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 H 2 O 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 C m m koncentrace celková a koncentrace jednotlivých frakcí mi mi V V Ci [mg.m V V -3 ] Počet částic v 1 cm 3 vzduchu dle frakcí HODNOCENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN Kvalitativní Druh škodlivin (chem. rozbor, optické pozorování) Kvantitativní Množství škodlivin dle druhu v objemu Objemové koncentrace složek x i V V i Vi 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 m 3 pro čisté prostory dle ISO 209 Maximální povolený počet částic v m 3 rovný nebo větší než Třída 0,1 mm 0,2 mm 0,3 mm 0,5 mm 1 mm 5 mm ISO 1 10 1 2 ISO 2 10 2 24 10 4 ISO 3 10 3 237 102 35 8 ISO 4 10 4 2 365 1 018 352 83 ISO 5 10 5 23 651 10 176 3 517 832 29 ISO 6 10 6 236 514 101 763 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 C m m 2 1 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 [g.m -2.30 dnů -1 ] S d 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] d 1 Difrakce světla L a u 2 2 A B C D u 1 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, CO 2, O 2 a spalitelných složek. Absorpční nádoby se pro urychlení absorpce vyplňují kuličkami, korály nebo mají rozprašovací zařízení. Zařízení může pracovat manuálně i automaticky ORSATŮV PŘÍSTROJ Absorpční pipety Odměrná byreta Absorpce spalin Vyrovnávací nádoba Absorpci CO 2 umožní roztok louhu draselného ve vodě (1:3). Absorpci O 2 umožní roztok pyrogalolu v louhu draselném (25 g.l -1 ). Absorpci CO umožní amoniakální roztok chloridu měďného. Spalitelné složky (H 2, uhlovodíky...) se určují ze spalin H 2 O, CO 2 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 CO 2 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 CO 2, ze kterého se určí obsah CO 11
MĚŘENÍ PLYNNÝCH ŠKODLIVIN - 4 Elektrický analyzátor O 2 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 R 1 a R 2 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