Metodi di monitoraggio degli inquinanti atmosferici: 4 metodi

I seguenti punti evidenziano i quattro metodi di monitoraggio degli inquinanti atmosferici. I metodi sono: 1. Campionamento 2. Monitoraggio del particolato 3. Monitoraggio degli inquinanti gassosi e 4. Raccolta e analisi dei campioni a portata di mano.

Metodo # 1. Campionatura:

Il primo passo verso il monitoraggio degli inquinanti trasmessi dal gas è ottenere un campione rappresentativo.

Un setup utilizzato per la raccolta di un campione e l'analisi degli inquinanti presenti in esso viene generalmente indicato come un treno di campionamento. Normalmente un treno di campionamento ha diversi componenti.

I componenti presenti in un set-up effettivo dipenderebbero dalla situazione e dagli obiettivi, come:

1. Se la fonte è aria ambiente o un condotto, per esempio, una pila;

2. Se si desidera monitorare solo il particolato o gli inquinanti gassosi;

3. Se si propone di stimare gli inquinanti gassosi in situ o di analizzarli in un momento opportuno dopo la raccolta di un campione.

Le particelle sono analizzate invariabilmente in un momento opportuno dopo averle intrappolate.

Un set-up può consistere in tutti o alcuni dei seguenti componenti:

(i) una varietà di campionamento,

(ii) un collettore di particelle / scaricatore,

(iii) Un riscaldatore / raffreddatore / condensatore,

(iv) una pompa di aspirazione (tipo di volume regolabile),

(v) Un flussometro,

(vi) strumenti di monitoraggio degli inquinanti gassosi in linea o gorgogliatori o un collettore di campioni.

La figura seguente (3.1) mostra schematicamente alcune disposizioni alternative dei treni di campionamento:

(a) collettore,

(b) Raffreddatore / riscaldatore,

(c) raccoglitore di particelle,

(d) Condensatore,

(e) Pompa,

(f) Flussometro,

(g) Filtro.

A. Un treno per il monitoraggio dei particolati e degli inquinanti gassosi.

B. Solo un treno per il monitoraggio degli inquinanti gassosi.

C. Solo un treno per il monitoraggio del particolato.

Mentre si raccoglie un campione gassoso, si deve tenere presente che una portata del flusso di effluente e la sua composizione possono cambiare nel tempo e in un dato momento quelli possono dipendere dalla posizione del punto di campionamento. Per questo motivo, sono state raccomandate procedure standard per il campionamento in modo che il campione raccolto sia in media una volta. Quando vengono utilizzati analizzatori in linea, il campione è istantaneo.

1. Treno di campionamento:

Un collettore dovrebbe essere una parte del treno di campionamento quando il campionamento deve essere fatto da una pila o da una fonte diversa dall'atmosfera ambiente. Dovrebbe essere fatto di un materiale non reattivo e non adsorbente, come il teflon o il vetro o una lega resistente al calore e alla corrosione.

Dovrebbe essere il più corto possibile e non dovrebbe essere distorto, altrimenti potrebbe esserci accumulo di particelle al suo interno. Per prevenire danni termici al collettore può essere raffreddato, ma è necessario prestare attenzione in modo che la temperatura del campione non scenda al di sotto del suo punto di rugiada.

Un collettore di polveri viene utilizzato quando si desidera l'analisi del particolato sospeso (SPM). Altrimenti, è necessario utilizzare un parascintille.

Per aspirare un campione viene utilizzata una pompa meccanica o un dispositivo adatto.

Un misuratore di portata viene utilizzato per misurare il volume totale del campione che passa attraverso un treno collettore di campioni.

Un refrigeratore può essere richiesto come parte di un treno di campionamento, se la temperatura del gas è tale da danneggiare i componenti del treno durante il campionamento.

Un riscaldatore può essere necessario se la temperatura del campione è tale che il vapore condensabile possa condensare nei tubi di collegamento prima della raccolta di particelle di polvere da un campione.

Quando un vapore condensabile è presente in un campione ad alta concentrazione, si dovrebbe usare un condensatore per ridurne la concentrazione prima di analizzare i costituenti gassosi del campione o la raccolta del campione in un ricevitore.

2. Campionamento della pila:

Il campionamento da una pila viene fatto introducendo una varietà attraverso una porta. Generalmente una porta è un tubo flangiato standard da 75 mm montato su una risciacquatura interna e che si estende da 50 a 200 mm all'esterno. Quando il campionamento non viene eseguito, viene chiuso con un cieco. Per le pile di diametro maggiore, il diametro dell'attacco può essere superiore a 75 mm. Le porte si trovano a circa 0, 6 - 1, 8 m sopra il pavimento o su una piattaforma. Una pila di diametro pari o inferiore a 3 m dovrebbe avere due luci posizionate ad angolo retto l'una rispetto all'altra. Per una pila con diametro superiore a 3 m il numero di porte dovrebbe essere quattro, situato a intervalli di 90 °.

Normalmente le porte dovrebbero essere posizionate ad almeno otto diametri a valle e due diametri a monte rispetto a una fonte di disturbo del flusso. Per le pile rettangolari sezionate si deve prendere la dimensione maggiore o il diametro equivalente come diametro per la posizione delle porte.

Il numero minimo di punti di campionamento consigliati su un diametro (traversi) e le loro posizioni dipendono dalla posizione di una porta di campionamento rispetto alle sorgenti di disturbo del flusso a monte ea valle. Prima del campionamento, la bocca del collettore deve essere perfettamente allineata con la direzione del flusso nello stack e diretta a monte.

Per un'analisi completa di un campione da una pila, è necessario utilizzare un treno di campionamento isocinetico costituito da un ugello, una sonda avvolta dal riscaldatore e un portafiltro riscaldato seguito da alcuni assorbitori di impulsi collegati in serie e immersi in un bagno di ghiaccio. Il treno di assorbimento deve essere seguito da un tubo di essiccazione del gas (contenente gel di silice), una pompa (pompa a membrana a corsa variabile), un contatore del gas secco e un misuratore di orifizio calibrato.

Dopo aver montato il treno in una pila, la pompa viene accesa e la portata viene regolata in modo da ottenere un campione in condizioni isocinetiche. Quando i campioni devono essere analizzati a intervalli regolari, è possibile utilizzare un'unità di analisi online anziché un treno di assorbitori di impulsi.

3. Campionamento dell'aria ambiente:

Per campionare l'aria ambiente, l'unità di base normalmente utilizzata è nota come "campionatore ad alto volume", in particolare quando si desidera analizzare il particolato.

I componenti principali di tale unità sono:

(a) Filtro,

(b) Un soffiatore e

(c) Un misuratore di portata.

Quando si desidera stimare gli inquinanti gassosi, si utilizzano anche strumenti in linea o un collettore di campioni o un treno di gorgogliatori in tandem con i componenti già menzionati.

Metodo # 2. Monitoraggio del particolato:

Lo scopo del monitoraggio del particolato può essere quello di stimare la concentrazione di massa del particolato, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la composizione chimica delle particelle. Quando si desidera stimare la concentrazione di massa di particelle, si può usare solo un filtro adatto. Il mezzo filtrante può essere costituito da fibra di cellulosa / fibra polimerica / fibra di vetro / membrana sintetica. La scelta dipenderà dalla temperatura del gas. La massa delle particelle arrestate su un filtro è stimata dalla differenza nel peso del filtro prima e dopo la filtrazione.

Il filtro deve essere asciugato al forno prima di pesare per evitare qualsiasi errore di strisciamento dovuto all'assorbimento di umidità o altri vapori, durante o prima della filtrazione. Un filtro non sarebbe un dispositivo adatto quando si tratta di stimare la distribuzione delle dimensioni delle particelle e / o l'analisi chimica delle particelle, poiché il recupero quantitativo delle particelle arrestate da un filtro è quasi impossibile.

Per l'accertamento della distribuzione dimensionale e dell'analisi chimica del particolato trasportato dal gas si usa un incisore o una serie di impulsi. Le particelle raccolte nell'impulso (i) insieme al vapore condensato, se presente, vengono recuperate quantitativamente e analizzate dopo l'essiccazione.

Per il monitoraggio del particolato da una pila, il campionamento dovrebbe essere effettuato in condizioni isocinetiche, cioè la velocità del gas attraverso il collettore di campionamento dovrebbe essere la stessa di quella attraverso la pila nel punto di campionamento. Se il campionamento viene eseguito in condizioni super-isocinetiche, le particelle raccolte avranno una proporzione maggiore di particelle più fini e più leggere del reale.

Mentre quando campionati in condizioni sub-isocinetiche le particelle raccolte contengono più particelle più grandi e più pesanti. Poiché in pratica è difficile mantenere una condizione strettamente isocinetica, la deviazione dalla condizione isocinetica non dovrebbe essere superiore a ± 10%.

Per mantenere la condizione di campionamento isocinetico è necessario misurare la velocità del gas di impilamento nel punto di campionamento. La velocità viene misurata con un gruppo manometro tubo pitot di tipo S (Stauscheibe o reverse type). La figura 3.2 mostra un tale assemblaggio.

Metodo # 3. Monitoraggio degli inquinanti gassosi:

Gli inquinanti gassosi possono essere monitorati sia in situ che in un momento opportuno dopo la raccolta di un campione. Prima di analizzare un campione deve essere liberato da particolato e vapore condensabile. L'analisi in situ è ​​preferita in quanto produce rapidamente i dati. Tuttavia, quando un punto di campionamento si trova in una posizione remota o quando i dati non sono richiesti immediatamente, un campione può essere raccolto e la concentrazione degli inquinanti nel campione può essere stimata in un momento opportuno.

1. Analisi In Situ:

Quando è necessario monitorare un campione non appena viene raccolto, l'analisi in situ viene effettuata con l'aiuto di strumenti / strumenti analitici posti in linea con un treno di campionamento. Tale impostazione può essere utilizzata per il monitoraggio continuo delle emissioni (CEM). Molto spesso questo richiede di fornire un alloggiamento adatto per gli strumenti, in quanto sono sensibili alla polvere, all'umidità e alla temperatura. Per l'analisi online di un gas, un volume misurato (privo di polvere) viene introdotto in uno strumento (unità), che misura, visualizza o registra la concentrazione di uno o più costituenti nel campione.

Metodi strumentali:

Gli strumenti (analizzatori CEM) sono disponibili per il monitoraggio di inquinanti gassosi come SO 2, NO, NO 2, O 3, CO e idrocarburi. Questi strumenti impiegano tecniche diverse e possono essere utilizzati per l'analisi del gas di impilaggio e dell'aria ambiente. Tra le diverse tecniche, la gascromatografia (GC) è versatile poiché può essere utilizzata per la stima di diversi inquinanti, come SO 2, NO x, CO e idrocarburi.

Il componente vitale di una gascromatografia è il suo rivelatore, che identifica e rileva la concentrazione dei diversi costituenti di un campione. Un rilevatore può essere specifico del componente. Nella Tabella 3.1 sono elencati alcuni rilevatori di inquinanti specifici.

Sono disponibili anche strumenti che impiegano una tecnica specifica per monitorare solo uno specifico inquinante. Alcuni di questi sono elencati nella Tabella 3.2.

I principi di base delle tecniche sopra menzionate sono brevemente discussi qui di seguito.

Gas cromatografia

I componenti di base di una gascromatografia sono:

(i) Una colonna impaccata (un tubo a spirale) contenente alcune particelle granulari (a volte impregnate con un liquido). La colonna funge da letto assorbente / adsorbente,

(ii) Un alloggiamento della colonna con controllo della temperatura,

(iii) disposizioni adatte per introdurre un campione di gas e un gas di trasporto alla base della colonna (ingresso) e

(iv) Un rilevatore situato immediatamente dopo la colonna.

La procedura per l'analisi consiste nell'iniettare un volume predeterminato di un campione di gas alla base della colonna. La colonna contiene un adsorbente preselezionato, che dipenderebbe dai costituenti presenti nel campione da analizzare. I costituenti vengono adsorbiti sul letto adsorbente e vengono desorbiti da una corrente di gas di trasporto preselezionato che scorre attraverso la colonna.

Il partizionamento dei costituenti del campione tra il letto e il gas di trasporto si verifica ripetutamente quando i costituenti vengono trasportati verso l'uscita della colonna dal gas di trasporto. Ogni componente percorrerà la propria velocità attraverso la colonna e alla fine uscirà dalla colonna e raggiungerà il rilevatore sotto forma di una banda.

L'intervallo di tempo tra due bande e la larghezza di ciascuna banda dipende dal rapporto di coefficiente di partizionamento dei componenti in base ai parametri di sistema specificati. Il rilevatore emette un segnale che indica l'ora di emergenza di una banda.

Il segnale si prolunga finché un componente specifico continua a uscire dalla colonna. L'entità del segnale dipenderebbe dalla concentrazione del costituente nel gas di trasporto, che a sua volta dipenderebbe dalla sua concentrazione nel campione. I dati vengono registrati come un diagramma di tempo rispetto alla concentrazione dei costituenti specifici nel gas di trasporto.

In base all'area sotto il grafico, viene stimata la concentrazione del costituente specifico nel campione. Al giorno d'oggi sono disponibili cromatografi a gas a microprocessore, che producono tabulato che elenca i costituenti specifici presenti e la loro concentrazione in un campione analizzato.

Fotometria a infrarossi non disperdente (NDIR) :

Il principio implicato in questa tecnica è l'assorbimento preferenziale della radiazione infrarossa da parte di un costituente, ad esempio il monossido di carbonio (CO) presente in un campione di gas.

Un'unità avrebbe i seguenti componenti:

(i) una sorgente a infrarossi,

(ii) un elicottero,

(iii) Una cella campione (tipo di flusso)

(iv) un rivelatore a infrarossi, e

(v) Una cella di riferimento (riempita con un gas di assorbimento non infrarosso).

Un'unità 'Infrarosso non disperdente' funziona come indicato di seguito:

L'elicottero esporrà in modo intermittente la cella campione e la cella di riferimento alla radiazione infrarossa. La radiazione incidente passerebbe attraverso la cella di riferimento virtualmente non assorbita e raggiungerebbe il rivelatore. L'intensità della radiazione trasmessa attraverso la cella campione si ridurrebbe a causa dell'assorbimento di CO presente nel campione che scorre attraverso la cella.

La differenza tra la quantità di energia che raggiunge il rivelatore attraverso la cella di riferimento e quella attraverso la cella campione sarebbe proporzionale alla concentrazione di CO nel campione. Alcuni componenti, come il vapore acqueo presente in un campione, interferiscono con la stima quantitativa di CO.

Tecnica di chemiluminescenza:

Questa tecnica si basa sul fatto che quando un inquinante viene fatto reagire con uno specifico reagente (in eccesso eccessivo) le molecole del prodotto formate si trovano in uno stato più elevato di eccitazione. Quando le molecole del prodotto ritornano dallo stato più elevato di eccitazione al loro stato normale (terreno), l'energia viene rilasciata sotto forma di luce.

L'intensità della luce emessa sarebbe direttamente proporzionale alla concentrazione dell'inquinante presente in un campione. L'intensità della luce emessa viene normalmente misurata con l'aiuto di un moltiplicatore di foto. Per la stima della concentrazione di ozono (O 3 ) in un campione, il reagente utilizzato è etilene. Nel caso di NO il reagente dovrebbe essere O 3 . Per la stima dell'NO 2 viene dapprima ridotto quantitativamente a NO e quindi stimato come NO.

Tecnica conduttimetrica :

L'idea alla base di questa tecnica è il fatto che quando un inquinante specifico viene assorbito in un liquido adatto, la conduttività elettrica della soluzione risultante sarebbe diversa da quella dell'assorbente. Il cambiamento di conduttività sarebbe proporzionale alla concentrazione dell'inquinante presente in un campione. Il liquido (assorbente) deve essere scelto in modo tale da assorbire solo uno degli inquinanti presenti in un campione. Generalmente, l'acqua distillata o una soluzione acquosa viene utilizzata come assorbente.

Tecnica coulometrica :

L'analisi coulometrica viene effettuata facendo reagire uno specifico inquinante presente in un campione gassoso con una soluzione acquosa di KI o KBr in una cella elettrolitica per cui liberano iodio o bromo. L'alogenuro liberato è ridotto al catodo della cellula.

La corrente attraverso il coulometro sarebbe proporzionale alla quantità di alogenuro liberato, che a sua volta sarebbe proporzionale alla concentrazione dello specifico inquinante presente nel campione. Questo metodo non è specifico per l'ozono perché misura gli ossidanti totali presenti in un campione.

Tecnica spettrometrica :

Questa tecnica è in qualche modo simile al NDIR. La luce (IR / UV) da una sorgente viene filtrata per schermare la luce di tutte le lunghezze d'onda eccetto una banda stretta che viene assorbita da uno specifico inquinante presente in un campione gassoso.

Tali raggi della banda di lunghezza d'onda selezionata sono lasciati passare attraverso una cella, attraverso la quale scorre un campione di gas filtrato privo di condensa. L'intensità della radiazione trasmessa rispetto a quella del fascio non attenuato sarebbe proporzionale alla concentrazione dell'inquinante presente nel campione.

Tecnica elettrochimica :

Un analizzatore elettrochimico può consistere in una membrana semi-permeabile, un film di elettrolita, un elettrodo di rilevamento e un elettrodo di riferimento immersi nell'elettrolita. Una corrente di gas contenente l'inquinante di cui si deve stimare la concentrazione viene fatta passare sulla membrana semipermeabile.

L'inquinante può migrare selettivamente attraverso la membrana e generare un segnale (tensione) nel film di elettrolita. Il segnale (tensione) verrebbe rilevato dall'elettrodo di rilevamento. La differenza di tensione tra l'elettrodo di rilevamento e l'elettrodo di riferimento sarebbe proporzionale alla concentrazione di inquinanti nel campione.

2. Metodi chimici:

Esistono due metodi chimici, vale a dire:

(1) Metodo rapido e

(2) Metodo classico. Metodo rapido

Il metodo rapido fornisce informazioni in breve tempo. Non richiede un operatore esperto. Per ciascun inquinante viene utilizzato un rilevatore specifico. Le concentrazioni di alcuni inquinanti possono variare da basse a piuttosto elevate. Per un tale inquinante deve essere scelto un rivelatore con l'intervallo appropriato a seconda della situazione.

Un set-up per l'analisi rapida è costituito da un tubo di vetro sigillato (rivelatore) riempito con un reagente specifico inquinante adsorbito su alcuni granuli inerti o il reagente stesso in forma granulare e una pompa volumetrica azionata a mano.

Il tubo è dotato di tappi alle estremità, che fungono da filtri. Questi tengono anche le particelle granulari come un letto imballato. Una scala di lettura diretta (generalmente in unità ppmv) viene stampata sulla superficie esterna del tubo lungo la sua lunghezza. La marcatura inizia immediatamente dopo il tappo del filtro principale. Il metodo è adatto per monitorare gli inquinanti presenti nell'aria ambiente.

La procedura operativa di tale unità è quella di rompere le estremità sigillate di un tubo del rivelatore (specifico per uno specifico inquinante) e collegarlo ad una pompa in modo tale da prelevare un campione di gas attraverso l'estremità anteriore del tubo. Operando sulla pompa, un volume noto di un campione (come specificato dal produttore del rivelatore) deve essere aspirato attraverso il tubo. La reazione istantanea tra il reagente e l'inquinante si sarebbe verificata con un netto cambiamento del colore del letto granulare nel tubo.

La lunghezza della porzione colorata del letto granulare dipende dalla concentrazione dell'inquinante presente in un campione, che può essere letta dalla scala stampata sul tubo. Un tubo può essere usato solo una volta. Sono disponibili tubi selettori per il monitoraggio di comuni inquinanti gassosi inorganici e un'ampia varietà di inquinanti organici.

Metodo classico :

Il metodo classico è indicato anche come metodo di chimica umida. Questo metodo richiede tempo e la sua accuratezza dipende dall'abilità di un analista. In questo metodo, un volume noto di un campione di gas privo di polvere è lasciato fluire ad una velocità moderata attraverso una serie di gorgogliatori, ciascuno contenente un solvente con o senza alcuni reagenti disciolti.

Ogni gorgogliatore intrappolerebbe solo un inquinante specifico a seconda del solvente / reagente presente. I gorgogliatori devono essere correttamente sequenziati. Una volta che un campione è stato autorizzato a fluire attraverso il treno di gorgogliatori, questi devono essere staccati e il loro contenuto deve essere analizzato quantitativamente per stimare gli inquinanti intrappolati.

Metodo # 4. Raccolta e analisi del campione a convenienza:

A volte è preferibile raccogliere un campione di gas e successivamente analizzare lo stesso in un laboratorio in un momento opportuno. Per effettuare l'analisi in questo modo è necessario conservare un campione così com'è o separare quantitativamente ciascun costituente (inquinante) quantitativamente e quindi conservarlo.

Per raggiungere questo obiettivo, è possibile adottare uno dei seguenti passaggi:

(i) Raccolta di un campione in un ricevitore evacuato :

Un campione di gas privo di polvere viene raccolto in un contenitore metallico rigido evacuato o in un sacchetto flessibile costituito da un film polimerico. Il materiale di costruzione del contenitore deve essere scelto in modo tale che gli inquinanti non interagiscano fisicamente o chimicamente con il contenitore durante la conservazione e causino quindi una variazione nella composizione del campione raccolto.

Un campione deve essere raffreddato a temperatura ambiente e liberato da particelle solide e vapore condensabile prima della raccolta in un contenitore. Il contenitore riempito con un campione dovrebbe quindi essere trasportato in un laboratorio per l'analisi. In laboratorio, il campione può essere prelevato dal contenitore schiacciando il sacchetto in polimero o mediante una pompa dal contenitore rigido. L'analisi del campione prelevato può essere effettuata con l'aiuto di strumenti adeguati o con metodi chimici appropriati.

(ii) Collezione in un mezzo :

Mezzo di raccolta liquido o solido può essere utilizzato per trattenere quantitativamente gli inquinanti presenti in un campione di gas sia tal quale che in forma segregata per la loro stima successiva.

(a) Mezzo liquido:

Quando viene utilizzato un mezzo liquido, l'unità viene definita "sistema gorgogliatore". Il sistema può avere più bolle in serie, ciascuna contenente un liquido in cui uno specifico inquinante sarà assorbito fisicamente o reagito chimicamente. Attraverso ciascun gorgogliatore viene fatto gorgogliare un volume noto del campione e successivamente la quantità dell'inquinante intrappolato viene stimata mediante un idoneo metodo analitico chimico. Nella Tabella 3.3 sono elencati la composizione chimica dei liquidi gorgogliatori e i metodi analitici impiegati per la stima di alcuni inquinanti comuni.

(b) Solid Medium :

Questo metodo di raccolta si basa sul fatto che quando una polvere e un campione di gas privo di vapore condensabile vengono fatti passare su un letto di adsorbente, come carbone attivato / gel di silice attivato, gli inquinanti presenti nel campione vengono adsorbiti quantitativamente.

La procedura adottata per la raccolta e la conservazione degli inquinanti in un campione di gas consiste nel far passare un volume noto di gas inquinante attraverso un contenitore contenente un letto adsorbente per cui gli inquinanti sono trattenuti sui granuli assorbenti e la maggior parte del gas di trasporto fuoriesce. Dopo la raccolta, il contenitore viene sigillato e portato in un laboratorio per l'analisi.

Il primo passo verso l'analisi dei costituenti adsorbiti è desorbirli quantitativamente riscaldando il contenitore mentre una corrente di gas inerte fluisce attraverso il contenitore ad un ritmo moderato. I costituenti desorbiti vengono trasportati in un sistema di misurazione dalla corrente di gas inerte.

Una procedura alternativa per il recupero quantitativo dei costituenti adsorbiti consiste nell'estrarre quelli con un volume noto di un liquido (un solvente). Successivamente le concentrazioni dei componenti (inquinanti) presenti nell'estratto liquido sono stimate chimicamente o con l'aiuto di strumenti adeguati.

Sulla base della discussione finora si può concludere che i metodi usati per il monitoraggio degli inquinanti gassosi possono essere classificati in due gruppi:

(i) I metodi strumentali e

(ii) I metodi chimici.

I pregi e i demeriti di questi metodi sono elencati nella Tabella 3.4.