Zdzisław Prządka*, Krzysztof Skotak*, Henryk Bruszewski

Zdzisław Prządka*, Krzysztof Skotak*, Henryk Bruszewski

Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych
nr
54, 2012 r.
Zdzisław Prządka*, Krzysztof Skotak*, Henryk Bruszewski**
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych
w wysokoprzepływowych miernikach
Uniformity of distribution of particulate matter on
filters used in high volume samplers
Słowa kluczowe: zanieczyszczenie powietrza, pył zawieszony, jakość pomiarów, pobornik wysokoobjętościowy.
Keywords: air pollution, particulate matter, quality assurance, high volume sampler.
Streszczenie
Celem prezentowanej pracy było określenie stopnia nierównomierności rozłożenia pyłu na
filtrach, stosowanych w wysokoobjętościowych pobornikach pyłu, wyposażonych w głowice separacji frakcji PM10 (pyłu o wielkości aerodynamicznej cząstek poniżej 10 µm) oraz
PM2,5 (poniżej 2,5 µm). Analizie poddano zarówno całe filtry (czyste i eksponowane), jak
i ich wycinki, o znacząco różnych powierzchniach, wycięte za pomocą wykrojników w kształcie prostokąta i koła. Do badań wybrano filtry eksponowane w dniach, w których dobowe
stężenie pyłu zawieszonego PM10 mieściło się w granicach 30–75 µg/m3.
Uzyskane wyniki pokazały, że stopień nierównomierności rozłożenia pyłu na filtrach, określony współczynnikiem nierównomierności (W) jest niewielki w stosunku do błędów pomiaru masy pyłu i w małym stopniu zależny od położenia wycinka względem środka filtra.
Największa wartość współczynnika nierównomierności (W = 1,2%) wystąpiła w pyle PM10
dla wycinków prostokątnych, których powierzchnia jest dziesięciokrotnie mniejsza od powierzchni wycinków kołowych.
* Mgr inż. Zdzisław Prządka, mgr inż. Krzysztof Skotak – Stacja Kompleksowego
Monitoringu Środowiska Puszcza Borecka, Instytut Ochrony Środowiska - Państwowy
Instytut Badawczy; ul. Kolektorska 4, 01-692 Warszawa; tel.: 22 833 30 53, 22 832 33 02,
fax: 22 833 69 28; e-mail: [email protected]
** Inż. Henryk Bruszewski – Laboratorium Monitoringu Środowiska, Instytut Ochrony
Środowiska - Państwowy Instytut Badawczy, ul. Krucza 5/11d, 00-548 Warszawa;
tel.: 22 621 50 83; e-mail: [email protected]
236
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych w wysokoprzepływowych miernikach
Współczynnik równomierności natomiast okazał się najmniejszy (W=0,1%) dla wycinków kołowych pokrytych pyłem PM2,5. Przeprowadzone analizy wykazały, że w razie konieczności
podziału filtra na części, lepszym rozwiązaniem – ze względu na błędy pomiaru masy wycinka – jest użycie wykrojnika kołowego (np. o średnicy 4,7 cm) niż testowanego wykrojnika
prostokątnego (o wymiarach 1 x 1,5 cm), używanego przy analizie zawartości węgla w pyle.
Summary
The aim of the work was to determine the degree of inequality of distribution of particulate
matter on the filters used in high volume samplers, equipped with probes the separation
fraction PM10 (particulate matter with aerodynamic particle size below 10 µm) and PM2.5
(less than 2.5 µm). All filters (pure and exposed) and their segments with significantly different surfaces, cut out by using the tools in the shape of a rectangle and circle were analysed.
The test selected filters from the days when the daily concentration of particulate matter
PM10 contained within the limits of 30–75 µg/m3.
The results obtained showed that the degree of inequality of distribution of PM2.5 and
PM10, the specified inequality coefficient (W) is small in relation to the measurement error
of mass and little depends on the position of the fragment relative to the center of the filter.
The largest inequality in distribution of particulate matter on filters (W = 1.2%) has occurred
in the case of PM10 for rectangular segments, which surface is 10 times less than the surface of the circular segments. The inequality coefficient proved to be the smallest (W=0.1%)
for the circular segments covered with particulate matter PM2.5.
The analysis showed that, in the event of having to cut the filter on parts, better solution, due
to errors of mass measurement, is to use the tool in the shape of circle (for example, with
diameter of 4.7 cm) than the tool in the shape of rectangle dimensions 1 x 1.5 cm.
1. WPROWADZENIE
Przeprowadzenie w poprawny i wiarygodny sposób oceny stopnia zanieczyszczenia
powietrza atmosferycznego, zależy przede wszystkim od wiarygodności uzyskiwanych
wyników w ramach prowadzonego rutynowo monitoringu, czyli w praktyce od poziomu zapewnienia jakości danych [GUM 2002; PMŚ 2009]. Stopień wiarygodności jest określany
najczęściej miarą niepewności wyniku, która nabiera istotnego znaczenia szczególnie tam,
gdzie są stosowane różne metodyki pobierania próbek (w tym różnego rodzaju przyrządy
pomiarowe) oraz różne metody oznaczania stężenia danego zanieczyszczenia. Dlatego
też, szczególnie w dużych systemach pomiarowych (takich np. jak Państwowy Monitoring
Środowiska w Polsce) dąży się albo do unifikacji stosowanych metodyk (metod i przyrządów referencyjnych), albo do prowadzenia badań porównawczych, mających na celu wykazanie odpowiedniej jakości wyników uzyskiwanych z wykorzystaniem metod niereferencyjnych [RMŚ 2012; EU 2008; PN-EN 12341: 2006; PN-EN 14902: 2006].
237
Zdzisław Prządka, Krzysztof Skotak, Henryk Bruszewski
Jakość uzyskiwanych wyników nabiera szczególnego znaczenia w odniesieniu do zanieczyszczeń stwarzających istotne zagrożenia dla środowiska i/lub zdrowia. Należy do
nich drobny pył zawieszony oraz zawarte w nim zanieczyszczenia. Wyniki badań pokazują, że wysokości stężeń pyłu zawieszonego (szczególnie w sezonie zimowym) często i na
znacznym obszarze przekraczają wartości normatywne [GIOŚ 2010; EEA 2010]. W ostatnich latach zakres związków chemicznych oznaczanych w pyle zawieszonym uległ znacznemu rozszerzeniu [EEA 2007; EEA 2012]. Oznaczanie niektórych zanieczyszczeń w pyle
(np. metali ciężkich, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, związków siarki
czy węgla) wymaga, w razie stosowania różnych metodyk oznaczeń, konieczności podziału filtra (tzw. wydzielenia podpróbek) umożliwiającego przygotowanie odpowiedniej ilości
materiału do analizy w laboratoriach. Poprawne oznaczenie stężeń zanieczyszczeń zawartych w pyle na podstawie fragmentu filtra ma fundamentalne znaczenie przy obliczaniu
zawartości tych zanieczyszczeń w całej masie pyłu zebranego na danym filtrze. Praktyka
pokazuje, że na różnych stacjach pomiarowych, gdzie oznaczany jest skład pyłu zawieszonego, stosowane są różne sposoby dzielenia filtrów, przy zastosowaniu specjalnie do
tego celu przygotowanych wykrojników i szablonów. Do najczęściej stosowanych metod
podziału filtrów zaliczyć należy wycinanie kółek, prostokątów oraz dzielenie go na cztery
lub osiem równych części. Takie podejście wymaga sprawdzenia, czy powierzchnia filtra
jest jednakowo obciążona cząsteczkami pyłu i czy sposób jego podziału ma wpływ na uzyskiwane wyniki.
Celem pracy było określenie stopnia nierównomierności rozłożenia pyłu na filtrze na
podstawie analizy mas dwóch rodzajów wycinków filtrów, różniących się znacząco wielkością powierzchni. Analizy wykonano dla filtrów stosowanych w wysokoprzepływowych
miernikach pyłu, wyposażonych w głowice separacji frakcji PM10 (pyłu o wielkości aerodynamicznej cząstek poniżej 10 µm) oraz PM2,5 (poniżej 2,5 µm).
2. Materiały i metody badań
Dobowy pobór pyłu zawieszonego z separacją frakcji PM10 i PM2,5 wykonano na
Stacji Kompleksowego Monitoringu Środowiska Puszcza Borecka (Stacja), prowadzonej
przez Instytut Ochrony Środowiska-Państwowy Instytut Badawczy (IOŚ-PIB) w Warszawie. Pył był pobierany na filtry kwarcowe o średnicy 150 mm (QMA firmy Whatman) za
pomocą wysokoobjętościowych poborników typu DHA-80 firmy Digitel. Pomiar masy pyłu
wykonano w Laboratorium IOŚ-PIB, metodą wagową (waga typu XA100X firmy Radwag,
d = 0,01 mg).
Stacja funkcjonuje jako element systemu pomiarów tła regionalnego w Państwowym
Monitoringu Środowiska (PMŚ) koordynowanym przez Główny Inspektorat Ochrony Środowiska (GIOŚ). Pomiary w ramach PMŚ na Stacji, w tym pomiary pyłu, finansowane były
ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w ramach
238
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych w wysokoprzepływowych miernikach
umowy GIOŚ z IOŚ-PIB. Stacja jest zlokalizowana w północno-wschodniej części Polski
(województwo warmińsko-mazurskie), na zachodnim skraju dużego kompleksu leśnego
Puszczy Boreckiej [WIOŚ 2008]. Pomiary zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego
pyłem zawieszonym PM10 oraz zawartymi w nim związkami zostały wprowadzone do programu pomiarowego Stacji w roku 2005, a zanieczyszczenie pyłem PM2,5 w roku 2009.
Analizie poddano wyniki pomiarów masy pyłu osadzonego zarówno na całych filtrach,
jak i na ich fragmentach. Podział filtrów wykonano przy użyciu specjalnie do tego celu przygotowanych okrągłych i prostokątnych wykrojników z ręcznym naciskiem, umożliwiających
wycięcie krążków o średnicy 47 mm oraz prostokątów o wymiarach 15x10 mm.
Sposób wycinania poddanych analizie fragmentów filtrów wraz ze sposobem ich identyfikacji przedstawiono na rysunku 1.
Pierścień
nieaktywny filtra
Nr filtra
B3
B2
B
B1
E
E3
E2
A1
E1
A0
A
C
C1
C2
C3
A2
D1
D2
D
D3
Powierzchnia
aktywna filtra,
pokryta pyłem
rys. 1.Schematwycinków
rozmieszczenia
wycinków
kołowych: A…DA0…..E3
i prostokątnych:
a0…..e3 na
Rys. 1.Schemat rozmieszczenia
kołowych:
A…D i prostokątnych:
na filtrze
Fig. 1. Arrangement diagram
of the segments on the filter (rings: A…E) and rectangles (A0…E3)
filtrze
Fig. 1. arrangement diagram of the segments on the filter (rings: a…e) and rectangles
W celu przeprowadzenia
oceny równomierności rozkładu pyłu zawieszonego na fil(a0…e3)
trach poddano analizie 24 całe filtry, w tym filtry eksponowane i dla porównania filtry czyW celu przeprowadzenia oceny równomierności rozkładu pyłu zawieszonego na
ste (zerowe – nie poddane ekspozycji) oraz 100 wycinków kołowych i 313 wycinków profiltrach poddano analizie 24 całe filtry, w tym filtry eksponowane i dla porównania filtry
stokątnych. Ocenie poddano filtry, na które pobrano równolegle cząsteczki pyłu o frakcji
(zerowe
– nie poddane
orazStacji,
100 wycinków
kołowych
PM2,5 i PM10. Zeczyste
względu
na niskie
stężeniaekspozycji)
mierzone na
do analizy
wybranoi 313
filtrywycinków
prostokątnych.
ocenie poddano
filtry,
na które wysokich
pobrano równolegle
cząsteczki
eksponowane w określonych
warunkach,
tj. przy
względnie
stężeniach
pyłu za-pyłu o frakcji
3
wieszonego PM10Pm2,5
(od 30
do 75Ze
µg/m
) oraz
dobowych
prędkościach
i Pm10.
względu
naśrednich
niskie stężenia
mierzone
na Stacji, dowiatru
analizynie
wybrano filtry
przekraczającycheksponowane
2,5 m/s. Wykluczono
również
dni
z ciszą.
Zgodnie
z wdrożoną
w IOŚw określonych warunkach, tj. przy względnie wysokich stężeniach pyłu
zawieszonego Pm10 (od 30 do 75 µg/m3) oraz średnich dobowych prędkościach wiatru nie
239 w IOŚ-PiB
przekraczających 2,5 m/s. Wykluczono również dni z ciszą. Zgodnie z wdrożoną
procedurą pomiaru masy wszystkie filtry i ich wycinki były kondycjonowane i ważone w
Zdzisław Prządka, Krzysztof Skotak, Henryk Bruszewski
-PIB procedurą pomiaru masy wszystkie filtry i ich wycinki były kondycjonowane i ważone
w stosownych warunkach termicznych i wilgotnościowych ze złożoną niepewnością pomiaru masy ± 2% [PN-EN 14907: 2006].
3. Wyniki i dyskusja
W celu określenia miary zmienności mas wycinków filtrów obliczono odchylenie standardowe (STD) oraz współczynnik zmienności masy, określony ilorazem odchylenia standardowego i średniej masy dla danej populacji (STD/SR). Wartość współczynnika zmienności jest tym większa, im rozrzut wartości masy wycinków filtra jest większy (np. wskutek
nierównomiernego rozłożenia cząsteczek pyłu na filtrze). Obliczone średnie wartości masy
pyłu (SR) i współczynnika zmienności masy (STD/SR) wycinków kołowych i prostokątnych o określonej liczebności, z wyodrębnieniem filtrów czystych i pokrytych pyłem PM2,5
i PM10, przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1.Średnie wartości masy pyłu (SR) i współczynnika zmienności (STD/SR) wycinków kołowych i prostokątnych o określonej liczebności
Table 1. Average values of weight (SR) and variation coefficient (STD/SR) for circular and rectangular segments of filters with the specified population
Rodzaj
próbki
Bez pyłu
Z PM2,5
Z PM10
Liczba
krążków
[szt]
30
34
36
Krążki
SR
[g]
0,149
0,154
0,157
STD/SR
[%]
1,19
1,77
2,28
Liczba
prostokątów
[szt]
101
106
106
Prostokąty
SR
STD/SR
[g]
[%]
0,0126
1,35
0,0132
1,65
0,0134
2,53
Przeprowadzone analizy wykazały, że najmniejsze wartości współczynnika zmienności mas (STD/SR) otrzymano dla czystych (bez pyłu) wycinków kołowych i prostokątnych.
Pomimo tego, że masa wycinka prostokątnego była o rząd wielkości mniejsza od masy wycinka kołowego, a więc obarczona była większym błędem pomiaru, średni współczynnik
zmienności dla wycinków prostokątnych był niewiele większy od otrzymanego dla krążków.
W przypadku filtrów z pyłem PM2,5 wartości współczynnika zmienności mas dla krążków
i prostokątów były zbliżone do siebie i trochę większe niż dla wycinków czystych (o około
0,4 %). Największy rozrzut mas (STD/SR) wystąpił w przypadku podziału filtrów z pyłem
PM10. Dla obydwu rodzajów wycinków współczynniki zmienności były większe od wartości
obliczonych dla filtrów czystych o około 1,1%.
Uzyskane wyniki pokazują, że na wartość współczynnika zmienności mas, będącego
pewnym wskaźnikiem równomierności rozłożenia pyłu na filtrze, wpływ ma przede wszystkim rodzaj osadzanego pyłu. Jednocześnie zauważono, że zarówno powierzchnia, jak
240
wszystkim rodzaj osadzanego pyłu. Jednocześnie zauważono, że zarówno powierz
poniższą formułę (nazwaną uchybem masy wycinka):
kształt
wycinka, nie mają istotnego znaczenia. Należy zaznaczyć, że uzyskane ws
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych w wysokoprzepływowych miernikach
zmienności dla filtrów z pyłem PM2,5 i PM10 nie zależały także od masy samego
 Mz
i, PM2,5
j − MoNależy
i,do
j PM10
i kształt (przeciętny
wycinka, nie stosunek
mają istotnego
znaczenia.
zaznaczyć,
że uzyskane
współwyniósł
0,8).
*100 [%]
(1)
=
BWi, jstężenia

 PM2,5
czynniki zmienności dla filtrów z pyłem
i PM10
nie
zależały
także
od
masy
samego
Mo
i, j równomierności


Do określenia liczbowej
miary
rozkładu pyłu na filtrach z
pyłu (przeciętny stosunek stężenia PM2,5 do PM10 wyniósł 0,8).
Do określenia
równomierności
pyłu na filtrach zastosowano
gdzie: liczbowej
poniższą
formułę miary
(nazwaną
uchybem rozkładu
masy wycinka):
poniższą formułę (nazwaną uchybem masy wycinka):
BWi,j – względna różnica w masach wycinków filtra (uchyb masy wycinka),
i = 1-3 (1 – filtr bez pyłu,
2 – filtr
z pyłem PM2,5, 3 – filtr z PM10),
 Mz
i, j − Moi, j 

(1)
*100 [%]
(1)
=
BWi, j prostokątny,
j = 1-2 (1 – wycinek
2 – wycinek
kołowy),


Mo
i, j


Mzi,j – masa zważona wycinka filtra;
gdzie:
gdzie:
Moi,j – masa oczekiwana wycinka filtra obliczona na podstawie znajomości jego p
BWi,j – względna
w masach
wycinków
filtra wycinków
(uchyb masyfiltra
wycinka),
BWi,j – różnica
względna
różnica
w masach
(uchyb masy wycinka),
czynnej
wycinków,
założeniu,
i = 1–3 (1 – filtr bez
pyłu, 2 i–jego
filtr z pyłem
PM2,5,przy
3 – filtr
z PM10), że struktura filtra jest jednorodn
i = 1-3 (1 – filtr bez pyłu, 2 – filtr z pyłem PM2,5, 3 – filtr z PM10),
j = 1–2 (1 – wycinek prostokątny, 2 – wycinek kołowy),
pokrycie pyłem – równomierne na całej powierzchni.
zważona
wycinka filtra,
Mzi,j – masa
j = 1-2
(1 – wycinek
prostokątny, 2 – wycinek kołowy),
Moi,j – masa oczekiwana wycinka filtra obliczona na podstawie znajomości jego powierzch-
Mz – masa zważona wycinka filtra;
Efekt niejednorodności struktury filtra określono wartością uchybu masy dla wyc
cie pyłem
– równomierne
na całej powierzchni.
wycinka filtra obliczona na podstawie znajomości jego p
Mo
i,j – masa oczekiwana
filtrów zerowych. Efekt nierównomierności w rozłożeniu pyłu na filtrze określono
czynnej i jego wycinków, przy założeniu, że struktura filtra jest jednorodn
Efektzależnością:
niejednorodności struktury filtra określono wartością uchybu masy dla wycinków
filtrów zerowych.pokrycie
Efekt nierównomierności
w rozłożeniu
na powierzchni.
filtrze określono zależnopyłem – równomierne
napyłu
całej
i,j wycinków, przy założeniu, że struktura filtra jest jednorodna, a jego pokryni czynnej i jego
ścią:
(
) (
)
2
2
(2)
(2)
Efekt niejednorodności
struktury
uchybu masy dla wyci
BWokreślono
W i, j = BW
i, j −filtra
j , [%]
1 wartością
gdzie:
filtrów zerowych. Efekt nierównomierności w rozłożeniu pyłu na filtrze określono
zależnością:
nierównomierności pyłu dla wycinka filtra (podróbki) określający stoWi,j – współczynnik
gdzie:
pień nierównomiernego rozłożenia cząsteczek pyłu na filtrze,
– z pyłem
współczynnik
i = 2–3 (2W–i,jfiltr
PM2,5, 3nierównomierności
– filtr z PM10),
pyłu dla wycinka filtra (podróbki) określa
j = 1–2, (1 – wycinek prostokątny, 2 – wycinek
2 kołowy),cząsteczek
2
stopień nierównomiernego
rozłożenia
pyłu na filtrze,
(2)
=
− BW jbez, [%]
BW
W
i,
j
1
i,
j
pyłu,
BW1,j – uchyb masy wycinka kołowego lub prostokątnego
i = 2-3
(2 wycinka
– filtr zkołowego
pyłem PM2,5,
3 – filtr zfiltra
PM10),
masy
lub prostokątnego
z pyłem PM2,5 lub PM10.
BWi,j – uchyb
(
) (
)
j = 1-2, (1 – wycinek prostokątny, 2 – wycinek kołowy),
Im wartość
gdzie: współczynnika nierównomierności pyłu (Wi,j) jest większa, tym bardziej nie-
– uchyb
masy
wycinka
kołowego
lub prostokątnego
bez pyłu,
BW1,jjest
równomierne
rozłożenie
masy
pyłu na filtrach.
Wartość
zerowa współczynnika
świad-
Wi,j – współczynnik nierównomierności pyłu dla wycinka filtra (podróbki) określa
czy o równomiernym pokryciu pyłem filtra, pomimo jego możliwej niejednorodnej struktury.
stopień nierównomiernego rozłożenia cząsteczek pyłu na filtrze,
Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono wartości uchybu masy (BWi,j), obliczone dla prosto-
i = 2-3 (2 – filtr z pyłem PM2,5, 3 – filtr z PM10),
kątnych i kołowych wycinków filtrów czystych oraz z pyłem PM2,5 i PM10.
j = 1-2, (1 – wycinek prostokątny, 2 – wycinek kołowy),
241
BW1,j – uchyb masy wycinka kołowego lub prostokątnego bez pyłu,
Zdzisław Prządka, Krzysztof Skotak, Henryk Bruszewski
Analiza uzyskanych wyników prowadzi do wniosku, że rozrzuty wartości uchybu
masy dla wycinków prostokątnych z filtrów zerowych (bez pyłu) i z pyłem PM2,5 oraz
PM10 są do siebie zbliżone i mieszczą się w przedziale od -5% do +4%. Podobne wyniki uzyskano w odniesieniu do wycinków kołowych – rozrzuty wartości uchybu masy są
także bliskie sobie, ale mieszczą się w granicach od 0% do +4%. Zasadnicza różnica
polega na tym, że wartość uchybu masy uśredniona dla wszystkich wycinków prostokątnych jest bliska zeru, a dla wycinków kołowych w przybliżeniu równa 1,5 %. Na taki stan
rzeczy może mieć wpływ wiele czynników opisanych poniżej. Przy założeniu, że systematyczne błędy pomiaru powierzchni filtrów i ich wycinków oraz systematyczne błędy pomiaru ich masy są zerowe oraz przy odpowiednio dużej liczbie wyników pomiarów
wartości średnie uchybu masy powinny być teoretycznie równe zeru (wskutek znoszenia
się błędów przypadkowych pomiaru oraz bilansowania nadwyżek i ubytków mas wycinków zerowych i z pyłem).
Jednym z istotnych czynników wpływających na średnią wartość uchybu mas są systematyczne błędy obliczania powierzchni filtrów i ich wycinków. W tym celu przeprowadzono
weryfikację obliczonych powierzchni całych filtrów i ich wycinków, wykonując odpowiednie
pomiary z dokładnością ± 0,1mm. Uzyskane wyniki pomiaru średnicy wyciętych krążków
pokazały, że wynosi ona przeciętnie 47,1 mm, a nie 47,0 mm, jak to by wynikało z przygotowanego szablonu (wykrojnika). Co więcej, pomiary średnicy filtra czystego wykazały przeciętnie wartość 149,9 ± 0,1 mm. Przy założeniu maksymalnych odchyleń w wartościach średnicy filtra i wycinków kołowych (wartości z dodanymi błędami odpowiednio
149,8 mm i 47,2 mm), korekcja wartości mas oczekiwanych spowodowała zmniejszenie
wartości średniej uchybu masy krążków o około 1%. Pokazuje to, że niewielkie różnice
w wymiarach wycinków kołowych (podpróbek) mogą mieć znaczący wpływ na wartości
uchybu masy. Na wartości tego uchybu może mieć także wpływ tzw. efekt krawędziowej
zmiany masy wycinka (ubytku lub przyrostu), który może zależeć od kształtu, ostrości narzędzia tnącego, a także od struktury samego filtra.
Chociaż efekt ten nie był wzięty pod uwagę w przedstawionej w artykule analizie, wydaje się, że jego wpływ powinien być tym mniejszy, im większa jest powierzchnia wycinka. Należy wziąć pod uwagę, że przy zastosowaniu wykrojnika kołowego wykonane przeliczenia
stężenia pyłu, oparte na zadeklarowanych wymiarach wycinka (47 mm) i powierzchni czynnej filtra (140 mm), mogą być zawyżone w stosunku do rzeczywistych stężeń o około 1,5%.
W celu poprawnego obliczenia współczynnika nierównomierności (W) skorygowano
wartości wymiarów filtra i jego wycinków w taki sposób, aby wartości uchybów masy, oddzielnie dla krążków i prostokątów, uśrednione dla wycinków bez pyłu były równe zeru.
Otrzymane wyniki uchybu masy (BW) i współczynnika nierównomierności (W) dla wycinków kołowych i prostokątnych w zależności od odległości wycinków od środka filtra przedstawiono w tabelach 2 i 3. Przyjęto przy tym, że im bardziej dany wycinek oddalony jest od
środka filtra, tym ma większa numerację (rys. 1).
242
-3
powinny
być teoretycznie równe zeru (wskutek znoszenia się błędów przypadkowych
-4
pomiaru oraz
bilansowania
i ubytków mas
wycinków zerowych i zmiernikach
pyłem).
Równomierność
rozkładu
pyłu nanadwyżek
filtrach stosowanych
w wysokoprzepływowych
A0 A0 A1 A1 A2 A2 B1 B1 B2 B3 B3 C1 C2 C2 C3 D1 D1 D2 D3 D3 E1 E1 E2 E2 E3 E3 E3
Względne
mas
Względneróżnice
różnice mas
[%] [%]
-5
5
5
4
4
3
3
2
2
Uchyby masy prostokątów z PM10
Uchyby masy prostokątów bez pyłu
1
1
0
0
-1
-1
-2
-3
-4
-4
-5
-5
A0A0
A0A1A1A1A2A2A2A2B1B1B2B2B2
E3 E3
E3 E3
E3
A0
B3B3
C1C1
C1C1
C2C2
C2 C3
C3 C3
C3 D1
D1 D2
D1 D2
D2 D3
D2 E1
D3 E1
D3 E2
E1 E2
E1 E2
E2 E2
5
rys. 2. Wartości uchybu masy
wycinków
prostokątnych
Uchyby
masy prostokątów
z PM2,5 dla filtrów zerowych oraz z pyłem
Względne różnice mas [%]
4
3
Pm2,5 i Pm10
Fig. 2.2 the values of weight deviation (BW) of rectangular segments for pure filters and
1
8
witch Pm2,5 and Pm10
0
-1
-2
-3
-4
-5
A0 A0 A1 A1 A2 A2 B1 B1 B2 B3 B3 C1 C2 C2 C3 D1 D1 D2 D3 D3 E1 E1 E2 E2 E3 E3 E3
5
Względne różnice mas [%]
4
Uchyby masy prostokątów z PM10
3
2
9
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
A0 A0 A1 A1 A2 A2 B1 B2 B3 C1 C1 C2 C2 C3 C3 D1 D1 D2 D2 D3 D3 E1 E1 E2 E2 E3 E3
Rys. 2.Wartości uchybu masy wycinków prostokątnych dla filtrów zerowych oraz z pyłem
rys. 2. Wartości uchybu masy wycinków prostokątnych dla filtrów zerowych oraz z pyłem
PM2,5 i PM10
Pm2,5ofi Pm10
Fig. 2. The values
weight deviation (BW) of rectangular segments for pure filters and witch
Fig. 2.
PM2,5the
andvalues
PM10of weight deviation (BW) of rectangular segments for pure filters and
witch Pm2,5 and Pm10
243
Zdzisław Prządka, Krzysztof Skotak, Henryk Bruszewski
4.5
Uchyby masy krążków A–E bez pyłu
Wzgledna różnica mas [%]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
A A A A A A B B B B B B B C C C C C C D D D D D E E E E E E
4.5
Uchyby masy krążków A–E z pyłem PM2,5
Wzgledna różnica mas [%]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
A A A A A A A AB B B B B B C CCCCCD DDDDDE E E E E E E E E
4.5
Uchyby masy krążków A–E z pyłem PM10
Wzgledna różnica mas [%]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
A A A A A A A B B B B B C C C C C C C C D D D D D D D D E E E E E E E E
Rys. 3.Wartości uchybu masy wycinków kołowych dla filtrów zerowych oraz z pyłem PM2,5
rys. 3. Wartości uchybu masy wycinków kołowych dla filtrów zerowych oraz z pyłem PM2,5
i PM10
i Pm10
Fig. 3. The values
of weight deviation (BW) of circular segments for pure filters and witch PM2,5
and PM10
244
10
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych w wysokoprzepływowych miernikach
Tabela 2.Wartości uchybu masy (BW) i współczynnika nierównomierności (W) dla wycinków
prostokątnych, uśrednione w zależności od ich położenia względem środka filtra
(1–3) dla pyłu PM2,5 i PM10
Table 2. Average values of weight deviation (BW) and the inequality coefficient (W) for rectangular segments depending on their position on the filter (1–3) for PM2,5 and PM10
Pozycja
względem
środka filtra
1
2
3
Średnia
bez pyłu
0,0
0,0
-0,1
0,0
Wycinki prostokątne (1 cm x 1,5 cm)
uchyb masy BW [%]
współczynnik W [%]
z pyłem PM2,5 z pyłem PM10 z pyłem PM2,5 z pyłem PM10
0,5
1,2
0,4
1,2
0,4
1,1
0,4
1,1
0,5
1,2
0,5
1,2
0,5
1,2
0,5
1,2
Najmniejsze wartości współczynnika nierównomierności dotyczące wycinków prostokątnych otrzymano dla pyłu zawieszonego PM2,5 (około 0,4%). Wartość współczynnika
nieznacznie się zwiększała w miarę zwiększania się odległości od środka filtra, ale nie
była to zależność jednoznaczna. Znacznie większe wartości tego współczynnika otrzymano dla wycinków prostokątnych z pyłem PM10 (około 1,2%). Wpływ oddalenia prostokątów
od środka filtra był tu także słabo zaznaczony.
Tabela 3.Wartości uchybu masy (BW) i współczynnika nierównomierności (W) dla wycinków kołowych, uśrednione w zależności od ich położenia na filtrze (A, B–E) dla pyłu
PM2,5 i PM10
Table 3. Average values of weight deviation (BW) and the inequality coefficient (W) for circular
segments depending on their position on the filter (A, B–E) for PM2,5 and PM10
Pozycja względem środka
filtra
A
B–E
Średnia
bez pyłu
-0,1
0,0
0,0
Wycinki kołowe (4,7 cm)
uchyb masy BW [%]
współczynnik W [%]
z pyłem PM2,5 z pyłem PM10 z pyłem PM2,5 z pyłem PM10
0,2
0,4
0,2
0,4
-0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,2
0,1
0,2
Otrzymane wartości współczynnika nierównomierności dotyczące wycinków w postaci krążka były znacznie mniejsze niż dotyczące wycinków w postaci prostokątów. Najmniejsze wartości (≤0,2%) otrzymano dla pyłu PM2,5, podobnie jak w wypadku wycinków
prostokątnych (≤0,5%). Z obliczeń wynika również, że dla obu rodzajów pyłu, współczynnik nierównomierności nie zależy w sposób jednoznaczny od położenia wycinka kołowego
względem środka filtra. Na uzyskane wyniki mogła mieć wpływ trzykrotnie mniejsza liczba
krążków środkowych A niż brzegowych: B, C i D, na podstawie której określano wartości
współczynnika.
245
Zdzisław Prządka, Krzysztof Skotak, Henryk Bruszewski
W celu potwierdzenia występowania zjawiska równomiernego rozkładu pyłu na filtrach
podobne analizy należałoby przeprowadzić na znacznie większej populacji. Przeprowadzone analizy pokazują jednak, że w razie konieczności podziału filtrów na części w celu
umożliwienia przeprowadzenia szeregu dodatkowych analiz, najlepszym rozwiązaniem,
ze względu na błędy pomiaru masy, jest używanie wykrojników o możliwie największych
rozmiarach, na jakie pozwalają stosowane metody analiz zanieczyszczeń oznaczanych
w pyle.
4. Podsumowanie
Wyniki analizy mas wycinków kołowych i prostokątnych (dotycząde zarówno filtrów
zerowych, jak i z pyłem PM10 i PM2,5) wykazały niewielką nierównomierność rozłożenia pyłu na filtrach o średnicy 150 mm stosowanych w wysokoprzepływowych pobornikach pyłu.
Przeprowadzona analiza wykazała, że wartości współczynnika nierównomierności dla
wycinków prostokątnych i kołowych w małym stopniu zależą od położenia wycinka względem środka filtra. Dotyczy to zarówno filtrów pokrytych pyłem PM2,5, jak i PM10. Co prawda wartości współczynnika zależą od powierzchni (także kształtu) wycinanego fragmentu
filtra, ale w porównaniu z błędami pomiaru masy wycinków różnice te są niewielkie. Lepszym rozwiązaniem jest zatem stosowanie wykrojników o większych rozmiarach, np. wykrojnika kołowego o średnicy 4,7 cm. Przy stosowaniu wykrojnika o powierzchni dziesięciokrotnie mniejszej (wycinek prostokątny – 1x1,5 cm) należy się liczyć z dwukrotnie większymi
błędami pomiaru masy wycinka (wynikającym tylko z nierównomierności rozłożenia pyłu, co
skutkuje większymi błędami pomiaru stężenia pyłu, określonymi na podstawie analizy podróbki i stosownych przeliczeń.
Nierównomierność pokrycia filtrów pyłem frakcji PM10 jest znacznie większa niż pokrycie pyłem frakcji PM2,5 i nie jest związana z masą samego pyłu. Przyczyną tego mogą być
różnice w budowie głowic separacyjnych, stosowanych w miernikach DHA-80 i w strukturze samych cząstek pyłu frakcji PM2,5 i PM10.
W celu dokładniejszego zbadania zjawiska równomierności rozkładu pyłu na filtrach,
podobne analizy należałoby przeprowadzić na znacznie większej populacji, ponieważ uzyskane różnice w wartościach współczynnika nierównomierności są zaskakująco małe.
Piśmiennictwo i akty prawne
Air pollution in Europe 1990–2004. 2007. EEA Technical report No 2/2007. EEA, Copenhagen.
Air quality in Europe – 2012 report. 2012. EEA Technical report No 4/2012. EEA, Copenhagen.
246
Równomierność rozkładu pyłu na filtrach stosowanych w wysokoprzepływowych miernikach
Dyrektywa 2008/50/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 21 maja 2008 r.
w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy. 2008. (Dz. U. UE
L 152/1, 11.6.2008).
Jakość powietrza atmosferycznego – Standardowa metoda oznaczania Pb, Cd, As
i Ni we frakcji PM pyłu zawieszonego. PN-EN 14902: 2006.
Jakość powietrza. Oznaczanie frakcji PM10 pyłu zawieszonego. Metoda odniesienia
i procedura badania terenowego do wykazania równoważności stosowanej metody pomiarowej z metodą odniesienia. PN-EN 12341: 2006.
Jakość powietrza. Standardowa grawimetryczna metoda oznaczania frakcji masowej PM2,5 pyłu zawieszonego. PN-EN 14907: 2006.
Program Państwowego Monitoringu Środowiska na lata 2010–2012. 2009. Główny Inspektorat Ochrony Środowiska, Warszawa.
Raport o stanie środowiska województwa warmińsko-mazurskiego w 2007 roku,
Olsztyn. 2008. Biblioteka Monitoringu Środowiska. IOŚ WIOŚ, Olsztyn: 119–133.
Raport o stanie środowiska w Polsce 2008. 2010. Główny Inspektorat Ochrony Środowiska. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów
niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. z 2012 r., poz. 1031).
Środowisko Europy 2010 – stan i prognozy. Synteza. 2010. Europejska Agencja Środowiska, Kopenhaga.
Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik 1999. 2002. Główny Urząd Miar, Warszawa.
247