From the SelectedWorks of Robert Oleniacz June 1, 26 Pomiary wielkości cząstek w powietrzu w czasie rzeczywistym Marek Bogacki Robert Oleniacz Marian Mazur Stanisław Kamiński Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/76/
POMIARY WIELKOŚCI CZĄSTEK W POWIETRZU W CZASIE RZECZYWISTYM Marek BOGACKI 1, Robert OLENIACZ 1, Marian MAZUR 1, Stanisław KAMIŃSKI 2 1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie Zakład Kształtowania i Ochrony Środowiska Al. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków 2 Kamika Instruments S.C., ul. Strawczyńska, 1-73 Warszawa STRESZCZENIE W Polsce i Unii Europejskiej referencyjną metodą pomiaru stężenia PM1 w powietrzu jest metoda grawimetryczna. Informację o udziale wagowym cząstek w powietrzu o średnicach mniejszych od 1 µm (np. PM5, PM2,5 czy PM1) uzyskuje się zwykle stosując różnego rodzaju rozdzielacze wstępne (najczęściej impakcyjne). W artykule przedstawiono nową metodę pomiarową pozwalającą na ocenę wielkości cząstek w powietrzu w czasie rzeczywistym. Metoda ta pozwala na ocenę wielkości cząstek w 256 klasach ziarnistości począwszy od wymiaru ok., µm do 3 µm. Badania o charakterze wdrożeniowym prowadzone były w powietrzu miejskim (Warszawa) na przełomie roku 25/26. 1. Wstęp Jednym z kryteriów oceny jakości powietrza zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 6 czerwca 22 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów niektórych substancji w powietrzu, alarmowych poziomów niektórych substancji w powietrzu oraz marginesów tolerancji dla dopuszczalnych poziomów niektórych substancji (Dz. U. z 27 czerwca 22 r., Nr 7, poz. 796), jest poziom stężenia pyłu zawieszonego PM1. Metodyka referencyjna pomiaru stężenia pyłu zawieszonego PM1 w powietrzu oparta jest na metodzie manualnej, polegającej na grawimetrycznym określeniu masy pyłu zgromadzonego na filtrze w wyniku przepuszczania przez niego znanej objętości powietrza (PN-EN31:25). W metodzie tej zestaw do poboru próbki pyłowej z zapylonego powietrza składa się z głowicy wlotowej (impakcyjnej) z rozdzielaczem wstępnym PM1 (np. typu: LVS-PM1, HVS- PM1, WRAC-PM1), połączonej bezpośrednio z oprawą lub kasetą, umożliwiającą zamontowanie wymiennego filtra, a także z licznika objętości i/lub strumienia gazu oraz regulowanego urządzenia zasysającego. Rozwinięciem tej metody pomiarowej są różnego rodzaju metody automatycznego poboru próbek zapylonego powietrza oraz oceny wielkości stężenia pyłu PM1. Do najbardziej popularnych metod automatycznego pomiaru stężenia PM1 w powietrzu należą: metoda grawimetryczna oparta na zasadzie wagi sedymentacyjnej znana głównie z analizatorów typu TEOM, metoda radiacyjna, oparta na absorpcji promieniowania oraz metody optyczne. W ramach tych ostatnich można wyróżnić metody dyfrakcji laserowej, wykorzystujące teorię Fraunhofera i/lub teorię MIE jak również metody oparte na pomiarach w świetle odbitym oraz świetle przechodzącym. Zarówno metody grawimetryczne, jak i metody radiacyjne nie pozwalają na bezpośrednie (bez stosowania dodatkowych urządzeń) określenie stężenia masowego dowolnej mierzonej frakcji pyłu. Tak więc zmierzenie stężenia masowego frakcji pyłu PM1, PM5, PM 2,5, PM1 lub innej w powietrzu wiąże się w każdym przypadku ze stosowaniem specjalistycznych głowic rozdzielających poszczególne frakcje zasysanego do układu pomiarowego pyłu. Głowice te wyposażone są zwykle w impaktor kaskadowy i/lub płytkę osadczą pokrytą substancjami lepkimi ewentualnie w specjalnej konstrukcji mikrocyklon. W metodach optycznych nie
2 istnieje problem wstępnego rozdziału pyłu na poszczególne frakcje przed wprowadzeniem go do układu pomiarowego. Analiza frakcyjna pyłu odbywa się na drodze optycznoelektronicznej, korzystając przy tym z ogólnie znanych z fizyki praw (dyfrakcja, odbicie itp.). Stąd metody optyczne wydają się stanowić interesującą alternatywę dla metod grawimetrycznych i radiacyjnych. W niniejszej pracy opisana została nowa metoda optyczno-elektroniczna pozwalająca na pomiar w czasie rzeczywistym zarówno wielkości cząstek pyłu w powietrzu, jak również ich stężenia w całym zakresie ziarnowym. Metoda ta została opracowana przez firmę Kamika Instruments z Warszawy i zastosowana w automatycznym analizatorze IPS P do pomiaru wielkości cząstek oraz stężenia pyłu w powietrzu. 2. Opis metody pomiaru wielkości cząstek analizatorem IPS P Metoda pomiarowa zastosowana w analizatorze IPS P wykorzystuje zjawisko dyfrakcji laserowej w podczerwieni - dla najmniejszych cząstek, by dla większych cząstek przejść stopniowo (w sposób ciągły) do pomiaru zmian strumienia promieniowania rozpraszanego przez poruszające się cząstki. Takie podejście do zagadnienia pozwoliło uniknąć pewnych wad "dyfrakcji laserowej" stosowanej w pełnym zakresie pomiarowym, w której pojedyncze, największe cząstki dają słabe zmiany obrazu dyfrakcyjnego. Dzięki takiemu rozwiązaniu analizator IPS P nie posiada ograniczeń optycznych przy pomiarze pojedynczych małych i dużych cząstek. Strumień promieniowania laserowego w podczerwieni nie tylko identyfikuje wielkość cząstek, ale jeszcze pozwala je precyzyjnie zliczyć w całym zakresie pomiarowym. Możliwe jest to dzięki zastosowaniu w przyrządzie bitowego przetwornika A/C. Każdej cząstce odpowiada impuls elektryczny proporcjonalny do wielkości cząstki. Zbiór cząstek jest pierwotnie mierzony z podziałem na 96 klas wymiarowych i przekształcany (kalibrowany) na 256 klas wymiarowych dostępnych dla użytkownika. Analizator pobiera próbkę zapylonego powietrza w sposób izokinetyczny za pomocą specjalnie w tym celu skonstruowanego układu aerodynamicznego, wspomaganego elektronicznie sterowaną sprężarką, o charakterystyce dopasowanej do niskich strumieni objętości, jakie mogą występować przy minimalnej prędkości wiatru. Wydajność układu zasysającego próbkę zapylonego powietrza sterowana jest na podstawie informacji o rzeczywistej prędkości wiatru zmierzonej za pomocą rurki Pitota. Strumień objętości gazu jest mierzony co,2 sekundy z dokładnością, % i przeliczany do warunków normalnych (11,3 kpa, 273 K) przy wykorzystaniu informacji o temperaturze gazów wewnątrz układu pomiarowego. Zmiany strumienia objętości zasysanego przez przyrząd gazu nie wpływają na dokładność pomiaru przyrządu. Analizator mierzy wielkości cząstek w powietrzu w zakresie od, µm do 3 µm. Dzięki zastosowaniu specjalistycznego oprogramowania możliwe jest określenie rozkładów (różniczkowego, całkowego) takich charakterystycznych parametrów opisujących cząstkę jak: powierzchnia czy objętość, a po wprowadzeniu do programu informacji o gęstości pyłu - również określenie rozkładu masowego cząstek. Należy jednak zaznaczyć, że rozkład wielkości cząstek jest zdeterminowany głównie sposobem kalibracji przyrządu oraz kształtem mierzonych cząstek. Jeśli cząstka ma kształt sferyczny to zarówno jej powierzchnia, objętość jak i masa są matematycznie jednoznacznie określone. W przypadku analizatora IPS P kalibracja może być przeprowadzana zarówno w oparciu o wzorce sferyczne (np. wg standardów i atestów firmy amerykańskiej Duke Scientific Corporation, Palo Alto, California) jak również w oparciu o cząstki o kształtach innych niż sferyczne. Wówczas koniecznym jest wprowadzenie do programu kalibracyjnego rzeczywistych danych o
25 rozkładzie cząstek danego pyłu otrzymanych w wyniku przeprowadzonej analizy sitowej (jeśli taką analizę da się przeprowadzić!). Analizator IPS P poza pomiarem wielkości cząstek pyłu w powietrzu mierzy również podstawowe parametry meteorologiczne, jakimi są: wilgotność powietrza oraz kierunek i prędkość wiatru. Dzięki temu istnieje możliwość oceny wpływu czynników meteorologicznych na rozkład ziarnowy pyłu zawieszonego w powietrzu oraz poziom stężenia pyłu w dowolnym przedziale ziarnowym. Wszystkie mierzone parametry są archiwizowane w pamięci masowej komputera współpracującego z analizatorem. 3. Analiza przykładowych wyników badań W pracy przedstawiono przykładowe wyniki pomiaru składu ziarnowego pyłu zawieszonego w powietrzu pochodzące z punktu pomiarowego zlokalizowanego w Warszawie-Bemowie na osiedlu domków jednorodzinnych. Analizie poddano jednostkowy pomiar wykonany analizatorem IPS P w dniu 19 marca 26 r. Czas trwania pomiaru 9 s. Godzina rozpoczęcia pomiaru 19:15. Pomiar wykonany był przy następujących warunkach meteorologicznych: temperatura powietrza: - 2 o C, wilgotność: 6,5 %, wiatr zachodni o prędkości 3,3 m/s. Uzyskane wyniki pomiaru przedstawiono syntetycznie w tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe parametry analizy ziarnowej Parametr Jednostka Wartość Ilość cząstek w 1 m 3 1 µm [-] 15961 Ilość cząstek w 1 m 3 > 1 µm [-] 776 Założona gęstość cząstek [g/cm 3 ] 2,5 Założony współczynnik kształtu cząstek [-] 1, Całkowita waga cząstek w 1 m 3 [µg/m 3 ] 7, Mediana [µm] 1, Modalna [µm] 1, Średnia arytmetyczna średnica [µm] 2,2 Średnia powierzchniowa średnica [µm] 2,7 Średnia objętościowa średnica [µm] 3,7 Średnia objętościowa średnica ważona wg powierzchni - średnica Sautera [µm] 6,9 Na rysunku 1 zestawiono natomiast histogramy obrazujące rozkłady ziarnowe analizowanego pyłu w ujęciu ilościowym (a), w odniesieniu do średnicy cząstek (b), w odniesieniu do powierzchni (c) oraz objętości (d).
26 Rozkład ilościowy cząstek [%] 3 2 1 a. b. 5 1 15 2 25 Rozkład ilościowy cząstek względem średnicy [%] 2 5 1 15 2 25 c. d. 2 Rozkład względem powierzchni cząstek [%] 5. Wnioski 5 1 15 2 25 Rozkład względem objętości cząstek [%] 5 1 15 2 25 Rys. 1. Rozkłady ziarnowe analizowanego pyłu zawieszonego. Wnioski Możliwości analizowanej metody pomiarowej w nowym świetle stawiają zagadnienia oceny jakości powietrza w zakresie zanieczyszczenia różnego rodzaju aerozolami. Metoda ta pozwala bowiem na ocenę ilościową cząstek w powietrzu, co z punktu widzenia toksykologicznego daje zdecydowanie większe możliwości oceny ryzyka zagrożenia zdrowia ludzi niż oceny dokonywane w oparciu o metody grawimetryczne czy radiacyjne. Literatura 1. Instrukcja obsługi analizatora IPS P firmy Kamika Instruments, Warszawa, 2.