Jak są zbudowane analizatory pyłu?

Zagrożenie związane ze smogiem powodującym wiele kłopotów zdrowotnych u osób mieszkających na terenach, gdzie poziomy emisji przekraczają dopuszczalne normy, skłania do bacznego przyglądania się składowi powietrza. Wiarygodne informacje na temat wielkości zanieczyszczeń, zwłaszcza najgroźniejszych dla zdrowia można zdobyć, posługując się odpowiednim sprzętem pomiarowym np. analizatorami pyłów pozwalających na określenie stężenia PM10 i PM2,5.

Znaczenie precyzyjnego pomiaru pyłu zwieszonego

Rosnące zanieczyszczenie powietrza stanowi poważny problem z powodu wpływu, jaki wywiera na zdrowie i jakość życia ludzi. Nieuniknione wystawienie na działanie zawartych w powietrzu związków chemicznych przyczynia się do wzrostu zachorowalności na choroby układu oddechowego – astmę oskrzelową, przewlekłą obturacyjną chorobę płuc oraz zwiększającą się ilość infekcji górnych dróg oddechowych. Jest także czynnikiem wpływającym na zapadalność i przebieg chorób układu krążenia oraz centralnego układu nerwowego. Ekspozycja na zanieczyszczone powietrze to również zwiększone ryzyko chorób nowotworowych. W grupach ryzyka znajdują się przede wszystkim osoby starsze oraz dzieci, problemy zdrowotne wynikające ze stanu powietrza mogą dotknąć jednak wszystkich. Podejmowane ostatnio kroki związane z redukcją tzw. niskiej emisji czy kolejne uchwały antysmogowe i wprowadzane regulacje mogą w dłuższej perspektywie przyczynić się do poprawy sytuacji, jednak dla skutecznego działania niezbędne jest ciągłe monitorowanie poziomu zanieczyszczeń za pomocą analizatorów pyłu oraz urządzeń pozwalających na stwierdzenie ilości poszczególnych zanieczyszczeń – zauważa przedstawiciel firmy ATMOSERVICE, specjalizującej się w dostarczaniu urządzeń i systemów do monitorowania zanieczyszczeń atmosfery.

Jednym z najpoważniejszych problemów związanych ze złym stanem powietrza jest wysoki poziom pyłów znajdujących się w atmosferze, których źródłem mogą być zarówno zanieczyszczenia naturalne, jak i antropogeniczne, a zatem wynikające z działalności człowieka. Wśród głównych źródeł naturalnej emisji pyłów znajdują się pożary lasów, sawann i terenów stepowych, wybuchy wulkanów, burze piaskowe oraz erozja gleby w połączeniu z silnymi wiatrami. Trzeba pamiętać, że zanieczyszczenia tego rodzaju mają zdolność do przemieszczania się na znaczne odległości i wpływania na jakość powietrza także z dala od miejsca swego powstania. W kontekście lokalnym znacznie większe znaczenia mają jednak zanieczyszczenia antropogeniczne – wynikające ze spalania paliw kopalnych zarówno w energetyce scentralizowanej, jak i rozproszonej, ale również działania różnych gałęzi przemysłu oraz transportu samochodowego.

Pyły zawieszone będące skumulowanym efektem różnych oddziaływań to cząstki stałe o niewielkich rozmiarach, które unoszą się w atmosferze. Wśród cząsteczek zawartych w pyle znajdują się zarówno stosunkowo duże i ciężkie, które dość szybko samoczynnie opadają na powierzchnię – są to tzw. pyły opadające składające się z zanieczyszczeń o dużych rozmiarach przekraczających 10 µm – jak i mniejsze tworzące pyły zawieszone. Cząsteczki o średnicy między 2,5 a 10 µm są zaliczane do pyłów grubych zwanych PM10 (od Particulate matter). Cząsteczki między 2,5 a 1 µm tworzą pył PM2,5 określany jako drobny, a mniejsze, poniżej 1 µm pyły bardzo drobne – między 1 a 0,1 µm submikronowy PM1, poniżej 0,1 µm ultradrobny PM0,1. Wielkość cząsteczek pyłu ma znaczenie dla skali jego oddziaływania. Pyły o dużych rozmiarach znacznie szybciej opadają, a zawieszone w powietrzu na ogół nie trafiają poza górne odcinki dróg oddechowych. Pyły składające się z mniejszych cząsteczek nie tylko dłużej utrzymują się w powietrzu, ale również łatwiej przenikają do organizmu, powodując większe zagrożenie.

Rodzaje i działanie analizatorów pyłu zawieszonego

Monitoring stanu powietrza pozwalający na ocenę skali pojawiającego się zagrożenia i umożliwiający skuteczne ostrzeganie o niebezpiecznym przekroczeniu dopuszczalnych stężeń, ale także stwarzający warunki do mierzenia efektywność podejmowanych działań zaradczych wymaga stosowania odpowiednich metod pomiaru i sprzętu w postaci analizatorów pyłu zawieszonego, który zapewni rzetelność i wiarygodność uzyskanych wyników. Podstawową metodą badania zawartości pyłów zawieszonych w powietrzu atmosferycznym jest metoda grawimetryczna, uznawana za referencyjną, tj. stanowiącą wzorzec do oceny skuteczności działania innych urządzeń. W metodzie grawimetrycznej pomiar jest wykonywany ręcznie za pomocą specjalnych filtrów, które pozwalają na określenie stężenia pyłu w mikrogramach na metr sześcienny powietrza. Zasada dokonywania pomiaru jest stosunkowo prosta i wymaga dokładnego zważenia filtra przed i po ekspozycji na działanie powietrza atmosferycznego. Filtr pozostaje zamontowany w urządzeniu przez 24 godziny, a w tym czasie jest poddawany działaniu powietrza zasysanego z prędkością 2,3 m³/h. Dzięki stałemu przepływowi możliwa jest precyzyjna ocena ilości pozostających na filtrze zanieczyszczeń w stosunku do ilości powietrza. Budowa pobornika, bo tak określane jest urządzenie służące do zbierania próbek, jest niezbyt skomplikowana. Składa się on z głowicy separacyjnej, przez którą jest zasysane powietrze, rury połączeniowej oraz oprawki filtra i samego filtra, a także urządzenia kontrolującego przepływ.

Poza pomiarem za pomocą manualnej metody grawimetrycznej możliwe jest stosowanie urządzeń automatycznych, które dla weryfikacji dokładności pomiaru są kalibrowane z referencyjnym pobornikiem grawimetrycznym. Pomiary mogą być wykonywane za pomocą zautomatyzowanej metody grawimetrycznej wykorzystującej wagę oscylacyjną, metody radiacyjnej albo metod optycznych. W przypadku korzystania z analizatorów typu TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance), czyli wagi oscylacyjnej pomiar polega na kontrolowaniu zmian w wibracji próbnika, na którym osadza się pył, tym samym wpływając na jej bezwładność. W zależności od użytej głowicy separacyjnej istnieje możliwość pomiaru pyłu PM10 albo zawężenia wyników do frakcji PM2,5. Pomiar metodą radiacyjną polega na sprawdzaniu tłumienia promieniowania β (beta). W urządzeniu tego rodzaju zasysany przez głowicę separacyjną pył odkłada się na taśmie o ustalonej przezierności. W trakcie pomiaru dokonywanego w określonych odstępach czasu, sprawdza się jego ilość, prześwietlając taśmę za pomocą promieniowania β o niewielkim natężeniu. Ilość promieni, wychwytywana przez znajdujący się po drugiej stronie taśmy detektor, pokazuje, jak wiele pyłu osadziło się na niej podczas upływu jednostki czasu. Znajomość przepływu powietrza oraz zmiana natężenia promieniowania pozwala na ustalenie masy pyłu. Po pomiarze taśma jest przesuwana, a urządzenie gotowe do kolejnej fazy badania. Promieniowanie β jest emitowane przez odpowiedni izotop, np. C12 lub Kr85, natomiast detekcja jest wykonywana albo dzięki komorze jonizacyjnej, albo licznikowi Geigera–Mullera. Urządzenia wykorzystujące metody optyczne badają rozpraszanie światła. W ramach pomiaru wiązka światła jest kierowana na próbkę powietrza, a detektory mierzą jej dyfrakcję, co pozwala na określenie ilości pyłu znajdującego się w próbce. Rzetelny pomiar jest możliwy dzięki układowi, który z dużą dokładnością pobiera ściśle ustaloną ilość powietrza, uwzględniając panujące warunki, w tym prędkość wiatru. Urządzenia tego rodzaju mogą wykorzystywać dyfrakcję promienia lasera, także w podczerwieni. Możliwe są również inne konstrukcje opierające się na wykorzystaniu pomiaru światła przechodzącego oraz odbitego przez próbkę np. neflometru.