Messen von PM2.5: Alte vs. neue Techniken

PM- oder Partikelverschmutzung sind mikroskopisch kleine Aerosole, Staubpartikel und Wassertröpfchen, die in der Luft oder der Atmosphäre schweben. Es ist bekannt, dass sie verschiedene Beeinträchtigungen verursachen, die eine Vielzahl von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und eine Verschlimmerung von Atemwegserkrankungen wie Asthma, Bronchitis, Lungenentzündung usw. verursachen. Das Einatmen von PM2.5-kontaminierter Luft kann Augen, Nase, Rachen und Atemwege reizen . Daher müssen wir die verschiedenen Techniken zur Messung von PM2.5 kennen, insbesondere in den Bereichen mit höherer Anfälligkeit für Staubemissionen.

„PM2.5 wird von der IARC und der WHO als Karzinogen der Gruppe 1 eingestuft. Daher als die gefährlichste Form der Luftverschmutzung angesehen.“

– IARC & WHO

Einführung

Feinstaub sind die feinen mikroskopischen oder Nanopartikel, die in der Luft schweben. Sie können flüchtig, halbflüchtig, nichtflüchtig, flüssig oder fest sein. Diese Partikel haben die Fähigkeit, durch die Atmung tief in unsere Lungen einzudringen und dann in den Blutkreislauf zu gelangen. Die Weltgesundheitsorganisation hat einige Grenzwerte für PM2.5-Konzentrationen festgelegt. Daher gilt eine Luftqualität, die diese Grenzwerte überschreitet, als ungesund zum Einatmen. In ähnlicher Weise haben verschiedene Behörden in Indien einige Standards zur Messung und Kontrolle einer übermäßigen PM2.5-Konzentration festgelegt, insbesondere in Kraftwerken, Produktionseinheiten, Bau- und Abrissaktivitäten und vielen weiteren ähnlichen Aktivitäten. Daher wird die Messung von PM2.5 unerlässlich, um die Standards einzuhalten. Die Überwachung und Messung von PM2.5 ist auch wichtig, um die Gesundheit der Arbeiter und des Personals zu erhalten.

Die EPA definiert Feinstaub als Partikel mit einem Durchmesser von weniger als oder gleich 2.5 μm, die nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar sind.

• Baustellen, Brände, Fabriken, Kraftwerke, Schornsteine, unbefestigte Straßen und Autos emittieren PM2.5.
• Aufgrund der Eindringfähigkeit mikroskopisch kleiner Partikel nehmen die Gesundheitsgefahren mit abnehmender Partikelgröße zu.
• Umsetzung von Luftqualitätsrichtlinien und -standards auf der ganzen Welt zur Überwachung und Kontrolle von PM2.5.
• Diese Analyse wird von OSHA, EPA, ASTM und NIOSH geleitet.

Was ist eine Luftprobenahme?

Luftprobenahme ist jede Methode zur Entnahme eines repräsentativen Luftvolumens und zur Analyse seiner chemischen, partikulären oder radioaktiven Kontamination. Dieses repräsentative Luftvolumen -> Kontamination pro Volumeneinheit Konzentration berechnen. Vergleichen Sie diesen Wert mit verschiedenen Richtlinien und Normen. Wir quantifizieren die Luftverschmutzung durch Luftproben und Überwachung.

Welche Notwendigkeit besteht für Luftproben, Überwachung und Messung von PM2.5 und anderen Luftschadstoffen?

• Zur Identifizierung und Analyse von Luftverschmutzungsquellen.
• Zur Bewertung der Umweltauswirkungen von Kraftwerks- und Fertigungsemissionen.
• Gefährliche Partikel und Luftschadstoffe bei der Arbeit zu finden.
• Untersuchung der Emissionen von Fahrzeugen und Produkten.
• Für die Einhaltung aller oben genannten behördlichen Normen und Vorschriften.

US EPA misst Prüfkriterien für PM2.5 und PM10 (Staub).

Arbeitsablauf bei der Luftüberwachung

Die Proben werden auf einem Filter oder Harz vakuumgesammelt, durch Filterreinigung, Extraktion oder Veraschen weiter verarbeitet und dann mit gravimetrischen Methoden, Mikroskopie oder Geräten ausgewertet.

Hier wird die typische Vorgehensweise für eine Vielzahl unterschiedlicher Analysetechniken mit Luftproben aufgezeigt.

1. Probensammlung/Vorbereitung – Proben werden auf einem Filter durch Harz oder Vakuum gesammelt

• Gravimetrische Analyse – Verwendet vorgewichtete oder angepasste Gewichtsfilter.
• Mold-Vac durch Medien. Mit anderen Worten, verwenden Sie alternative Techniken wie Tupfer, Wischtuch, Klebeband, Agarplatte.

2. Probenvorbereitung

• Gravimetrisch – Dies ist die am weitesten verbreitete Technik zur Messung und damit Analyse der Feinstaubkonzentrationen. Darüber hinaus verwendet es Austrocknung (MCE), PVC, GF, Quarz usw.
• Mikroskopisch – Mikroskopisch kleine Partikel, wie solche mit Größen zwischen einem Bruchteil eines Mikrometers und Hunderten von Mikrometern, sind für eine Reihe von Prozessen von entscheidender Bedeutung, einschließlich des industriellen Managements der Aerosolproduktion und der Verunreinigungskontrolle. Feste Partikel mit einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser von mehr als 10 µg/m3 (auch bekannt als PM10-Partikel) können schwerwiegende negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, zusätzliche Gesundheitsprobleme verursachen und Krankheiten wie Asthma hervorrufen.

3. Analyse

• Analyse der mit den verschiedenen manuellen Techniken gemessenen Daten. Analyse für weitere Vergleiche.
• Vor- und Nachgewichtung von Filtern vor und nach der Probenahme.
• Partikelgrößenbestimmung und -zählung

Techniken zur Messung von PM2.5

Laut WHO sterben jedes Jahr 7 Millionen Menschen an der Luftverschmutzung. Glücklicherweise können die meisten Atemwegserkrankungen durch eine Verbesserung der Luftqualität vermieden werden. Um jedoch sicherzustellen, dass die Grenzwerte und Anforderungen an die Luftreinhaltung eingehalten werden, ist es notwendig, die Luftqualität zu prüfen und zu überwachen. Alle unten aufgeführten Staubmessmethoden sind traditionell verwendete CAAQMS, die immer noch von verschiedenen Industrien und Regierungsstellen verwendet werden.

1. Gravimetrische Methode-  

Das Sammeln und Messen von PM2.5 (Feinstaub) durch Hydratation, gefolgt von gravimetrischer Analyse und Quantifizierung, ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Messung der Luftverschmutzung. Solche Prüfstationen finden sich unter anderem bei Anbietern von Verbrennungsmotoren, Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und Lkw. Es gibt auch Umweltprüfstationen, die die Luft filtern, um den Verschmutzungsgrad zu bestimmen. Die Untersuchung dieser Filter ist erforderlich, unabhängig davon, wo die Filterung durchgeführt wird. Das heißt, der Feinstaub auf den Filtern muss richtig gewogen werden. Dazu sind genaueste Waagen erforderlich. Die Proben werden manuell gesammelt und dann zur weiteren Analyse an die Labore geliefert.

• Herausforderungen beim Einsatz gravimetrischer Verfahren:

(i) Genaues Handhaben und Wiegen einer großen Anzahl von Filtern.

(ii) Korrekte Kennzeichnung und Probenhandhabung, um Verwechslungen und Fehler zu vermeiden.

(iii) Um eine Kontamination zu vermeiden, ist eine Reinraumumgebung erforderlich.

(iv) Es ist entscheidend, die Filter richtig zu konditionieren.

(v) Es ist wichtig, eine große Datenmenge zu verarbeiten und richtig zu analysieren.

(vi) Kleinere Stichprobenumfänge ergeben sich aus strengeren Vorschriften, die genauere Bilanzen erfordern.

2. Beta-Strahlen-Dämpfung- 

BAM ist ein Gerät zur kontinuierlichen Überwachung der Umgebungsluftqualität, das eine in Echtzeit arbeitende Betastrahl-Dämpfungstechnik verwendet. Einsatzmöglichkeiten dieses Geräts – zur Messung von PM2.5 und PM10 für Benutzer, Behörden und alle, die an Luftqualitätsdaten interessiert sind. Wechseln Sie dieses Filterband im BAM im Wesentlichen alle 2-3 Monate durch den Benutzer.

• Wie funktioniert es?

Der partikelgrößenselektive Einlass befindet sich oben auf dem Instrument, das normalerweise durch das Dach des Überwachungsgehäuses herausragt. Da wir mikroskopisch kleine Partikel quantifizieren müssen, trennt es die riesigen groben Partikel (kleiner als PM10). Dann, nach dem Aktivieren einer mit dem BAM verbundenen Pumpe -> Drücken einer riesigen Luftmenge über den Einlasskopf. Gravimetrisch gezogene winzige Partikel (weniger als 10 μm) -> auf die Filterbandanordnung.

BAM sammelt Daten für jeweils 1 Stunde. Wir führen am Ende jeder Stunde eine Beta-Dämpfungsmessung durch. Je mehr Feinstaub sich während der Stunde auf dem Band absetzt, desto geringer ist die Signaldämpfung. Der Sensor kann die Massenkonzentration von PM10 oder PM2.5 im Laufe einer Stunde berechnen.

3. TEOM

TEOM steht für Tapered Element Oscillating Microbalance. Verwendung – Es ist eine Methode zur kontinuierlichen Messung der Partikelverschmutzung in der Luft. Es hat ein eingebautes Instrument mit Spulentreiber und die Größe eines selektiven Einlasses. Daher den gesamten Schwebestaub zu beproben. Luft wird durch einen Filter am Ende eines sich verjüngenden, oszillierenden Glasrohrs gesaugt. Daher steht die Frequenzänderung in direktem Zusammenhang mit der angesammelten PM-Masse.

• Wie funktioniert es?

Ein Spulentreiber pulsiert gegen einen Magneten auf dem sich verjüngenden Element, um eine oszillierende Bewegung auszulösen. Ein magnetisches Gegenfeld hält die Eigenschwingung aufrecht. Daher beginnt eine Luftprobe durch das System zu strömen. Partikel sammeln sich auf einem Filtersatz oben auf dem Blaugrün. Mit der Zeit nimmt die Partikelmasse zu und lastet gegen die blaugrüne Verringerung der Oszillationsfrequenz. Hall-Effekt-Sensor misst die Frequenzänderung.

Messen und Überwachen von PM (Feinstaub)

Einführung neuer Technologien zur Überwindung der Nachteile traditionell verwendeter Methoden zur PM-Berechnung.

LASER-Partikelsensoren arbeiten nach dem Konzept der optischen 90°-Lichtstreuung. Reflexion des Lichts zum Sensor, das unter 90° auf die Spiegelöffnung trifft. Solange das Licht reflektiert wird, registriert die Fotodiode einen Impuls. Transformation des so empfangenen elektrischen Signals in eine Feinstaubkonzentration.

Immer mehr Menschen achten auf die Luftqualität. Anwendungen der Luftqualitätsüberwachung sind heute nicht nur an den Einsatz in Industrie und Fabrik gebunden. Daher sind sie eifriger und interessierter, die Luftqualität um ihre Häuser und ihren Arbeitsplatz herum zu kennen.

Einführung in viele verschiedene Techniken zur Messung und Überwachung verschiedener Luftqualitätsparameter. Beispielsweise 90°-Lichtstreuung, elektrochemische Sensorik, NDIR-Sensoren, Metalloxidsensoren (MOS) usw.

Dies hat die Nachfrage nach erschwinglichen und genauen Luftqualitätsmonitoren erhöht. Daher haben viele Unternehmen, einschließlich Prana Air, die Herausforderung angenommen, erschwingliche Luftqualitätsmonitore und -sensoren bereitzustellen und die bevorstehenden Anforderungen der Kunden zu erfüllen.

Die in früheren Zeiten verwendete Technologie ist genau, aber äußerst kostspielig und daher für die breite Öffentlichkeit nicht erschwinglich. Außerdem benötigen sie eine große Einsatzfläche und die Wartungskosten sind da. Ansonsten sind die Daten nach 8-24 Stunden verfügbar. Danach sind die Daten auf Regierungsseiten zugänglich und für die breite Öffentlichkeit einsehbar.

Aber die moderne Technologie überwindet all diese Nachteile. Diese sind:

Vorteile der New-Age-Methoden:

1. Klein und handlich, daher leicht tragbar
2. Niedrige Kosten und taschenfreundlich
3. Datenzugriff und -analyse auf einem personalisierten Dashboard.
4. Sehr genau
5. Keine solchen Wartungskosten
6. Verschiedene Monitore und Sensoren nach Kundenwunsch.
7. Echtzeit-Datenüberwachung
8. Historische und Echtzeitanalysen sind einfacher.
9. Auf ausgewählten Geräten wird mehr als ein Luftverschmutzungsparameter angezeigt.
10. Die Kalibrierung und Überwachung dauert einige Sekunden.

Partikelprüfung: Herkömmliche vs. neue Methoden

Quellen:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Particulate_pollution#:~:text=Particulate%20matter%20(PM)%20is%20generally,particles%202.5%20%CE%BCm%20and%20smaller.
2. https://www.cdc.gov/niosh/mining/UserFiles/works/pdfs/poalsd.pdf
3. Image sources: https://www.mdpi.com/2077-0472/12/7/1038/htm ; http://bit.ly/3Axu0LD ; http://bit.ly/3VctRp4 ; http://bit.ly/3UW0urk