Metoder til overvågning af luftforurenende stoffer: 4 Metoder

Følgende punkter fremhæver de fire metoder til overvågning af luftforurenende stoffer. Metoderne er: 1. Prøveudtagning 2. Partikelovervågning 3. Overvågning af luftforurenende stoffer og 4. Prøveudtagning og analyse ved bekvemmelighed.

Metode # 1. Prøveudtagning:

Det første skridt i retning af overvågning af gasbårne forurenende stoffer er at opnå en repræsentativ prøve.

En opsætning, der anvendes til indsamling af en prøve og analyse af de forurenende stoffer, der er til stede i det, betegnes generelt som et prøveudtag. Et prøveudtag ville normalt have flere komponenter.

De komponenter, der er til stede i en faktisk opstilling, vil afhænge af situationen såvel som målene, som f.eks .:

1. Hvorvidt kilden er omgivende luft eller en kanal, for eksempel en stak;

2. Hvorvidt det kun er ønskeligt at overvåge partikelformige stoffer eller gasformige forurenende stoffer

3. Hvorvidt det foreslås at estimere de forurenende luftarter på stedet eller at analysere dem på et passende tidspunkt efter indsamling af en prøve.

Partikelformige stoffer analyseres altid på et passende tidspunkt efter indfangning.

En opsætning kan bestå af alle eller nogle af følgende komponenter:

(i) Et prøveudtagningsrør,

(ii) En partikelopsamler / arrester,

(iii) En varmelegeme / køler / kondensator,

(iv) En sugepumpe (justerbar volumen type)

(v) En flowmåler,

(vi) On-line overvågningsinstrumenter til luftforurenende stoffer eller bubler eller en prøveopsamler.

Følgende figur (3.1) viser skematisk nogle alternative arrangementer af prøve tog:

a) Manifold,

(b) køler / varmeapparat

d) kondensator,

(e) pumpe,

(f) Flowmeter,

(g) Filter.

A. Et tog til overvågning af partikelformig og gasformig forurening.

B. Et tog til kun overvågning af luftforurenende stoffer.

C. Kun et tog til partikelovervågning.

Ved opsamling af en gasformig prøve skal det huskes, at en strømningshastighed for strømning af spildevand og dets sammensætning kan ændre sig med tiden, og på et givet tidspunkt kan disse afhænge af prøveudtagningspunktets placering. På grund af disse er standardprocedurer blevet anbefalet til prøveudtagning, så den indsamlede prøve er en gennemsnitlig tid. Når on-line analysatorer anvendes, er prøven en øjeblikkelig.

1. Prøveudtagningstræning:

En manifold skal være en del af prøveudtagningen, når prøveudtagning skal udføres fra en stak eller en anden kilde end den omgivende atmosfære. Den bør være lavet af et ikke-reaktivt og ikke-adsorptivt materiale, såsom Teflon eller glas eller nogle varme- og korrosionsbestandige legeringer.

Det skal være så kort som muligt, og det bør ikke snoet, da der ellers kan være akkumulering af partikler inde i den. For at forhindre termisk beskadigelse af manifolden, kan den afkøles, men der skal udvises forsigtighed, så prøvetemperaturen ikke falder under dens dugpunkt.

En støvopsamler anvendes, når man analyserer suspenderet partikelformigt materiale (SPM). Ellers skal der anvendes en støvafskærmning.

En mekanisk pumpe eller en egnet indretning anvendes til at aspirere en prøve.

En flowmåler bruges til at måle det samlede volumen af prøven, der passerer gennem et prøveopsamlingstog.

En køler kan kræves som en del af et prøveudtag, hvis gastemperaturen er sådan, at togets komponenter kan blive termisk beskadiget under prøveudtagningen.

En varmelegeme kan være nødvendig, hvis prøvetemperaturen er sådan, at kondensabel damp kan kondensere i forbindelsesrørene før opsamling af støvpartikler fra en prøve.

Når en kondensabel damp er til stede i en prøve ved en høj koncentration, skal en kondensator anvendes til at reducere dens koncentration forud for analyse af prøveformernes gaskomponenter eller indsamling af prøven i en modtager.

2. Stakprøveudtagning:

Prøveudtagning fra en stak udføres ved at indføre en manifold ind i den gennem en port. Generelt er en port et 75 mm standard flangedrør monteret på en stak flush indvendigt og strækker sig 50 til 200 mm på ydersiden. Når prøveudtagningen ikke er færdig, er den lukket med en blind. For stakke med større diameter kan havediameteren være mere end 75 mm. Havne er placeret ca. 0, 6 til 1, 8 m over gulvet eller en platform. En stak med en diameter på 3 m eller derunder bør have to porte placeret i rette vinkel med hinanden. For en stabel med en diameter på mere end 3 m skal antallet af porte være fire, der ligger ved 90 ° intervaller.

Porte bør normalt være placeret mindst otte diametre nedstrøms og to diametre opstrøms for en strømforstyrrelseskilde. For rektangulære tværsnit stakke enten den større dimension eller den ækvivalente diameter skal tages som diameteren for placering af havne.

Minimumsantalet anbefalede prøveudtagningspunkter på en diameter (traverser) og deres placering afhænger af en prøveudtagningsports position i forhold til strømforstyrrelseskilderne opstrøms og nedstrøms. Før prøveudtagningen skal manifoldens mund være perfekt justeret med strømningsretningen i stakken og rettet opstrøms.

Til fuldstændig analyse af en prøve fra en stak skal der anvendes et isokinetisk prøvetagningstog bestående af en dyse, en varmelegemeindpakket probe og en opvarmet filterholder, efterfulgt af nogle impingerabsorbere forbundet i serie og nedsænket i et isbad. Absorptionstoget skal efterfølges af et gastørringsrør (indeholdende silicagel), en pumpe (variabel slagmembranpumpe), en tørgasmåler og en kalibrerede åbningsmåler.

Efter montering af toget til en stak er pumpen tændt, og strømningshastigheden justeres for at opnå en prøve under isokinetisk tilstand. Når prøverne skal analyseres med jævne mellemrum, kan en online analyser enhed bruges i stedet for et impingerabsorberende tog.

3. Omgivende luftprøveudtagning:

Til prøvetagning af omgivende luft er den basale enhed, der normalt anvendes, kendt som et "højvolumet sampler", især når det ønskes at analysere partikelformet materiale.

Hovedelementerne i en sådan enhed er:

(a) Filter,

(b) En blæser og

Når det er ønskeligt at estimere de gasformige forurenende stoffer, anvendes enten online-instrumenter eller en prøveopsamler eller et bubbe-tog sammen med de allerede nævnte komponenter.

Metode nr. 2. Partikelovervågning:

Formålet med partikelovervågning kan være at estimere partikelmasse koncentration, partikelstørrelsesfordeling og partikelkemisk sammensætning. Når det ønskes at estimere partikelmasse koncentrationen, kan kun et egnet filter anvendes. Filtermediet kan være fremstillet af cellulosefiber / polymerfiber / glasfiber / syntetisk membran. Valget afhænger af gastemperaturen. Massen af arresterede partikler på et filter estimeres ud fra forskellen i filtervægten før og efter filtrering.

Filteret skal være ovntørret før vejning for at undgå enhver fejl, der kryber ind på grund af absorption af fugt eller anden damp under eller før filtrering. Et filter ville ikke være en egnet anordning når det drejer sig om estimering af partikelstørrelsesfordelingen og / eller kemisk analyse af partiklerne, idet kvantitativ genvinding af de arresterede partikler fra et filter er næsten umuligt.

For at fastslå størrelsesfordelingen og kemisk analyse af gasbårne partikler bruger man en impinger eller en række impingere. De partikler, der opsamles i impingeren (erne) sammen med kondenseret damp, om nogen, udvindes kvantitativt og analyseres efter tørring.

For partikelovervågning fra en stakprøveudtagning skal foretages under isokinetisk tilstand, dvs. gashastigheden gennem prøveudtagningsgrenrøret skal være den samme som den gennem stakken ved prøveudtagningspunktet. Hvis prøveudtagning sker under super-isokinetisk tilstand, vil de opsamlede partikler have en større andel af finere og lettere partikler end den faktiske.

Mens når de samples under sub-isokinetisk tilstand, vil de opsamlede partikler indeholde flere af de større og tungere partikler. Da det i praksis er vanskeligt at opretholde strengt isokinetisk tilstand, bør afvigelsen fra isokinetisk tilstand ikke være mere end ± 10%.

For at opretholde isokinetisk prøveudtagningstilstand er det nødvendigt at måle stabelgashastigheden ved prøveudtagningspunktet. Hastigheden måles med en type-S (Stauscheibe eller revers type) pitotrør-manometer enhed. Figur 3.2 viser en sådan samling.

Metode nr. 3. Overvågning af luftforurenende stoffer:

Gasformige forurenende stoffer kan overvåges enten in situ eller på et passende tidspunkt efter samling af en prøve. Før analysen af en prøve skal den frigøres fra partikler og kondensabel damp. In situ analyse foretrækkes, da det giver data hurtigt. Når et prøveudtagningssted er placeret på en fjerntliggende sted, eller når der ikke kræves data straks, kan der indsamles en prøve, og koncentrationen af forurenende stoffer i prøven kan estimeres på et passende tidspunkt.

1. I Situ Analyse:

Når det er nødvendigt at overvåge en prøve, så snart den er opsamlet, udføres in situ analyse ved hjælp af analytiske instrumenter / instrumenter placeret i linje med et prøveudtag. En sådan opsætning kan anvendes til kontinuerlig emissionsovervågning (CEM). Meget ofte kræver dette at skabe et passende hus til instrumenterne, da de er følsomme for støv, fugt og temperatur. Til online analyse af en gas indføres et målt volumen (fri for støv) i et instrument (enhed), som vil måle, vise eller optage koncentrationen af en eller flere bestanddele i prøven.

Instrumentale metoder:

Instrumenter (CEM-analysatorer) er tilgængelige til overvågning af forurenende luftarter som SO ₂, NO, NO ₂, O ₃, CO og carbonhydrider. Disse instrumenter anvender forskellige teknikker og kan anvendes til analyse af stakgas såvel som omgivende luft. Af de forskellige teknikker er gaskromatografi (GC) en alsidig, da den kan anvendes til estimering af adskillige forurenende stoffer, såsom SO2, NOx, CO og carbonhydrider.

Den vitale komponent i en gaschromatografi er dens detektor, som identificerer og registrerer koncentrationen af de forskellige bestanddele i en prøve. En detektor kan være bestanddelsspecifik. I tabel 3.1 er nogle forurenende specifikke detektorer angivet.

Der findes også instrumenter, som kun anvender en specifik teknik til overvågning af et bestemt forurenende stof. Nogle af disse er angivet i tabel 3.2.

De grundlæggende principper for ovennævnte teknikker beskrives kort nedenfor.

Gaskromatografi

De grundlæggende komponenter i en gaschromatografi er:

(i) En pakket søjle (et spiret rør) indeholdende nogle granulære partikler (undertiden imprægneret med en væske). Søjlen tjener som en absorberende / adsorberende seng,

(ii) et søjlehus med temperaturregulering

(iii) Egnede ordninger til indføring af en gasprøve og en bæregas ved søjlebase (indløb) og

(iv) En detektor placeret umiddelbart efter søjlen.

Proceduren for analyse er at injicere et forudbestemt volumen af en gasprøve i bunden af søjlen. Søjlen indeholder et forud valgt adsorbent, hvilket vil afhænge af de bestanddele, der er til stede i prøven, som skal analyseres. Bestanddelene bliver adsorberet på adsorbenslejen og få desorbedet af en strøm af forudvalgt bæregas, der strømmer gennem søjlen.

Fordeling af prøvebestanddelene mellem sengen og bæregassen sker gentagne gange, da bestanddelene bæres mod søjleudgangen ved hjælp af bæregassen. Hver bestanddel vil rejse i sin egen hastighed gennem søjlen og endelig komme ud af søjlen og nå detektoren i form af et bånd.

Tidsintervallet mellem to bånd og bredden af hvert bånd afhænger af partitionskoefficientforholdet mellem bestanddelene under de givne systemparametre. Detektoren giver et signal, der angiver tidspunktet for fremkomsten af et bånd.

Signalet forlænger så længe en bestemt bestanddel fortsætter med at komme ud af søjlen. Signalets størrelse ville afhænge af koncentrationen af bestanddelen i bæregassen, hvilket igen ville afhænge af dens koncentration i prøven. Dataene registreres som et tidsbillede vs. den specifikke bestanddeles koncentration i bæregassen.

Baseret på arealet under plottet anslås koncentrationen af den specifikke bestanddel i prøven. I dag findes mikroprocessorbaserede gaschromatografer, der frembringer udskrivning med de specifikke bestanddele, der er til stede, og deres koncentration i en analyseret prøve.

Ikke-dispergerende infrarød fotometri (NDIR) :

Princippet, der er involveret i denne teknik, er fortrinsvis absorption af infrarød stråling af en bestanddel, for eksempel carbonmonoxid (CO) til stede i en gasprøve.

En enhed ville have følgende komponenter:

(i) En infrarød kilde,

(ii) en helikopter,

(iii) En prøvecelle (strømningstype)

(iv) En infrarød detektor, og

(v) En referencecelle (fyldt med en ikke-infrarød absorberende gas).

En "Non-Dispersive Infrared" -enhed fungerer som beskrevet nedenfor:

Hakkeren ville intermitterende udsætte prøvecellen og referencecellen til infrarød stråling. Den indfaldende stråling ville passere gennem referencecellen næsten uabsorberet og ville nå detektoren. Intensiteten af stråling transmitteret gennem prøvecellen ville blive reduceret på grund af absorption af CO tilstede i prøven, som strømmer gennem cellen.

Forskellen mellem mængderne af energi, der når detektoren via referencecellen, og som via prøven cellen ville være proportional med CO-koncentrationen i prøven. Nogle bestanddele, såsom vanddamp til stede i en prøve, interfererer med den kvantitative estimering af CO.

Chemiluminescence Technique:

Denne teknik er baseret på det faktum, at når et forurenende stof reageres med en bestemt reaktant (i stort overskud), vil de dannede produktmolekyler være i en højere eksitationsstatus. Da produktmolekylerne vender tilbage fra den højere tilstand af excitation til deres normale (jord) tilstand, frigives energi i form af lys.

Intensiteten af det udsendte lys ville være direkte proportional med koncentrationen af det forurenende stof, der var til stede i en prøve. Den udstrålede lysintensitet måles normalt ved hjælp af en fotodiplikator. Til estimering af ozon (O3) koncentration i en prøve er den anvendte reaktant ethylen. I tilfælde af NO skal reaktanten være O3. Til estimering af NO _{2 bliver} den først kvantitativt reduceret til NO og derefter estimeret som NO.

Konduktometrisk teknik :

Den grundlæggende ide bag denne teknik er, at når en bestemt forurenende stof absorberes i en egnet væske, vil den resulterende opløsnings elektriske ledningsevne være forskellig fra absorbentens. Ændringen i konduktivitet ville være proportional med koncentrationen af det forurenende stof, der var til stede i en prøve. Væsken (absorberende) bør vælges således, at den kun absorberer et af de forurenende stoffer i en prøve. Generelt anvendes destilleret vand eller en vandig opløsning som et absorberende middel.

Coulometrisk Teknik :

Coulometrisk analyse udføres ved at reagere et specifikt forurenende stof til stede i en gasformig prøve med en vandig opløsning af KI eller KBr i en elektrolytisk celle, hvorved iod eller brom frigives. Det frigjorte halogenid reduceres ved cellens katode.

Strømmen gennem coulometret ville være proportional med mængden af det frigjorte halogenid, hvilket igen ville være proportional med koncentrationen af det specifikke forurenende stof, der var til stede i prøven. Denne metode er ikke specifik for ozon, fordi den måler de samlede oxidanter, der er til stede i en prøve.

Spektrometrisk teknik :

Denne teknik ligner noget NDIR. Lys (IR / UV) fra en kilde filtreres for at screene lys af alle bølgelængder undtagen et smalt bånd, der absorberes af et specifikt forurenende stof, der er til stede i en gasformig prøve.

Sådanne stråler af det valgte bølgelængdebånd får lov at passere gennem en celle, gennem hvilken en filtreret, kondensabel, fri gasprøve ville strømme. Intensiteten af den overførte stråling i forhold til den af den ikke-dæmpede stråle ville være proportional med koncentrationen af det forurenende stof, der var til stede i prøven.

Elektrokemisk teknik :

En elektrokemisk analysator kan bestå af en semipermeabel membran, en elektrolytfilm, en sensingselektrode og en referenceelektrode nedsænket i elektrolytten. En gasstrøm indeholdende det forurenende stof, hvis koncentration skal estimeres, føres over den semipermeable membran.

Forureningen kan migrere selektivt over membranen og generere et signal (spænding) i elektrolytfilmen. Signalet (spænding) vil blive opfanget af føleelektroden. Spændingsforskellen mellem føleelektroden og referenceelektroden ville være proportional med koncentrationen af forurenende stoffer i prøven.

2. Kemiske metoder:

Der er to kemiske metoder, nemlig:

(1) Hurtig metode og

(2) Klassisk metode. Hurtig metode

Den hurtige metode giver information inden for kort tid. Det kræver ikke en dygtig operatør. For hver forurenende stof anvendes en specifik detektor. Koncentrationerne af nogle forurenende stoffer kan variere fra lav til ret høj. For en sådan forurenende stof skal en detektor, der har det passende område, vælges afhængigt af situationen.

Et sæt til hurtig analyse består af et forseglet glasrør (detektor) fyldt med et forurenende specifikt reagens adsorberet på nogle inerte granulater eller selve reagenset i granulær form og en håndbetjent positiv forskydningspumpe.

Røret er forsynet med stik i hver ende, som fungerer som filtre. Disse holder også de granulære partikler som en pakket seng. En direkte læseskala (generelt i ppmv-enhed) er trykt på rørets udvendige overflade langs dens længde. Mærket starter umiddelbart efter det forreste endefilterstik. Metoden er egnet til overvågning af forurenende stoffer i luften.

Driftsforløbet for en sådan enhed er at bryde de forseglede ender af et detektorrør (specifikt til et bestemt forurenende stof) og fastgøre det samme til en pumpe på en sådan måde, at en gasprøve trækkes gennem rørets forreste ende. Ved at drive pumpen skal et kendt volumen af en prøve (som specificeret af detektorproducenten) suges gennem røret. Øjeblikkelig reaktion mellem reagenset og forurenende stof ville finde sted, hvilket resulterer i en skarp farveændring af den granulerede seng i røret.

Længden af den farvede del af den granulerede seng vil afhænge af koncentrationen af det forurenende stof, som er til stede i en prøve, som kan læses fra den trykte skala på røret. Et rør kan kun bruges én gang. Selector rør er tilgængelige for overvågning af fælles uorganiske forurenende luftarter samt en lang række organiske forurenende stoffer.

Klassisk metode :

Den klassiske metode er også omtalt som våd kemi metode. Denne metode er relativt tidskrævende, og dens nøjagtighed afhænger af en analytiker. Ved denne fremgangsmåde tillades et kendt volumen af en støvfri gasprøve at strømme med en moderat hastighed gennem en række bubler, der hver indeholder et opløsningsmiddel med eller uden nogle opløste reagenser.

Hver bobler ville kun fælde kun et bestemt forurenende stof afhængigt af det tilstedeværende opløsningsmiddel / reagens. Bubblerne skal korrekt sekventeres. Når en prøve har fået lov til at strømme gennem bubbelbåren, skal de løsnes, og indholdet skal kvantitativt analyseres for at estimere de fangede forurenende stoffer.

Metode nr. 4. Prøveopsamling og analyse ved bekvemmelighed:

Det er undertiden foretrukket at samle en gasprøve og efterfølgende analysere det samme i et laboratorium på et passende tidspunkt. For at analysere på denne måde er det nødvendigt at bevare en prøve som den er eller at adskille hver bestanddel (forurenende stof) kvantitativt og derefter bevare dem.

For at nå dette mål kan et af følgende trin vedtages:

(i) Indsamling af en prøve i en evakueret modtager :

En støvfri gasprøve opsamles enten i en evakueret stiv metallisk beholder eller i en fleksibel pose fremstillet af en polymerfilm. Materialet til konstruktion af beholderen bør vælges således, at forurenende stoffer ikke vil interagere fysisk eller kemisk med beholderen under opbevaring og derved forårsage en ændring i sammensætningen af den opsamlede prøve.

En prøve skal afkøles til stuetemperatur og frigøres fra faste partikler og kondenserbar damp før opsamling i en beholder. Beholderen fyldt med en prøve skal så transporteres til et laboratorium til analyse. I laboratoriet kan prøven trækkes tilbage fra beholderen enten ved at klemme polymerposen eller ved hjælp af en pumpe fra den stive beholder. Analyse af den hentede prøve kan udføres enten ved hjælp af egnede instrumenter eller ved passende kemiske metoder.

(ii) Indsamling i et medium :

Flydende eller fast opsamlingsmedium kan anvendes til kvantitativt at holde de forurenende stoffer, der er til stede i en gasprøve, enten som det er eller i en segregeret form til deres efterfølgende estimering.

(a) flydende medium:

Når et flydende medium anvendes, kaldes enheden som et "bubbler system". Systemet kan have flere bublere i serie, der hver indeholder en væske, hvori et specifikt forurenende stof enten fysisk absorberes eller kemisk reageres. Gennem hver bobler bobles et kendt volumen af prøven og efterfølgende estimeres mængden af det fangede forurenende stof ved en egnet kemisk analysemetode. I tabel 3.3 er den kemiske sammensætning af boblervæsker og de analysemetoder, der anvendes til estimering af nogle fælles forurenende stoffer, anført.

(b) fast medium :

Denne indsamlingsmetode er baseret på det faktum, at når en støv- og kondensabel dampfrit gasprøve passeres over en adsorbentlejet, såsom aktiveret carbon / aktiveret silicagel, adsorberes de forurenende stoffer, som er til stede i prøven, kvantitativt.

Proceduren ved indsamling og bevaring af forurenende stoffer i en gasprøve er at passere et kendt volumen af en forurenende bærende gas gennem en beholder indeholdende en adsorbent-seng, hvorved forurenende stoffer opbevares på adsorbentgranulerne, og det meste af bæregassen strømmer ud. Efter opsamling forsegles beholderen og tages til laboratoriet til analyse.

Det allerførste skridt i retning af analyse af de adsorberede bestanddele er at desorbere dem kvantitativt ved opvarmning af beholderen, medens en strøm af inert gas strømmer gennem beholderen med en moderat hastighed. De desorberede bestanddele bæres i et målesystem af den inerte gasstrøm.

En alternativ fremgangsmåde til kvantitativ udvinding af de adsorberede bestanddele er at ekstrahere dem med et kendt volumen af en væske (et opløsningsmiddel). Derefter estimeres koncentrationerne af bestanddelene (forurenende stoffer) i væskekstraktet enten kemisk eller ved hjælp af egnede instrumenter.

På baggrund af diskussionen hidtil kan det konkluderes, at metoderne til overvågning af luftforurenende stoffer kan klassificeres i to grupper:

(i) De instrumentelle metoder og

(ii) De kemiske metoder.

Fordelene og nedbrydelserne af disse metoder er anført i tabel 3.4.