PM10) są w większości zatrzymywane przez włosy z nosa, drobne cząsteczki (PM2.5) może wnikać głęboko do płuc i powodować podrażnienie. Z drugiej strony aerozole są jeszcze mniejsze niż cząstki PM i dlatego mogą pozostawać w atmosferze przez dłuższy czas.
Aby uzyskać lepszy wgląd w wpływ zanieczyszczenia powietrza na nasze zdrowie i środowisko, potrzebne są dokładne pomiary określające ilość i skład chemiczny zawieszonych cząstek. Jednakże pobór reprezentatywnych próbek i ich analiza są najbardziej wymagającymi etapami monitoringu powietrza.
Monitoring powietrza – kiedyś i dziś
Tradycyjnie analiza cząstek stałych i aerozoli składa się z dwóch etapów: pobrania próbki i analizy. W celu pobrania reprezentatywnych próbek ważne jest użycie odpowiedniego sprzętu i technik pobierania próbek.
Etap pobierania próbek zwykle wykorzystuje proces filtracji. Cząsteczki są zbierane na podłożach za pomocą filtrów, które usuwa się po pewnym czasie w celu ekstrakcji wodą dejonizowaną do późniejszej analizy [7]. Jednak ta metoda jest w stanie określić średnie jedynie w okresie 24 godzin lub dłuższym. Ponadto metoda jest kłopotliwa i ma słabą precyzję, co uniemożliwia ciągłe pomiary on-line.
Ciągłe pobieranie próbek ma ogromne znaczenie, ponieważ umożliwi czułe monitorowanie zmian składu jonowego aerozoli. Ale jak to zrobić?
Metrohm Process Analytics jest znanym dostawcą rozwiązań analitycznych do analizy powietrza i aerozoli, dysponującym bogatym doświadczeniem i fachową wiedzą w tej dziedzinie. Oferujemy kompleksowe portfolio zaawansowanych przyrządów, oprogramowania i akcesoriów, które umożliwiają dokładne i niezawodne pomiary cząstek unoszących się w powietrzu.
Najbardziej obiecującymi rozwiązaniami do kumulacji aerozoli są tzw. urządzenia do zbierania pary, są pokazane na Rysuneku 2: Metrohm AeRosol Sampler (MARS) i 2060 Monitor of AeRosol and Gases in ambient Air (MARGA).
W związku z chemiczną analizą, urządzenie MARS (Rysunek 3) jest sprzężone z analizatorami do chemii mokrej, takimi jak chromatograf kationowy i/lub anionowy (IC) lub system woltamperometryczny, podczas gdy 2060 MARGA ma zintegrowane anionowe i kationowe chromatografy jonowe (patrz wideo poniżej).
Oba instrumenty zawierają separatory gazu (Mokre Rotacyjne Denudery, Wet Rotating Denuder «WRD», Rysunek 4), parowy kolektor aerozolu (Steam-Jet Aerosol Collector «SJAC», Rysunek 5), a także urządzenia pompujące i sterujące. Instrumenty te wykorzystują metodę przekształcania cząstek aerozolu w kropelki w środowisku przesyconej pary wodnej. Zebrane krople, uprzednio zmieszane z wodą nośną, są w sposób ciągły wprowadzane do pętli próbkującej lub kolumny i poddawane analizie.
MARS vs. 2060 MARGA – który wybór jest właściwy?
Podczas gdy MARS został zaprojektowany do próbkowania tylko aerozoli, 2060 MARGA dodatkowo oznacza gazy rozpuszczalne w wodzie. W porównaniu do klasycznych separatorów, które usuwają gazy z próbki powietrza przed kolektorem aerozolu (komorą), 2060 MARGA gromadzi substancje gazowe w WRD do analizy online. W przeciwieństwie do gazów, aerozole mają niskie prędkości dyfuzji i tym samym przechodzą WRD bez zakłóceń.
2060 MARGA występuje w dwóch konfiguracjach: R (badania) i M (monitorowanie). Wersja 2060 MARGA R jest przeznaczona do kampanii badawczych, takich jak badanie sezonowej zmienności jakości powietrza. Gdy nie jest używany, chromatograf jonowy można odłączyć i ponownie wykorzystać do innych badań laboratoryjnych. Aby uzyskać bardziej trwałe rozwiązanie, 2060 MARGA M służy do całodobowego monitorowania jakości powietrza.
Dla porównania, MARS może być używany jako jednostka kondycjonująca dla kilku technik analitycznych takich jak chromatografia jonowa, woltamperometria (VA), spektrometria mas (MS) lub analiza całkowitego węgla organicznego (TOC) (Rysunek 7) zarówno w środowisku otoczenia jak i środowisku przemysłowym. Alternatywnie, próbki do oznaczania w trybie offline można pobrać za pomocą automatycznego podajnika próbek. Aby natychmiast ocenić wyniki, MARS można również połączyć zdalnie z dowolnym systemem analitycznym. Z drugiej strony 2060 MARGA ma dwa zintegrowane chromatografy jonowe, więc nie można połączyć żadnej innej techniki analitycznej.
Tabela 1. Różnice między 2060 MARGA i MARS. 2060 MARGA R jest przeznaczony do celów badawczych z podłączonym chromatografem jonowym, podczas gdy 2060 MARGA M jest przeznaczony do dedykowanego monitorowania jakości powietrza za pomocą dwóch zintegrowanych chromatografów jonowych.
| MARS | 2060 MARGA | |
|---|---|---|
| Wielkość próbki | Duże próbki powietrza: 0,5–1,0 m3/H | Duże próbki powietrza: 0,5–1,0 m3/H |
| Rodzaj zanieczyszczeń | Odpowiedni tylko do analizy aerozoli aerozole: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ |
Analzia aerozole i gazów aerozole: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ Gazy: HC1, HNO33, HONO (HNO2), SO2, NH3, HF |
| MARS może mierzyć różne zanieczyszczenia, takie jak jony siarczanowe, azotanowe i amonowe. | MARGA może mierzyć różne zanieczyszczenia, takie jak jony siarczanowe, azotanowe i amonowe, a także gazy śladowe, w tym dwutlenek siarki i amoniak. | |
| Metoda analizy | Można łączyć z różnymi technikami analitycznymi (np. IC, VA itp.) | Dwa zintegrowane chromatografy jonowe |
| Pojedyncze lub wielokrotne techniki analityczne | Jedna technika analityczna | |
| Rozdzielczość czasowa | Ciągłe monitorowanie powietrza | Ciągłe monitorowanie powietrza |
| Metoda pobierania próbek | SJAC | WRD i SJAC |
| Wymiary w mm (szer./wys./gł.) | 660/605/605 | 2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605 |
| Zastosowanie zgodne z przeznaczeniem | Badania | 2060 MARGA R – Badania 2060 MARGA M – Dedykowany monitoring ciągły |
W poniższej sekcji porównano wyniki, aby sprawdzić, czy istnieje jakakolwiek korelacja między próbkowaniem i pomiarem aerozoli 2060 MARGA i MARS. Ponieważ wiadomo, że wyniki aerozolu z 2060 MARGA są dokładne [8], dobra korelacja wskazywałaby, że MARS dokładnie mierzy również aerozole.
Poniższe wykresy przedstawiają wyniki aerozolu w otaczającym powietrzu w Schiedam w Holandii, mierzone między 6 a 9 czerwca 2022 r. za pomocą systemów 2060 MARGA i MARS za pomocą chromatografii jonowej (Rysunek 6). 2060 MARGA ma czas cyklu 60 minut (normalny czas cyklu), podczas gdy MARS ma 30-minutowy czas cyklu. Dane pokazują podobny trend między obydwoma systemami, ale ponieważ MARS generuje dwa razy więcej danych, jego dane dotyczące stężenia aerozolu są wyższe w porównaniu z danymi z 2060 MARGA. Jeśli dane zostaną skorygowane do 60 minut za pomocą średniej kroczącej, to stężenia podane przez MARS i 2060 MARGA są podobne.
Wniosek
Monitorowanie zanieczyszczenia powietrza jest kluczowe, ponieważ pozwala nam zrozumieć rodzaje i poziomy zanieczyszczeń obecnych w powietrzu, którym oddychamy. Narażenie na zanieczyszczenie powietrza może powodować wiele problemów zdrowotnych, w tym choroby układu oddechowego, choroby układu krążenia, a nawet raka. Może również szkodzić środowisku, powodując kwaśne deszcze, zubożenie warstwy ozonowej i przyczyniając się do zmian klimatycznych. Ważne jest, aby mierzyć jakość powietrza za pomocą narzędzi takich jak MARS lub 2060 MARGA firmy Metrohm Process Analytics, aby zrozumieć ich wpływ i opracować skuteczne strategie zmniejszania narażenia. W ten sposób możemy pracować nad stworzeniem zdrowszego i bardziej zrównoważonego środowiska dla wszystkich.
Bibliografia
[1] Światowa Organizacja Zdrowia. Zanieczyszczenie powietrza - przegląd. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (dostęp 22.06.2023).
[2] Globalne wytyczne WHO dotyczące jakości powietrza: pył zawieszony (PM2.5 i PM10), ozon, dwutlenek azotu, dwutlenek siarki i tlenek węgla; Światowa Organizacja Zdrowia: Genewa, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228
[3] US EPA. Podstawy dotyczące cząstek stałych (PM).. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (dostęp 22.06.2023).
[4] Venners, S. A.; Wang, B.; Xu, Z.; i in. Cząstki stałe, dwutlenek siarki i dzienna śmiertelność w Chongqing w Chinach. Otaczać. Perspektywa zdrowia. 2003, 111 (4), 562–567. DOI: 10.1289/ehp.5664
[5] Zhang, J.; Pieśń, H.; Tong, S.; i in. Stężenie siarczanów w otoczeniu i śmiertelność z powodu chorób przewlekłych w Pekinie. nauka Totalne środowisko. 2000, 262 (1–2), 63–71. DOI:10.1016/s0048-9697(00)00573-8
[6] US EPA. Skutki zdrowotne i środowiskowe cząstek stałych (PM). https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (dostęp 2023-03-27).
[7] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; i in. Próbnik do zbierania drobnych cząstek w płynne zawiesiny. Aerozol Air Qual. Rez. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616
[8] Lubli, M. Monitorowanie powietrza metodą chromatografii jonowej — przegląd literatury, 2018 r. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html
Dodatkowa wiedza
Metrohm AeRosol Sampler «MARS»
2060 MARGA – Monitor aerozoli i gazów w otaczającym powietrzu
Blog: Niezrównana elastyczność w analizie jonów online: analizator procesowy 2060 IC
