Tudományos Diákköri Dolgozat DOSZTÁLY KATINKA A beltéri aeroszol jellemzése egy egyetemi előadóteremben Dr. Salma Imre Analitikai Kémia Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Budapest, 2010 1
Tartalomjegyzék 1 Bevezetés és célkitűzések... 3 2 A beltéri aeroszol... 4 2.1 Főbb tulajdonságok... 4 2.2 Források és keletkezés... 6 2.3 Egészségügyi hatások... 8 3 A beltéri aeroszol minősítési módszerei... 10 3.1 A tömeg meghatározása... 10 3.2 A részecskeszám és méreteloszlásának meghatározása... 13 3.3 A meteorológiai és egyéb paraméterek meghatározása... 15 4 Mérési kampány az előadóteremben... 17 5 Eredmények és megvitatásuk... 21 5.1 Légköri koncentrációk... 21 5.2 Napi koncentráció mentek... 25 6 Összefoglalás... 28 7 Irodalom... 30 2
1 Bevezetés és célkitűzések A kulcsfontosságú levegőszennyező anyagok közül az aeroszolnak van legnagyobb jelentősége, mert viszonylag nagy koncentrációban van jelen. Az aeroszol a levegőben eloszlatott szilárd és folyékony részecskék rendszere, amelyben a részecskék mérete ~1 nmtől mintegy 100 µm átmérőig terjed. Ezen a tartományon belül megkülönböztetünk PM 10 -es frakciót, ami a 10 µm-nél kisebb aerodinamikai átmérővel rendelkező részecskéket foglalja magába. A beltéri aeroszol egészségügyi hatásai fontosak lehetnek, mert időnk nagy részét belterekben töltjük, ugyanakkor a beltéri aeroszol nagyfokú változatosságot mutat a zárt terek jellege és a bennük lévő források és nyelők specifikumai miatt. Az aeroszol emberi szervezetre gyakorolt káros hatásai miatt, a PM 10 törvényileg szabályozott kültéri, 24 órás egészségügyi határértéke, 50 µg/m 3 értékű. Ez a határérték azonban csak a kültéri levegőre vonatkozik, a nem munkahely jellegű beltéri koncentrációra vonatkozóan nincs szabályozás, pedig az emberek több időt töltenek beltérben, mint a szabadban. Éppen ezért fontos, hogy tisztában legyünk az épületekben kialakuló szálló por koncentrációszintekkel, valamint annak kémiai összetételével. Dolgozatomban ismertetem az aeroszol részecskék főbb tulajdonságait, keletkezésének főbb módozatait, és a mérésére szolgáló berendezések működési elvét. Bemutatom továbbá az intenzív mérési kampányt, amellyel az ELTE Ortvay Rudolf előadótermében lévő beltéri aeroszol tulajdonságait vizsgáltuk, annak érdekében, hogy megállapítsuk, milyen viszonyok találhatóak az egyetemi előadóteremben aeroszol szempontból. Ezt azért tartottuk fontosnak, mert az egyetemi hallgatók idejük nagy részét az előadótermekben töltik, ezért annak levegője hatással van rájuk. 3
2 A beltéri aeroszol 2.1 Főbb tulajdonságok Az aeroszol részecskék egyik legfontosabb tulajdonsága a méreteloszlás. Az aeroszol bármely tulajdonságának a méret függvényében mért értékét nevezzük méreteloszlásnak. A legfontosabb méreteloszlások a részecskeszám, felület és tömeg vagy térfogat eloszlások. Keletkezés szerint két nagy csoportra oszthatjuk az aeroszol részecskéket, durva és finom frakcióra. A 2,0-10 m átmérőjű részecskék a durva frakcióba tartoznak, a 2,0 vagy 2,5 m- nél kisebb átmérőjűek pedig a finom frakcióba. A részecskéket méreteloszlásuk alapján három csoportba - úgynevezett módusokba - osztjuk, a durva-, az akkumulációs- és az Aitken-módusba. A legnagyobb részecskéket tartalmazó csoport az úgynevezett durva módus. Ebben a módusban a részecskék aerodinamikai átmérője 2-2,5 100 m között mozog. A következő csoport az akkumulációs módus, az itt található részecskék átmérője kisebb a durva módus részecskéinél, jellemzően 0,1 2,5 m méretűek. Az Aitken módus részecskéi a legkisebbek, jellemzően 0,01 0,1 m. Bizonyos körülmények között megjelenik egy negyedik módus is a nukleációs módus, ami a 0,01 m-nél kisebb átmérőjű részecskéket tartalmazza. Ha megnézzük az egyes módusok tömegeloszlását, azt tapaszaljuk, nem meglepő módón, hogy a durva módus részecskéi a legnehezebbek. Ebből kifolyólag könnyen kiülepednek a levegőből, számuk tehát viszonylag kicsi. Mégis ezek adják az aeroszol részecskék tömegének legnagyobb részét, akár 60%-át. Az akkumulációs módus részecskéi már nem olyan nehezek, ezért lassabban is ülepednek ki a légkörből. Számukat tekintve több van belőlük, mint a durva módus részecskéiből. Az Aitken-módus részecskéinek koncentrációja a legnagyobb, ezzel szemben tömegük a teljes tömeghez képest elhanyagolható. A folyamatos részecske összeütközések hatására tömegük megnövekszik, és az akkumulációs módusba kerülnek. Egészségügyi szempontból definiálhatunk egy másfajta méret szerinti eloszlást is, a PM 10 frakció a 10 μm-nél kisebb a PM 2,5 pedig a 2,5 μm-nél kisebb aerodinamika átmérővel rendelkező részecskéket jelenti (Mészáros, 1999). Amennyiben a felületi méreteloszlást vesszük figyelembe, azt tapasztaljuk, hogy az akkumulációs módus részecskéi rendelkeznek a legnagyobb felülettel. Ebből az következik, hogy az akkumulációs módus részecskéi gázokat vagy vírusokat adszorbeálnak. A tömeg, felület és részecskeszám méreteloszlások a 1. ábrán láthatóak. 4
Részecskeszám Felület Tömeg vagy térfogat 1. ábra: Az aeroszol részecskék tömeg, felület és részecskeszám méreteloszlása A méreteloszláson kívül számos további tulajdonsággal is jellemezhetjük az aeroszolt. Az elem- és ionösszetétel, valamint a szervesanyag-tartalom alapján, az antropogén hatásokra és az aeroszol forrásaira tudunk következetni. Az is jellemezheti az aeroszolt, hogy a benne található elemek milyen kémiai formában, oxidációs állapotban vannak. A vízoldhatóság is nagyon fontos, mivel a csapadékkal a vízoldható vegyületek kiürülnek a légkörből, valamint az élő szervezetek is ezeket az anyagokat képesek beépíteni a szervezetükbe. A higroszkóposság, tartózkodási idő, a morfológia valamint az optikai tulajdonságok is fontos jellemzők. 5
2.2 Források és keletkezés Az aeroszol részecskék méretük és kémiai összetételük alapján sokféle módon keletkezhetnek. Mivel a métereloszlás a legjellemzőbb tulajdonságuk ezért a keletkezésüket is eszerint a felosztás szerint ismertetem. A méreteloszlás módusai más és más módon keletkeznek. Ezt szemlélteti az 2. ábra. 2. ábra: Az aeroszol részecskék keletkezésének főbb típusai 6
A durva módus részecskéi a Föld felszínének aprózódása, eróziója folytán jönnek létre. Ez a felszínpusztulás leginkább természeti jelenségek miatt következik be. A keletkező részecskék egyik legnagyobb forrása a talaj, a felszíni kőzet vagy könnyen korrodálódó felszínek. A tengerek is hozzájárulnak a durva módus részecskéinek kialakulásához, az úgynevezett tengeri permet által. Ezen részecskék aerodinamikai átmérője meghaladja az 1 m-t. Ebben a mérettartományban találhatóak a bioaeroszolok nagy része is. Bioaeroszolnak hívjuk az olyan részecskéket, amelyek biológiai eredetűek vagy aktivitásúak és hatással lehetnek az élő szervezetekre, pl. gyulladással, allergiával, toxikussággal vagy egyéb módon. Az akkumulációs módus és az Aitken-módus részecskéi 2,5-2 m-nél kisebbek, tehát nagy részük nem jöhetett létre aprózódással, hanem más folyamatoknak kell lejátszódni a keletkezésükhöz. A nukleációs módus részecskéinek (keletkezésüket lásd lejjebb) összetapadásával, méretüknek ilyen módon történő növelésével jönnek létre. Emellett vannak olyan bioaeroszolok - egyes baktériumok és vírusok - amelyek az akkumulációs módus mérettartományába esnek bele. Ezen részecskék a levegőben lévő prekurzor gázok reakcióinak eredményeképpen fázisváltással alakulnak ki. A részecskék leggyakoribb kémiai összetevői a nitrátok és a szulfátok, valamint a szerves vegyületek. A nitrátok nitrogén-oxidokból alakulnak először salétromsavvá hidroxilgyök hatására, majd a légkörben jelenlévő ammónia semlegesíti őket, és ammónium-nitrát keletkezik. A szulfát részecskék prekurzorai a biogén eredetű dimetilszulfid, valamint az antropogén forrásokból, illetve vulkán kitörések során a levegőbe kerülő kén-dioxid. Ezekből a gázokból kénsavgőz keletkezik, amely ammónium-hidrogénszulfátot képez. A szerves vegyületek, főként izoprének és terpének, a légkörbe elsősorban a növények emissziójából és antropogén tevékenységek hatására kerülnek, majd oxidációs reakciók után aeroszol fázisba kerülnek. Ezen részecskéket másodlagos szerves aeroszolnak nevezzük (Mészáros, 1999). A fent említett jelenségek elsősorban a szabadban játszódnak le. A beltéri aeroszol részecskék kialakulása mennyiben követi ezeket a folyamatokat? Nyilvánvalóan bizonyos folyamatok egy zárt térben is lejátszódhatnak, hiszen a beltérben lévő levegő összetételét, főleg a kültéri határozza meg. A kültéri és a beltéri aeroszol koncentrációk jelentős korrelációt mutatnak. A kültéri koncentrációk megváltozását követi a beltéri megváltozása is (Koponen, 2001). Beltérben azonban olyan emberi tevékenységből adódó folyamatok is lejátszódhatnak, 7
amelyek a beltéri levegőt jelentős mértékben, míg a kültéri levegőt kissé vagy egyáltalán nem befolyásolják. Egyik ilyen jelentős antropogén hatás a dohányzás. Kültérben a nagy tér miatt a dohányzás hatása nem érzékelhető, beltérben azonban a cigarettafüst megreked, és jelentős mértékben befolyásolja az aeroszol részecskék koncentrációját. E mellett olyan kémiai vegyületeket juttat a légkörbe, amely természetes forrásokból nem került volna bele. Így számos kémia reakciót indukálhat, amelyek aztán aeroszol képződéshez vezetnek. Más emberi tevékenység például a főzés, a takarítás is eredményezhetnek aeroszol képződést. Főzés során olajcseppek és egyéb szerves kisebb mennyisében szervetlen (NaCl) vegyületek kerülnek a levegőbe, megnövelve ezzel a beltéri aeroszol koncentrációját. A takarítás során olyan anyagok kerülnek a levegőbe amelyek szintén hatással lehetnek az aeroszol részecskék keletkezésére, ráadásul a takarítás felkavarja a kiülepedett port, időszakosan megnövelve ezzel annak koncentrációját. 2.3 Egészségügyi hatások Az aeroszolok tanulmányozása közben a tudósok rájöttek, hogy a magas aeroszol koncentráció hatással lehet az emberek egészségügyi állapotára. Jó példa erre az 1952-es londoni szmog, mely miatt sok ember vesztette életét. Ma már tudjuk, hogy az aeroszol részecskék koncentrációja hatással van az egészségünkre, emiatt korlátozták a légkörben megengedett maximális koncentrációt. Ez ma a PM 10 -es frakcióra nézve Magyarországon 50 µg/m 3. A szabályozások ellenére is fontos tanulmányoznunk, ezen részecskék egészségügyi hatásait, hogy a megismert hatások tekintetében alakítsuk ki a megengedhető koncentrációkat. Az elmúlt időszak során számos kutató foglalkozott ezzel a területtel, és állapított meg olyan összefüggést, miszerint a légköri aeroszol koncentrációjának növekedésével együtt a halálozási és megbetegedési ráta is növekszik. Egyes tanulmányok szerint 10µg/m 3 koncentrációemelkedés 1%-os növekedést jelent a halálozási rátában (Harrison et al., 2000), mások szerint ez a növekedés 0,5%-os (HEI Persoectives, 2002). Abban azonban mindenki egyetért, hogy az aeroszol megnövekedett szintje káros hatással van az egészségre. Mi okozhatja ezt a káros hatást? A legkézenfekvőbb dolog, ami eszünkbe jut, a kémiai összetétel, hiszen számos olyan vegyületet ismerünk, amelynek bizonyított a káros hatása. Még nem tisztázott dolog, hogy a kémiai összetétel, vagy a részecskeméret felelős az egészségre káros hatásokért. A nagyobb részecskék nem jutnak le a tüdőbe, mert kiszűri őket a védekező 8
mechanizmusunk első vonala, a kisebb részecskék viszont lejuthatnak egészen a léghólyagocskákig. A legvalószínűbb az, hogy a finom részecskék okozzák a szervezetben kiváltott tüneteket. A beltéri aeroszol egyik legfontosabb összetevője egészségügyi szempontból a cigarettafüst. A fent említett egészségkárosító hatások mellett a cigarettafüst számos más kellemetlen hatással is rendelkezik. Több mint 4000 kémiai komponenst tartalmaz, többek között ammóniát, fenolokat, szénmonoxodiot, hidrogéncianidot, oxigéntartamú és oxidáló tulajdonságú szabad gyököket, és egyéb olyan komponenseket, amelyek karcinogén, irritatív vagy egyéb egészségkárosító tulajdonsággal rendelkeznek (Palanisamy et al., 2009). A cigarettafüst káros hatásai közé tartoznak a szív és érrendszeri problémák, a légzőszervi megbetegedések. Emellett a dohányzás a rossz hatással van a cukorbetegekre és étvágycsökkentő hatása miatt azok, akik leszoknak a dohányzásról nagyobb mértékben híznak el (Palanisamy et al.,2009; Skurnik and Shoenfeld, 1999). Láthatjuk tehát, hogy a beltéri aeroszol részecskék, pl. a cigarettafüst, jelentősen befolyásolják, károsítják egészségünket. 9
3 A beltéri aeroszol minősítési módszerei Az aeroszol részecskék vizsgálatára többféle módszert alkalmazhatunk. A módszereket a következőképpen csoportosíthatjuk: off-line és on-line módszerek. Off-line rendszerekről beszélünk akkor, amikor a gyűjtött minta utólagos feldolgozására kerül sor. Ha a módszer azonnali információt szolgáltat, akkor az on-line rendszer. Az off-line módszerek azon alapszanak, hogy egy hosszabb időperióduson keresztül folyamatosan mintát veszünk, majd a megadott idő eltelte után a szűrőt laboratóriumi körülmények között elemezzük. Ebből következik az, hogy az off-line módszerek esetén mindig mintagyűjtést végzünk. Az így nyert információk pontosak, széleskörű információt hordoznak a szűrőre kiülepedett részecskék összetételéről, kémiai minőségéről. Ugyanakkor, ezen módszer alkalmazásánál az időbeli felbontásunk nem lesz pontos, csak átlagot fogunk tudni számolni és nem fogjuk látni a megadott idő alatt az esetleges kilengéseket. A módszer további hátránya, hogy mivel a kiértékelést, a vizsgálatokat nem a mérés helyszínén végezzük, a körülmények nem lesznek azonosak. Emiatt esetleg alul mérhetünk, illetve túlbecsülhetünk bizonyos komponenseket, különösen igaz a szemi-illékony szerves vagy szervetlen (NH 4 NO 3 ) vegyületekre. A szállítás és tárolás során több olyan anyag kerülhet a mintába, amelyek eredetileg nem voltak benne. Továbbá a hosszú idő alatt olyan reakciók játszódhatnak le, amelyek az egyik komponens hibás mérését eredményezhetik. Ennek ellenére a széleskörű információ miatt elterjedten alkalmazzák ezt a módszert. 3.1 A tömeg meghatározása A manuális gravimetriás módszer az off-line technikák leggyakrabban (majdhogynem kizárólag) alkalmazott képviselője. A gravimetriás mérésekhez szűrőket használunk. A módszer lényege, hogy a szűrőn átszívjuk a levegőt, olyan módon, hogy a mintagyűjtés általános szabályait betartsuk. A mintagyűjtés során a szűrő a gyűjtés során megváltozhat, törékennyé, érzékennyé válhat, ezért óvatosan kell vele dolgozni. Ennél a módszernél nagyon fontos tudnunk, hogy a szűrőre kiülepedő anyagok között lehetnek olyanok, amelyek erősen higroszkóposak, emiatt súlyos hibát véthetünk a tömeg meghatározásakor. Ennek elkerülése végett, előírás szerint a begyűjtött mintákat 24 órán keresztül 20 C-on és 50%-os relatív páratartalom mellett kell tárolni mielőtt tömegét meghatároznánk. A műanyag, például a polikarbonát szűrők elektrosztatikusan feltöltődhetnek, ami jelentős hibát okozhat. Ezeket a 10
szűrőket semlegesíteni kell a mérés előtt. A gravimetria előnye, hogy nagyon egyszerű művelet, továbbá a gyűjtött mintát utána tovább tudjuk elemezni. Hátrányai közé sorolható a rossz időfelbontás, a nagy munkaigény. Az on-line módszerek azonnali analitikai eredményeket szolgáltatnak. Ezek a módszerek általában olcsóbbak, mint az off-line módszerek. Időbeli felosztásuk remek, követni lehet velük a tömegkoncentráció perces alakulását. A gyors méréssel azonban csökkentik pontosságot. Az aeroszol tömeg mérésének két gyakran alkalmazott on-line módszer módszere a β mérő és a kúpos elemű oszcilláló mikromérleg (TEOM). A kúpos elemű oszcilláló mikromérleg Az on-line technikák másik jelentős módszere a TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance), magyarul kúpos elemű oszcilláló mikromérleg. A műszer felépítése a 3. ábrán látható. A műszer első része a különböző vágási értékkel rendelkező beszívó (inlet). A TEOM-hoz tartozik PM 10, illetve PM 2,5 vágási értékkel rendelkező választható egység. Ezután a tömlő után egy elágazás következik, ahol a szabványban előírt 16,7 l/perces áramlási sebességet két részre bontják, egy 13,7 és egy 3 l/percesre. Az előbbit nevezik mellékágnak, és ezzel a továbbiakban nem végzünk semmilyen mérést. A 3 l/perces áramlás halad tovább a melegítőn keresztül a tömegmérőbe. Mielőtt a levegő elérne a tömegmérőbe felmelegítjük 40 C-ra azért, hogy a vízgőz kondenzációját elkerüljük, és a mérés végéig ezen a hőmérsékleten marad. A tömegmérő egységben helyezkedik el a kúpos elem. Ez egy kvarc kristály, aminek nagyon pontos és jól meghatározott rezgési frekvenciája van. Ezt a csonka kúp alakú kristályt folyamatosan a saját frekvenciáján rezegtetik, mégpedig úgy, hogy egy állandó mágnes található a falán, ami a változó elektromágneses térben oldalirányú rezgést okoz. A kúpos elem tetején helyezkedi el a teflonnal bevont boroszilikát üvegszűrő. Ezen a szűrőn vezetik keresztül a 3 l/perc sebességgel mozgó levegőáramot. A levegőt egy szivattyú áramoltatja. A mérés elve a következő, a szűrőre az átszívott levegőből kiülepednek az aeroszol részecskék. Ennek következtében a szűrő egyre nehezebb lesz, és emiatt elhangolódik a kristály nagyon érzékeny frekvenciája. A műszer 2 másodpercenként megméri a kristály frekvenciáját, majd a frekvenciakülönbségből kiszámolhatjuk a tömegnövekedést a következő egyenlet alapján: 11
1 1 m K0, (1) f f 2 1 2 0 ahol Δm a tömeg megváltozása, K 0 a készülékre jellemző állandó, f 0 kezdeti frekvencia és f 1 a végső frekvencia. Ezek után a tömegnövekedés, a mért idő és az áramlási sebesség alapján a műszer kiszámolja a tömegkoncentrációt, és μg/m 3 egységben mutatja a kijelzőn (Operating manual, TEOM Series 1400a). 3. ábra: A TEOM 1400a felépítésének sematikus ábrája 12
A módszer előnyei között felsorolhatjuk az on-line módszerek szinte minden előnyét. Folyamatos és azonnali információt szolgáltat, az időbeli felbontása nagyon jó. Az állandó hőmérsékletre termosztálás okozza a TEOM legnagyobb hátrányát. Mivel a hőmérséklet magasabb, mint a környezet hőmérséklete a közepesen illékony szervetlen vegyületek (pl. NH 4 NO 3 ) egy része elpárolog, ezért tömegüket kissé (8-10%-al) alulbecsüljük. Mindezeket egybevetve a TEOM az egyik legjobb on-line módszer az aeroszol tömegkoncentrációjának mérésére. 3.2 A részecskeszám és méreteloszlásának meghatározása A részecskeszám meghatározására mozgékonyságon alapuló részecskeszeparátort (Differential Mobility Particle Sizer, DMPS) használtunk. A műszer három részből áll: egy neutralizálóból, egy differenciális mozgékonyság analizátorból (DMA, differntial mobility analyzer), és egy kondenzációs részecskeszámlálóból (CPC, condensation particle counter). A neutralizáló feladata, hogy azt aeroszol részecskék töltés eloszlását egyensúlyi, Boltzmann-töltéseloszlásúra hozza. A neutralizáló radioaktív forrás segítségével (pl.: 210 Po, 85 Kr, 63 Ni, 241 Am) ionizálja a vivőgáz molekuláinak egy részét, amelyek ezután az aeroszol részecskékkel ütközve kialakítják a töltésegyensúlyi állapotot. A DMA feladata szétválogatni a részecskéket az elektromos mozgékonyságuk alapján. A készülék sematikus ábrája a 4. ábrán látható. A részecskék szétválogatása úgy történik, hogy a belső elektród és a külső henger között változtatható nagyfeszültséget hozunk létre. A középen elhelyezett elektród körül nagy tisztaságú levegőt áramoltatunk, és az aeroszolt tartalmazó levegőt a tiszta levegőréteg és külső henger közé vezetjük. 4. ábra: A differenciális mozgékonyság analizátor sematikus ábrája 13
A középső elektródon egy rés található ahová csak a megfelelő mobilitással rendelkező részecskék bejutnak be és haladnak tovább a detektorba. Ezen részecskék mérettartománya a nagyfeszültséggel szabályozható, és monodiszperznek tekinthetők. Miután a részecskéket elválasztottuk méretük szerint, bekerülnek a kondenzációs részecskeszámlálóba (CPC), (5. ábra), ahol optikai detektálással történik a meghatározásuk (McMurry, 2000). Az aeroszol részecskék először egy fűtött részbe jutnak, amely butanol gőzzel van telítve, majd tovább haladva egy hűtött kondenzátorba kerülnek, ahol a butanol kondenzálódik a részecskékre. Ezáltal megnő a méretük, és detektálhatóvá válnak a átható fény számára. A mintát merőlegesen vezetjük egy kollimátoron átbocsátott lézernyalábra, a részecskék által szórt fényt, amely arányos a részecskék számával egy fotodetektorral mérjük. A mérési kampány során Hauke típusú, 28 cm hosszú DMA, TSI 3775 típusú n- butanolos CPC-t használtunk. A sugárforrás 241 Am ( -sugárzó) volt. A lézerfény szórású detektor D50 értéke 4 nm (Vakkari, 2008). 5. ábra: A kondenzációs részecskeszámláló működési elve 14
3.3 A meteorológiai és egyéb paraméterek meghatározása Az aeroszolra vontakozó adatok értelmezéséhez szükség van a meteorológiai paraméterek ismeretére, amelyeket mérésekkel értünk el. A munkát az ELTE Meteorológia Tanszékkel közösen végeztük. Mértük a CO 2 koncentrációt egy Li-Cor 840 CO2/H2O típusú mérőberendezéssel. A műszer a CO 2 és a H 2 O infravörös elnyelésének intenzitás alapján méri azok koncentrációját. A CO 2 koncentráció mérésének célja az volt, hogy következtetni tudjunk a helyiségen tartózkodó emberek számára. A levegő hőmérsékletét 107-L típusú hőmérsékletmérő termisztorral mértük. A termisztorok félvezető ellenállás-hőmérők. A félvezetők ellenállása a hőmérséklet emelkedéséve csökken, tehát ha megmérjük a félvezető ellenállását abból következtetni tudunk a hőmérsékletére. A termisztorok hőérzékenysége a hőmérséklet növelésével jelentősen csökken, de még így is jobb mint a fémeké. A műszer előnye, hogy kis méretű és nagy időfelbontású méréseket lehet vele végezni, hátránya viszont, hogy idővel a kristályokban átrendeződés következik be, emiatt megváltozik a vezetőképessége. A felszín hőmérsékletét IRR-P infra felszínhőmérséklet-mérővel mértük. A testek által kibocsájtott elektromágneses sugárzás maximuma összefüggésben van a test felszíni hőmérsékletével. A műszer termoelem segítségével tudja érzékelni a hőmérsékletet. A levegőnedvességet egy Vaisala HMP35AC típusú hőmérséklet és nedvességmérővel mértük. Ez egy abszorpciós légnedvesség-mérő, működési elvének alapjául valamilyen anyag vízfelvevő képessége és az ennek következtében bekövetkezett fizikai változás szolgál. A szélsebesség mérésére egy Vaisala WAA15A szélsebességmérőt használtunk. A készülék működési elve a következő. A három kanálból szerkezet el tud fordulni egy tengely körül, mivel a kanalak homorú és domború oldalának eltérő a légellenállása. A szélsebesség meghatározásához a fordulatszámot kell pontosan megmérni, ebből tudjuk kiszámítani a szélsebességet. Használtunk továbbá egy METEK USA-1 típusú szónikus anemométert, a szélsebesség nagy pontosságú meghatározására. A műszer ultrahang segítségével működik. Három érzékelő párja van, amelyek páronként egymással szemben helyezkednek el. Az érzékelőpár mindkét szenzora hangimpulzust bocsát ki és méri, hogy mennyi idő alatt teszi meg az utat az ismert távolságra lévő másik szenzortól. Légmozgás esetén az átviteli idő a szél irányában növekszik, az ellenkező irányban csökken. Minél nagyobb az eltérés az átviteli idők között annál intenzívebb a légmozgás. A szónikus anemométer emellett alkalmas a hőmérséklet 15
mérésére is, mivel a hang terjedési sebessége hőmérsékletfüggő. A mért hőmérséklet virtuális hőmérséklet, amelyet a nedves levegő akkor venne fel, ha a sűrűsége megegyezne a száraz levegőjével. A sugárzás mérésére egy Li-Cor Quantum/Radiometer/Photometer LI-185A típusú piranométert használtunk. A műszer termoelektromos érzékelővel működik, az érzékelő egyik fele feketére, a másik fehérre van festve, a köztük lévő hőmérsékletkülönbségből következtetünk a sugárzás mértékére (Baros et al., 2006). 16
4 Mérési kampány az előadóteremben A mérés megszervezésének első lépése a mérés helyszínének kiválasztása, és a szükséges engedélyek megszerzése volt. A mérési munka a főmérnök és az oktatási dékánhelyettes engedélyével és támogatásával zajlott. A műszerek helye 6.ábra: Az Ortvay-terem alaprajza bejelölve rajta a TEOM elhelyezkedése 17
A mérés helyszínéül az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Pázmány Péter Sétány 1/C épületében az Ortvay-termet (0.81 számú) választottuk. Az 6. ábra a terem alaprajzát ábrázolja. A terem kiválasztásának okai a következők voltak. A tanterem egy nagyelőadó terem 120 férőhellyel, amely viszonylag nagy. Az órák száma reprezentatívan jellemzi az egyetemen lévő órák számát. A terem szellőztetéssel rendelkezik, amely akár a teremből is szabályozható. A szellőzés hétköznaponként reggel 7 és esete 9 között üzemel. A terem lépcsőzetes padsorai alatt egy szellőzőgépház található, ahol a szellőző berendezés található. A gépház megléte szintén a terem kiválasztásának okai között szerepel, hiszen ott tudtuk elhelyezni a műszereket. A gépház előtt közvetlenül található egy fallal elválasztott raktár (0.77 számú), ahonnét a szivattyúk hangja nem zavarja az előadást. A terem az egyetemi oktatótermek egy tipikus képviselője, ezért a benne végzett mérések jól reprezentálják az egyetemi aeroszol koncentrációt. A mérő- és érzékelőgépek egy részének elhelyezését a 7. ábrán szemléltetem. A TEOM mintavevője a harmadik padsorban, a terem szélétől 4,75 méterre volt. Így nagyjából a terem közepén helyezkedett el. A mintavevő fej 2 m magasan volt. A mintagyűjtő 1,8 m magasságban a nedvesség és hőmérsékletmérő, az infravörös felszínhőmérséklet-mérő, valamint a szónikus anemométer egy 2 m magas alumínium oszlopra volt felszerelve. A mérés előtt azt is meg kellett választani, hogy milyen időfelbontásban mérjünk. A TEOM-al az aeroszol koncentrációt 1 perces időfelbontásban mértük. Előkísérleteket végeztünk egy laboratóriumban cigarettafüsttel, és ennek alapján az 1 perces időfelbontás látszott alkalmasnak. Az iskolai mozgolódások miatt (15 perces szünet) miatt fontos volt, hogy erről az időszakból nagy felbontású adatokat kapjunk, hiszen azt feltételeztük, hogy ezen intervallum alatt lesznek a leglátványosabb változások. 18
Szónikus anemométer Hőmérséklet és nedvességmérő Infravörös felszínhőmérsékletmérő SFU mintagyűjtő egység TEOM mintavevő fej 7. ábra: Az Ortvay-teremben felszerelt műszerek A mérési kampányt 2010. április 8-tól április 15-ig végeztük. A mérés előkészületeit április 2-án elkezdtük. Ekkor került felszerelésre az alumínium rúd, amire a műszereket a későbbiekben felszereltük. A TEOM mintavevőjéhez vezető fém csövet az egyik padsor padlójába fúrt lyukon keresztül vezettük be a raktárszobába (8. ábra). Április 6-án a terembe kerültek a műszerek, beállítottuk a referencia órát. A mérési naplót előzőleg elkészítettem. Szükségesnek tartottuk, hogy a teremben mindig felügyeljen valaki a műszerekre, nehogy bárki kárt tegyen bennük illetve, hogy felvilágosítást adjon az érdeklődő oktatóknak, hallgatóknak a mérés céljairól. Éppen ezért elkészítettem a felügyeleti beosztást. A terem nyitásáról és zárásáról valamint a takarításról napló készült. A termet az órákon kívül zárva tartottuk, hogy a terem levegőjét és a mérési adatokat ne befolyásolja a folyosóról bekeveredő 19
levegő aeroszol koncentrációja. Április 7-én a meteorológia műszerek nagy része is elhelyezésre került. A TEOM mintavevő fejét kitakarítottam, majd ez is felkerült a helyére. DMPS TEOM 8. ábra: A raktárszobában elhelyezett műszerek Április 8-án reggel 8 órakor elindítottunk a műszereket, és 8:01 perctől adatokat gyűjtöttünk. Április 9-én a meteorológiai műszerek véglegesen fel lettek helyezve. A délután folyamán DMPS-t is beindítottuk. A mérés ezután rendben folytatódott. Április 15-én reggel 8 órakor befejeztük a mérési kampányt. Így egy teljes heti adat áll rendelkezésünkre a teremben történtekről. 20
5 Eredmények és megvitatásuk Az on-line mérések és az aeroszol minták analízisével kapott eredményekből folyamatosan létrehozunk egy adatbázist. Ennek kiértékelésével információkat nyerünk a terem aeroszol jellemzőkről. A teljes kép az összes kémiai vizsgálat befejezése után áll rendelkezésünkre. 5.1 Légköri koncentrációk Az 1. táblázatban összefoglaltam a kampány során mért legfontosabb kémiai változók mediánjait és tartományát különböző időintervallumokban. A választott időintervallumok a munkanapok, illetve hétvégék, valamint a terem nyitott illetve zárt állapota. A PM 10 tömegkoncentráció heti mediánja (15,4 μgm -3 ) jelentős mértékkel a kültéri egészségügyi határértéknél kisebb. A mért érték, amely a budapesti éves mediánnál (29 μgm -3 ) is alacsonyabb. A különböző intervallumok között szignifikáns különbségek figyelhetőek meg. Munkanapokon a PM 10 szintje magasabb volt, mint hétvégeken. Hasonló megfontolás alapján az is egyértelműnek látszott, hogy azon intervallumokban, mikor a terem nyitva volt, nagyobb koncentrációkat mérhetünk. Az adatok ezt is alátámasztották. Az előadóteremben jóval kisebb részecskeszám koncentrációkat mértünk, mint a Budapestre jellemző 11,8 10 3 cm -3 érték. Az ultrafinom részecskeszám estén hasonló helyzet. Az éves medián 9,3 10 3 cm -3, a mért értékek pedig jóval alacsonyabbak. A kapott értékeke azért ilyen alacsonyak, mert egy előadóteremben nem található olyan forrás, amely megnövelné a finom részecskék számát. Ezek mellett is felfedezhető az a koncepció, hogy hétköznap és nyitott terem esetén magasabbak a koncentrációk. Ezen részecskék keletkezése magas hőmérsékletű folyamatokhoz kapcsoltható, és ezért a részecskék külső forrásból szellőztetéssel kerülnek a terembe. A CO 2 koncentráció a teremben tartózkodó személyekről szolgáltat információt. A CO 2 koncentráció mediánja ingadozott, nagyobb értéket mutatott, mint az atmoszférában átlagosan mérhető 380 ppm. A CO 2 forrása nyilvánvalóan emberek voltak, akik légzésük során CO 2 -t bocsájtottak ki. Hasonlóan a PM 10 koncentrációkhoz, a CO 2 -é is magasabb volt hétköznap illetve azokban az időszakokban, amikor a terem nyitva volt. A különbségek az időintervallumok között még szignifikánsabbak voltak, mint a PM 10 esetében. 21
1. táblázat: A légköri koncentrációk mért adatainka száma; maximális, medián és minimális értékei a teljes időszakra; munkanapokra és munkaszüneti napokra, valamint nyitott és zárt terem időszakokra vonatkozóan Adatok száma Összes adat Munkanapok Hétvégék Terem nyitva Terem zárva PM10 koncentráció [μg/m 3 ] Maximum 101 100,7 30,2 100,7 48,9 Medián 10029 15,4 17,7 11,1 22,6 12,9 Minimum 1,5 1,5 2,6 2,6 1,5 Összes részecskeszám [1/cm 3 ] 10 3 Maximum 17,5 17,5 8,3 17,5 8,3 Medián 760 37,3 4,4 3,0 5,6 3,6 Minimum 1,36 1,36 1,76 1,37 1,36 Ultrafinom részecskeszám [1/cm 3 ] 10 3 Maximum 14,2 14,2 6255 14,2 6,3 Medián 760 2,6 3,0 1991 4,0 2,5 Minimum 0,81 0,81 1,00 0,81 0,86 CO 2 koncentráció [ppm] Maximum 1374 1374 519 1374 657 Medián 8409 393 406 383 533 388 Minimum 373 381 373 380 373 22