BZP 2

1

Przemiany zanieczyszczeń w powietrzu

atmosferycznym

Cyrkulacja powietrza w troposferze

Temp. [K]

H [m]

LITOSFERA

TROPOSFERA

BZP 2

2

1. Przemiany zanieczyszczeń w powietrzu

atmosferycznym

Cyrkulacja powietrza w troposferze – inwersja temperatury

Temp. [K]

H [m]

Warstwa inwersyjna

Brak możliwości pionowej cyrkulacji

zanieczyszczeń (lokalny wzrost ich stężeń

oraz szereg reakcji przemian, np. smog)

Inwersja temperatury (inwersja termiczna lub po prostu inwersja) to w
meteorologii zjawisko atmosferyczne polegające na wzroście temperatury

powietrza wraz z wysokością.

BZP 2

3

Inwersje w atmosferze swobodnej
osiadania – powstaje w efekcie osiadania mas powietrza w wyżu. Górne warstwy powietrza
przemieszczając się w dół, sprężają się, a zatem, zwiększa się ich temperatura i w średnich
wysokościach, powstaje warstwa powietrza cieplejszego niż powietrze poniżej.
turbulencyjna – powstaje na skutek mieszania się powietrza wywołanego silnymi
zawirowaniami powietrza. Zawirowania te mogą tworzyć się na nierównościach terenowych lub
przy silnym wietrze.
frontowa – występuje we frontach atmosferycznych, zwłaszcza we froncie ciepłym, gdy masa
ciepłego powietrza wślizguje się na masę powietrza zimnego. Na styku tych mas, obecna jest
warstwa inwersji.

Inwersje przyziemne
radiacyjna – powstaje podczas bezwietrznych i bezchmurnej nocy, głównie po zachodzie słońca.
Po dniu podłoże i powietrze przy ziemi jest ogrzane, podłoże wypromieniowuje (stąd nazwa
radiacyjne) swoje ciepło do kosmosu, szybko ochładzając się, powietrze wypromieniowuje ciepło
znacznie wolniej. W warstwie tuż przy powierzchni, powietrze staje się wtedy chłodniejsze niż
znajdujące się ponad nim powietrze uprzednio ogrzane.
orograficzna – charakterystyczna dla dolin górskich. Jest to pewien wariant inwersji radiacyjnej,
powietrze ochłodzone w wyniku wypromieniowania ciepła z ziemi spływa ze zbocz górskich, na
dno doliny
adwekcyjna – powstaje, gdy nad wychłodzoną powierzchnię ziemi napływa cieplejsze
powietrze. Warstwa powietrza granicząca z powierzchnią, ochładza się, a powietrze powyżej
pozostaje ciepłe.
śniegowa – powstaje, gdy powietrze cieplejsze ochładza się od śniegu

BZP 2

4

1. Przemiany zanieczyszczeń w powietrzu

Pod warstwą inwersyjną (i nie tylko) emitowane są:

Tlenki węgla

Pyły

Węglowodory

Tlenki siarki

Tlenki azotu

są to tzw. zanieczyszczenia pierwotne, które w wyniku szeregu przemian
natury chemicznej i fizycznej przechodzą w zanieczyszczenia WTÓRNE

Przemiany

tlenków węgla

:

CO utlenia się do CO

2

, jednakże w atmosferze proces ów następuje b. powoli, co w

praktyce oznaczałoby, że stężenie CO ulegałoby podwojeniu co 4 lata...

Na szczęście na Ziemi obecne są mikroorganizmy glebowe, które b. szybko

przyswajają CO z atmosfery – ratując nam życie. J

BZP 2

5

1. Przemiany zanieczyszczeń w powietrzu

Przemiany

tlenków azotu i węglowodorów

:

Tlenki azotu powstają poprzez reakcje azotu z tlenem atmosferycznym. Głównymi

zanieczyszczeniami wtórnymi są NO

3

i kwas azotowy. NO

x

przebywają w atmosferze

ok. 4 dni, dzięki reakcjom fotochemicznym często naturalnie są usuwane z atmosfery.

Kwas azotowy reaguje z metalami i jest usuwany z atmosfery pod postacią soli w

wyniku suchej (opad pyłów) i mokrej (deszcze) depozycji .

Pora dnia

ppm

03 06 09 12 15 18 21 24

W miastach stężenia NO

x

zależą

od natężenia promieniowania
słonecznego i ruchu ulicznego

NO

NO

2

O

3

BZP 2

6

1. Przemiany zanieczyszczeń w powietrzu

Przemiany

tlenków siarki

:

W powietrzu atmosferycznym następuje częściowa konwersja SO

2

do SO

3

i w dalszej

kolejności w obecności pary wodnej do

kwasu siarkowego

. Proces ten przebiega przez

reakcje fotochemiczne i katalitycznie i zależy od:

-ilości pary wodnej w powietrzu,

-intensywności, czasu trwania i widma promieniowania słonecznego,

-liczby katalizatorów w atmosferze,

-obecności sorbentów i substancji alkalicznych

BZP 2

7

Strategia i organizacja pomiarów

zanieczyszczeń powietrza

Rozpoznanie źródła

emisji

Wybór punktów

pomiarowych

Wybór metody

poboru

rodzaje zanieczyszczeń

emisja czy imisja ?

manualnie czy
automatycznie ?

BZP 2

8

2. Rozpoznanie źródła emisji

Proces technologiczny

Pozyskiwanie

surowca

Przygotowanie

surowca

Proces podstawowy

(właściwy)

pozyskanie

przygotowanie

Proces

podstawowy

oczyszczanie

energia

energia

energia

energia

zanieczyszczenie

zanieczyszczenie

zanieczyszczenie

Zanieczyszczenie

„zatrzymane”

pomiar

emisja

1.

2.

3.

BZP 2

9

2.1. Systematyka źródeł emisji

Sposób wyprowadzenia

zanieczyszczeń

Charakter

emisji

Rodzaj emitora

Czas trwania

Stałość emisji

Źródła zanieczyszczeń

Rodzaj emisji

BZP 2

10

- emitory punktowe

- emitory

powierzchniowe

- emitory liniowe

2.1a. Systematyka źródeł emisji

Sposób wyprowadzenia zanieczyszczeń

zorganizowany

niezorganizowany

emitory ruchome

emitory stacjonarne

kominy, odciągi
technologiczne

Taśmociągi,
wywietrzniki

Hałdy, wysypiska, laguny

BZP 2

11

2.1b. Systematyka źródeł emisji

Charakter emisji

emisja stała

emisja zmienna

ciągła emisja

zanieczyszczeń

stała wielkość

emisji

Np. cementownie,

elektrownie

Np.kotłownie lokalne

nieregularna

wielkość

emisji

okresowa emisja

zanieczyszczeń

BZP 2

12

3. Wybór punktów pomiarowych

„Ze względu na silną zmienność stężeń zanieczyszczeń powietrza w

czasie i przestrzeni zagadnienie wyboru i ustalenia liczby punktów

pomiarowych jest zagadnieniem niezwykle istotnym”

Cel pomiaru

„zanieczyszczenia u źródła”

emisja pyłowa

emisja gazowa

„zanieczyszczenia w terenie”

imisja pyłowa imisja gazowa

Emisja

- zjawisko wysyłania promieniowania lub cząstek stałych i gazowych

przez źródło

Imisja

- występowanie zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym

BZP 2

13

3.1. Wybór punktów pomiarowych...kryteria

Pomiary emisji:

Pomiary zanieczyszczeń

pyłowych

Pomiary zanieczyszczeń

gazowych

Punkty

pomiarowe

powinny

być

umiejscowione

na

emitorach,

w

bezpiecznych

odległościach

od

elementów

mogących

znacznie

wpływać

na

strukturę

przepływu

zapylonych

gazów

oraz

w

bezpiecznych

odległościach

od

urządzeń

mogących

powodować

fizykochemiczne

zmiany

badanej

mieszaniny dwufazowej.

Ze względu na specyfikę i charakter
wykorzystywanych metod pomiaru
nie ma drastycznych wymogów, co
do lokalizacji punktów pomiarowych
na emitorach. Najistotniejszą rzeczą,
jest

niedopuszczenie

wystąpienia

nieszczelności

w

układzie

kanał

pomiarowy – miernik. Oczywiście
punkt(y)

pomiarowy

winien

być

wybrany, w sposób zapewniający
reprezentatywność próbki.

BZP 2

14

3.2. Wybór punktów pomiarowych...kryteria

Pomiary imisji:

Pomiary zanieczyszczeń pyłowych i gazowych

- gęstość zaludnienia

- koncentracja zakładów przemysłowych

- warunki geograficzne i topograficzne

- warunki meteorologiczne

- warunki mikroklimatu lokalnego

BZP 2

15

3.3. Wybór punktów pomiarowych...imisja

- gęstość zaludnienia

decydują o ilości i zagęszczeniu punktów pomiarowych,

KRYTERIA:

- koncentracja zakładów przemysłowych

- warunki geograficzne i topograficzne

- warunki meteorologiczne

- warunki mikroklimatu lokalnego

decydują o sposobie umiejscowienia punktów

pomiarowych,

BZP 2

16

3.4. Wybór punktów pomiarowych...imisja

sieć alarmowa

Zorganizowane sieci pomiarowe

Głównym celem pomiarów stężeń zanieczyszczeń powietrza jest

dostarczanie informacji o stanie zagrożenia dla zdrowia ludności

Czasowe i przestrzenne rozkłady stężeń zanieczyszczeń

Punkty pomiarowe umieszczone w miejscach spodziewanych stężeń maksymalnych

sieć nadzoru ogólnego

Czasowe i przestrzenne rozkłady stężeń zanieczyszczeń

Punkty pomiarowe umieszczone w „zgodności geometrycznej” – kwadratowa sieć o

boku 2 km (zasadniczo na powierzchnię 25 km

2

powinno przypadać 6 punktów)

BZP 2

17

4. Wybór metody poboru

Ocena stopnia zanieczyszczenia powietrza

pomiar stężeń

zanieczyszczeń powietrza

określone prawnie

wartości dopuszczalne

=

wielkość (wartość) stężenia jest więc miarą czystości

powietrza

określone prawnie

wartości stężeń

dopuszczalnych

chwilowe

średnioroczne

średniodobowe

BZP 2

18

4.1. Wybór metody poboru – informacje wstępne

W przypadku lotnych (gazowych) substancji zanieczyszczających

w określeniu wielkości stężeń zazwyczaj wykorzystuje się

procenty objętościowe

a także

[ppm, ppb, ppt, ppq]

Stężenie w BZP

– wyraża stosunek ilości substancji

zanieczyszczających do ilości powietrza, w którym one występują.

[

mg/m

3

, mg/m

3

]

C(% obj.) = (V

Z

/V

P

)*100

C(ppm) = V

Z

(cm

3

)/V

P

(m

3

)=10

-6

BZP 2

19

4.2. Wybór metody poboru – jednostki

Sposób przeliczania zgodny z prawem

Avogadra

Konwersja jednostek:

np.

chcemy „przejść” z mg/m

3

na % obj.

1 mg/m

3

oznacza, że w 1 m

3

(1000 dm

3

) powietrza znajduje się 1 mg (10

-3

g) LSZ

Stąd:

1 mol gazu o masie M (g) ------- 22,4 dm

3

(22,4*10

-3

m

3

)

10

-3

g

-------- X

Więc:

X = 10

-3

* 22,4/M dm

3, czyli

X = 10

-6

* 22,4/M m

3

BZP 2

20

4.2. Wybór metody poboru – jednostki

Konwersja jednostek:

Tym samym:

stężenie 1 mg/m

3

wyrażone stosunkiem objętościowym odpowiada

22,4*10

-4

/M

% obj.

Innymi słowy:

Aby obliczyć jakie stężenie w % obj. odpowiada stężeniu zanieczyszczeń gazowych

C (mg/m

3

) należy tę wielkość pomnożyć przez :

22,4*10

-4

/M

BZP 2

21

4.2. Wybór metody poboru – jednostki

Konwersja jednostek:

Zatem:

C(%obj.) = C(mg/m

3

)*10

-4

*22,4/M

lub:

C(%obj.) = C(

mg/m

3

)*10

-7

*22,4/M

oczywiście:

C(mg/m

3

)=C(%obj.)*10

4

*M/22,4

albo:

C(

mg/m

3

)=C(%obj.)*10

7

*M/22,4

BZP 2

22

4.3. Wybór metody poboru – etapy pomiaru

Etapy pomiaru stężeń zanieczyszczeń:

a) pobór reprezentatywnej próbki zanieczyszczeń

b) analiza ilościowa pobranej próbki zanieczyszczeń

c) przeliczenie wyników analizy na odpowiednie jednostki stężeń

Powietrze

atmosferyczne

(imisja)

Przewody i

emitory (emisja)

Powietrze na

stanowiskach

pracy (BHP)

Powietrze w

pomieszczeniach

zamkniętych

BZP 2

23

4.4. Wybór metody poboru – podział metod

Sposoby pomiaru stężeń zanieczyszczeń:

Metody manualne

Metody automatyczne

aspiracyjne

izolacyjne

pasywne

z wykorzystaniem

sorbentów

(pochłaniaczy)

elektrochemiczne

„IR, UV, itd...”

oraz

BZP 2

24

4.4. Wybór metody poboru – metody automatyczne

Fizykochemiczne automatyczne metody pomiaru stężeń zanieczyszczeń

optyczne

elektrochemiczne

Czułe na

zmianę masy

elektryczne

biochemiczne

Spektrofoto-

metryczne

Lumiens-

cencyjne

Opto-

termiczne

Potencjo-

metryczne

Ampero-

metryczne

Woltmpero-

metryczne

Kulo-

metryczne

Kondukto-

metryczne

Piezo-

metryczne

Akustyczne

Półprzewo-

dnikowe

BZP 2

25

4.4. Wybór metody poboru – metody manualne

Manualne metody pomiaru stężeń zanieczyszczeń

Zasadą metody jest przepuszczenie znanej objętości badanego powietrza przez

odpowiednio dobrane ciekłe lub stałe substancje pochłaniające – zwane

sorbentami.

Metoda znajduje zastosowanie w pomiarach

małych

stężeń zanieczyszczeń

Metoda aspiracyjna

aspiracyjna

izolacyjna

pasywna

Czynniki wpływające na dokładność poboru (pomiaru):

- szybkość przepływu powietrza przez sorbent,

- zjawisko aeracji (napowietrzania),

- ilość przepuszczonego powietrza

BZP 2

26

4.4. Wybór metody poboru – metody manualne

Metoda aspiracyjna

Substancje pochłaniające (sorbenty)

Oznaczana substancja

Gazy, pary

ciecz, aerozol

Sorbent ciekły

, czyli szereg

rozmaitych roztworów

pochłaniających, np. dla

oznaczenia amoniaku –woda,
kwas, dla SO

2

– roztwór jodu

Sorbent stały lub ciekły

, czyli

wata szklana, węgiel aktywny,

filtry bibułowe oraz szereg

rozmaitych roztworów (cieczy)

pochłaniających,

BZP 2

27

4.4. Wybór metody poboru – metody manualne

Metoda izolacyjna

Zasadą metody jest pobranie do naczynia określonej objętości powietrza, które

następnie poddaje się analizie. Do pobrania próbek powietrza służą tzw.

pipety

gazowe.

Metoda znajduje zastosowanie w pomiarach

dużych

stężeń zanieczyszczeń

Metoda pasywna

Zasada działania: - badane substancje gazowe dostają się do urządzenia

absorbującego poprzez

dyfuzję

lub

permeację

(przenikanie) i zostają immobilizowane

za pomocą czynnika absorbującego. Masa zatrzymanego składnika jest

proporcjonalna do jego stężenia w powietrzu i czasu ekspozycji. Oczywiście próbniki

są wysyłane do analizy.

BZP 2

28

4.4. Wybór metody poboru – charakterystyka

Metody aspiracyjne

Metody izolacyjne

Metody pasywne

zalety

wady

Wysoka precyzja, niska
granica oznaczalności,
ograniczony wpływ
warunków atmosfer. ,
niska cena, prostota
obsługi, niezawodność

Brak możliwości
uzyskania wyników
stężeń chwilowych,
dostarczanie wyników
jedynie „historycznych”

Możliwość pomiaru
wysokich stężeń,
ograniczony wpływ
warunków
atmosferycznych, szybki
i prosty pobór próby

Tylko i wyłącznie
chwilowe wartości stężeń
brak możliwości detekcji
przestrzennej, możliwe
kłopoty eksploatacyjne w
fazie analizy

Duża liczba czynników
mających niekorzystny
wpływ na
reprezentatywność
próbki gazowej,
wymagane źródło energii

Możliwość pomiaru
niskich stężeń, prostota
obsługi, realizują
pomiary chwilowe i
ciągłe. Możliwość
oznaczania kilku
substancji „naraz”

BZP 2

29

4.5. Wybór metody poboru – pobór prób pyłowych

Pomiar zapylenia w powietrzu

pyłomierze

filtry miernicze

zazwyczaj do pomiarów

chwilowych, np.

pomiarów emisji

bardzo przydatne do

pomiarów ciągłych

BZP 2

30

4.5. Wybór metody poboru – pobór prób pyłowych

Filtry miernicze aspiracyjne

Metodyka pomiaru polega na wyznaczeniu ilości i gramatury ( w przypadku aerozoli)

pyłu osadzonego na filtrze. Minimalna wartość pomiarowa to 50 mg pyłu, co

powoduje, że strumień objętości zaciąganego gazu winien wynosić od 10 do 3300 m

3

,

co prowadzi do używania stosunkowo dużych powierzchni filtrujących.

Stosowane materiały filtracyjne

celuloza

włókna szklane

kwarc

Filtr pomiarowy należy przed pomiarem suszyć do stałej masy i

wyznaczyć jego masę z dokładnością do 0,1 mg. Podobnie należy

postępować po zassaniu próbki !!!

BZP 2

31

4.5. Wybór metody poboru – pobór prób pyłowych

Separacja aerozolu atmosferycznego

W celu przewidzenia różnych skutków, jakie może wywołać obecność aerozoli w

powietrzu, pomiar stężenia jest nie wystarczający. Dodatkowo konieczna jest

znajomość ilościowego udziału frakcyjnego

Urządzenia do separacji aerozoli

Cyklony, płytki

osadcze,

impaktory

Próbniki

dychotomiczne

(wielostopniowe)

Do oddzielania frakcji
gruboziarnistej > 2

mm

Do oddzielania frakcji
gruboziarnistej (1 stopień) i
drobnoziarnistej (2stopień)