Zararlı partikül madde ve aerosoller için kesintisiz hava kalitesi izleme

Hava kirliliği, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından “atmosferin doğal özelliklerini değiştiren herhangi bir kimyasal, fiziksel veya biyolojik ajan tarafından iç veya dış ortamın kirletilmesi” olarak tanımlanmaktadır [1]. Yüksek derecede kirli havayı solumak solunum problemlerine, kalp hastalıklarına, kansere ve diğer ciddi sağlık sorunlarına yol açtığı için endüstriyel hava kirliliğinin izlenmesi çok önemlidir. Ayrıca asit yağmurlarına neden olabilir, mahsullere zarar verebilir, bitki büyümesini ve verimliliğini azaltabilir ve vahşi yaşama zarar verebilir. Dünya nüfusunun %99'u DSÖ kalite kılavuz sınırlarını aşan havayı soluduğu için [1,2], bu yaygın bir sorundur. Birçok hava kirletici arasında partikül madde ve aerosoller özellikle endişe vericidir. Bu blog makalesinde hava kirliliğine neden olan bu etkenler ele alınmakta ve kesintisiz hava kalitesi izleme için iki cihaz vurgulanmaktadır.

Partikül madde ve aerosoller arasındaki fark nedir?

Şekil 1. Partikül madde boyutu karşılaştırması. ABD EPA'dan uyarlanmıştır [3].

Partikül madde (PM) genellikle bir gaz içinde asılı kalan küçük katı partiküller olarak tanımlanırken, aerosoller daha ince sıvı damlacıkları veya gazlar içinde belirli süreler boyunca asılı kalan katı partiküllerdir. Her ikisi de, özellikle çapları 2,5 µm'den küçük olduğunda (PM2,5, Şekil 1) insan sağlığını olumsuz bir şekilde etkileyebilmektedir.

Aerosoller ve PM, volkanik patlamalar gibi doğal kaynaklardan gelebileceği gibi endüstriyel faaliyetler ve ulaşım gibi antropojenik faaliyetlerden de kaynaklanabilir. Bu nedenle, endüstriyel hava kalitesinin izlenmesi, emisyon kaynaklarının belirlenmesinde, kimyasal bileşimin anlaşılmasında ve maruziyetin azaltılmasına yönelik stratejilerin geliştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır.

PM ve aerosol analizi nasıl yapılmaktadır?

Geleneksel tekniklerde PM ve aerosol analizi iki adımdan oluşmaktadır: numune toplama ve analiz. Temsili numuneler toplamak için uygun numune alma ekipmanı ve tekniklerinin kullanılması önemlidir.

Numune toplama işleminde genellikle filtrasyon işlemi kullanılmaktadır. Partiküller, daha sonraki analizler için deiyonize su ile ekstraksiyon için belirli bir süre sonra çıkarılan filtreli substratlar üzerinde toplanır [4]. Ancak bu yöntem yalnızca 24 saat veya daha uzun süreler boyunca ortalamaları belirleyebilmektedir. Ayrıca, yöntem karmaşık ve kesin değildir. Bu da kesintisiz online ölçümleri imkansız hale getirmektedir.

Aerosol bileşiminin sürekli örneklenmesi, hava kalitesi sorunlarının anlaşılması ve ele alınması için çok önemlidir. Gerçek zamanlı veriler, aerosol bileşimindeki hızlı değişiklikler hakkında değerli bilgiler sağlayarak kirlilik olaylarına daha hızlı yanıt verilmesine olanak tanımakta ve atmosferik süreçlerin daha doğru bilimsel incelemelerini desteklemektedir.

Kesintisiz aerosol analizi için geleneksel örnekleme yöntemlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmek üzere gelişmiş teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Metrohm AeRosol Sampler (MARS) ve 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air (MARGA) (Şekil 2) gibi buhar toplama cihazları, aerosol bileşiminin gerçek zamanlı ve kesintisiz olarak izlenmesini sağlamaktadır. Bu cihazlar, aerosolleri toplamak ve analiz etmek için gelişmiş teknikler kullanarak hava kalitesi değerlendirmesi ve araştırması için değerli veriler sağlamaktadır.

Şekil 2. Metrohm Process Analytics'in 2060 MARGA (solda) veya MARS (sağda) sistemleri kullanılarak gaz numuneler için inline numune hazırlama daha basit hale getirilmiştir.

Şekil 3. MARS, hava örneklerinin IC, VA veya her ikisiyle birlikte kapsamlı bir şekilde analiz edilmesini sağlar.

2060 MARGA ile aynı hava kütlesinden örneklenen gazlar ve aerosoller seçici olarak suda çözündürülerek ayrıştırılmaktadır. Saatte bir elde edilen çözeltiler daha sonra iletkenlik tespiti ve iyon kromatografi kullanılarak analiz edilmektedir. Bu ayrıştırma, aerosollerde bulunan önemli öncü gazların ve iyonik türlerin tespit edilmesini sağlayarak hava kalitesinin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamaktadır.

MARS (Şekil 3) aerosollerin analizi için özel olarak tasarlanmıştır. Kimyasal analiz açısından, MARS cihazı tipik olarak katyon ve/veya anyon analizi için iyon kromatograflar (IC) veya voltammetrik (VA) sistemler gibi harici ıslak kimyasal analizörlerle birleştirilir. Bu modüler yaklaşım, anyon ve katyon IC'lerini dahili olarak entegre eden 2060 MARGA'ya kıyasla daha geniş bir analitik gereksinim yelpazesini karşılamak için daha fazla esneklik ve uyarlanabilirlik sunmaktadır.

Her iki cihaz da (2060 MARGA ve MARS) gaz ayırıcıları (Wet Rotating Denuder “WRD”; Şekil 4, sol), yoğuşmalı partikül büyüme örnekleyicisi (Steam-Jet Aerosol Collector “SJAC”; Şekil 4, sağ) ile pompalama ve kontrol cihazlarını içermektedir. Bu cihazlar, aerosol partiküllerini aşırı doymuş su buharı ortamında damlacıklara dönüştürme yöntemini uygulamaktadır. Toplanan damlacıklar taşıyıcı su ile karıştırıldıktan sonra analiz için sürekli olarak numune döngülerine veya ön konsantrasyon kolonlarına beslenmektedir.

Şekil 4. Sol: Kolay gaz tasfiyesi için Islak Dönen Denuder (WRD). Sağda: MARS ve 2060 MARGA'da bulunan Buhar-Jeti Aerosol Toplayıcısı (SJAC).

MARS vs. 2060 MARGA - doğru seçim hangisidir?

MARS sadece aerosolleri örneklemek için tasarlanmış olsa da, 2060 MARGA suda çözünen gazları da belirlemektedir. Aerosol toplayıcının ( çoğaltma haznesi) yukarısındaki hava örneğinden gazları uzaklaştıran klasik ayırıcılarla karşılaştırıldığında, 2060 MARGA gaz türlerini online analiz için bir WRD'de toplamaktadır. Gazların aksine, aerosoller düşük difüzyon hızlarına sahiptir ve bu nedenle WRD'den parazitsiz geçmektedirler.

2060 MARGA iki konfigürasyonda gelir: R (araştırma) ve M (izleme). 2060 MARGA R versiyonu, mevsimsel hava kalitesi değişkenliğinin incelenmesi gibi araştırma kampanyaları için tasarlanmıştır. Kullanılmadığı zamanlarda iyon kromatograf ayrılabilir ve diğer laboratuvar araştırmaları için yeniden konumlandırılabilir.

Daha kalıcı bir çözüm ve 7/24 hava kalitesinin izlenmesi için 2060 MARGA M daha uygundur.

**Tablo 1.** 2060 MARGA ve MARS sistemlerinin analiz yetenekleri arasındaki farklar.
	MARS	2060 MARGA
Numune boyutu	Büyük hava örnekleri: 0,5-1,0 m³/h	Büyük hava örnekleri: 0,5-1,0 m³/h
Kirletici türleri	Sadece aerosol analizi için uygundur Aerosoller: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Aerosol ve gazların analizi Aerosoller: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Gazlar: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Kirletici türleri	MARS sülfat, nitrat ve amonyum iyonları gibi çeşitli kirleticileri ölçebilmektedir.	MARGA sülfat, nitrat ve amonyum iyonları gibi çeşitli kirleticilerin yanı sıra sülfür dioksit ve amonyak gibi eser gazları da ölçebilmektedir.
Analiz metodu	Farklı analiz teknikleri ile eşleştirilebilir (ör. IC, VA, vb.)	İki adet entegre IC
Analiz metodu	Tekli veya çoklu analiz teknikleri mümkündür	Tek analiz tekniği
Zaman çözümlemesi	Kesintisiz hava takibi	Kesintisiz hava takibi
Numune toplama yöntemi	SJAC	WRD ve SJAC
mm cinsinden boyutlar (W/H/D)	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
Kullanım amaçları	Araştırma	2060 MARGA R – Araştırma kampanyaları 2060 MARGA M – Özel sürekli izleme

Aşağıda, 2060 MARGA ile MARS aerosol örnekleme ve ölçümü arasında herhangi bir korelasyon olup olmadığını belirlemek için sonuçların bir karşılaştırması yer almaktadır. 2060 MARGA'dan elde edilen aerosol sonuçlarının doğru olduğu bilindiğinden [5], iyi bir korelasyon MARS'ın da aerosolleri benzer doğrulukla ölçtüğünü göstermektedir.

Aşağıdaki grafikler, Hollanda'nın Schiedam kentinde 6-9 Haziran 2022 tarihleri arasında hem 2060 MARGA hem de MARS sistemleriyle iyon kromatografi kullanılarak ölçülen ortam havasının aerosol sonuçlarını göstermektedir (Şekil 5). 2060 MARGA 60 dakikalık bir döngü süresine (normal döngü süresi) sahipken, MARS 30 dakikalık bir döngü süresine sahiptir. Veriler her iki sistem için de benzer bir eğilim göstermektedir, ancak MARS iki kat daha fazla veri ürettiğinden, aerosol konsantrasyon verileri 2060 MARGA'nınkinden daha yüksektir. Eğer veriler ortalama kullanılarak 60 dakikaya ayarlanırsa, MARS ve 2060 MARGA tarafından verilen konsantrasyonlar benzerdir.

Şekil 5. 2060 MARGA ve Çeşitli hava kalitesi parametreleri için 2060 MARGA (üstte) ve MARS (altta) tarafından ölçülen sonuçları gösteren karşılaştırma testi.

Sonuç

Hava kirliliğinin izlenmesi çok önemlidir, çünkü soluduğumuz havadaki kirleticilerin türlerini ve seviyelerini anlamamızı sağlar. Hava kirliliğine maruz kalmak solunum yolu hastalıkları, kardiyovasküler hastalıklar ve hatta kanser dahil olmak üzere çok sayıda sağlık sorununa neden olabilmektedir. Ayrıca asit yağmurlarına, ozon tabakasının incelenmesine neden olup iklim değişikliğine etki ederek çevreye de zarar verebilmektedir. Çeşitli kirleticilerin etkisini anlamak ve maruziyeti azaltmak için etkili stratejiler geliştirmek amacıyla Metrohm Process Analytics'in 2060 MARGA veya MARS gibi araçlarını kullanarak hava kalitesini ölçmek önemlidir. Böylelikle, herkes için daha sağlıklı ve daha sürdürülebilir bir çevre yaratmak için çalışabiliriz.

Referanslar

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html