Laboratorij za vodne in turbinske stroje

Diagnostika v okoljskem strojništvu, predavanja

1

predavanja

Diagnostika v okoljskem strojništvu Marko Hočevar Laboratorij za vodne in turbinske stroje februar 2014


2

Kazalo

Kazalo .......................................................................................................................................... 2

1. Uvod ........................................................................................................................................ 5

2. Zrak .......................................................................................................................................... 6

2.1. Meteorologija onesnažil ............................................................................................................... 6

2.1.1. Uvod ...................................................................................................................................... 8

2.1.2. Osnove meteorologije ........................................................................................................... 9

2.1.3. Horizontalna disperzija onesnažil ........................................................................................ 10

2.1.4. Navpična disperzija onesnažil .............................................................................................. 12

2.1.5. Voda v atmosferi ................................................................................................................. 16

2.1.6. Razširjanje onesnažil v atmosferi ........................................................................................ 16

2.1.7. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine .............................................................. 19

2.1.8. Čiščenje atmosfere .............................................................................................................. 19

2.1.9. Meritve, ki se izvajajo na meteoroloških opazovalnih postajah ......................................... 20

2.1.10. Merilna oprema ................................................................................................................. 21

2.2. Onesnaževala v zraku ................................................................................................................. 23

2.3. Merjenje onesnaževal v zraku .................................................................................................... 24

2.3.1. Uvod .................................................................................................................................... 24

2.3.2. Mreža meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji .................................................................. 24

2.3.3. Delci in aerosoli ................................................................................................................... 27

2.3.4. Merilni inštrumenti za merjenje količine delcev v zraku ..................................................... 28

2.3.5. Plini ...................................................................................................................................... 32

2.3.6 Merjenje koncentracije plinov .............................................................................................. 32

2.3.6.1. Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence (UVF) ............... 33

2.3.6.2. Merjenje koncentracije plinov s kemiluminiscenčno metodo (CLD) ............................ 33

2.3.6.3. Merjenje koncentracije plinov z infrardečo spektroskopijo (NDIR) ............................. 35

2.3.6.4. Merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID ................ 37

2.3.6.4. Merilniki, ki delujejo na osnovi elektrokemičnih merilnih celic ................................... 38

2.3.6.5. Difuzivni vzorčevalniki .................................................................................................. 39

2.3.7. Vzorčenje dimnih plinov v pretočnih kanalih termoelektrarn ............................................ 40

2.3.8. Vzorčenje dimnih plinov motornih vozil .............................................................................. 46

2.4. Odstranjevanje onesnaževal iz zraka ......................................................................................... 52

2.4.1. Odstranjevanje delcev ......................................................................................................... 53


3

2.4.1.1. Usedalne komore ......................................................................................................... 53

2.4.1.2. Usedalne komore s pregradami in vztrajnostni kolektorji ........................................... 55

2.4.1.3. Cikloni ........................................................................................................................... 56

2.4.1.4. Filtrne vreče .................................................................................................................. 59

2.4.1.5. Elektrostatični filtri ....................................................................................................... 61

2.4.1.6. Pralniki delcev............................................................................................................... 63

2.4.1.7. Čistilna naprava - mokri pralnik delcev in plinov z elektrostatičnim filtrom v tovarni

steklene volne ........................................................................................................................... 64

2.4.2. Odstranjevanje plinov ......................................................................................................... 68

2.4.2.1. Pralniki .......................................................................................................................... 69

2.4.2.2. Naprava za čiščenje dimnih plinov v Termoelektrarni Šoštanj ..................................... 71

2.4.2.3. Kondenzatorji ............................................................................................................... 73

2.4.2.4. Zgorevanje .................................................................................................................... 74

3. Voda ...................................................................................................................................... 75

3.1. Hidravlične meritve .................................................................................................................... 75

3.1.1. Merjenje pretoka vodotokov brez merskih objektov .......................................................... 75

3.1.2. Merjenje pretoka vode z merskimi objekti ........................................................................ 77

3.1.3. Vzorčevanje za potrebe kemijskih in bioloških meritev ...................................................... 79

3.2. Kemijske meritve ........................................................................................................................ 80

3.2.1. Merjenje količine neraztopljenih snovi ............................................................................... 80

3.2.2. Merjenje pH ......................................................................................................................... 80

3.2.3. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika ...................................................................... 80

3.2.3.1. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika z optično metodo .................................. 81

3.2.3.2. Merjenje koncentracije kisika z elektrokemično metodo ............................................ 82

3.2.3.3. Merjenje koncentracije kisika s titracijsko metodo...................................................... 82

3.2.4. Merjenje biokemijska potrebe po kisiku ............................................................................. 83

3.2.4.1. Klasična metoda merjenja BPK5.................................................................................... 83

3.2.4.2. Manometrična metoda merjenja BPK5......................................................................... 83

3.2.4.3. Merjenje BPK5 s kivetnimi testi .................................................................................... 84

3.2.5. Kemijska potreba po kisiku KPK........................................................................................... 85

3.2.6. Celotni organski ogljik (TOC) in raztopljeni organski ogljik (DOC) ....................................... 85

3.2.7. Dušik .................................................................................................................................... 86

3.3. Biološke meritve ......................................................................................................................... 87


4


5

1. Uvod Podobni predmeti na Fakulteti za strojništvo UL: Mehanski postopki čiščenja odpadnih vod (Bombač), Energije in okolje (Sekavčnik, Medved, Golobič), Meteorologija (Rakovec, samo letalci PAP), Akustika I in II (Čudina), Eksperimentalne metode (Bajsić), Goriva in zgorevanje (Senegačnik, samo energetiki), Procesna tehnika (Golobič, samo procesniki), Pogonski agregati vozil (Katrašnik, Rodman, samo energetiki), obnovljivi viri energije (Medved), itd. koristne povezave: www.okolje.info www.arso.gov.si www.eea.europa.eu (evropska agencija za okolje) www.epa.gov (ameriška okoljevarstvena agencija)

Slika. Onesnaževanje, Norilsk, Rusija. Vir: Wikipedia.

vs Slika. Levo: shema delovanja plamensko ionizacijskega detektorja (FID) in desno: merjenje koncentracije plinov in masnega toka delcev v izpušnih plinih vozil. Med shemo delovanja posameznega merilnika in praktično izvedbo meritev npr. za premične vire onesnaževanja ali velike kanale z dimnimi plini v termoelektrarnah je velikanska razlika.


6

2. Zrak Ozračje ali Zemljina atmosfera je plinska plast, ki obkroža planet Zemljo. Plast ohranja Zemljina gravitacija. Tej zmesi plinov rečemo zrak, katerega sestava se z naraščanjem nadmorske višine spreminja. Suho ozračje sestavljajo (normalizirane vrednosti prostorninskih deležev po Nasinih podatkih): - dušik (78.0 %), - kisik (20.9 %), - argon (0.93 %), - ogljikov dioksid (spremenljivo, vendar približno 0.034 %), - neon (0.0018 %), - helij (0.00052 %), - metan (0.00017 %), - kripton (0.00011 %), - vodik (0.000055 %) in - vodna para (spremenljivo, odvisno od trenutne količine vlage v zraku).

2.1. Meteorologija onesnažil Onesnaženje zraka kvarno vpliva na človeško zdravje. V preteklosti je že velikokrat prišlo zaradi onesnaževanja do človeških žrtev. Nekatere izmed nesreč so bile povezane tudi z meteorologijo. Npr. veliki londonski smog (smog je beseda angleškega izvora, ki je združena iz besed smoke in fog) je bilo štiri dni trajajoče obdobje visoke koncentracije smoga, ki je med 5. in 9. decembrom 1952 zajel spodnji del doline Temze z Londonom. Vzrok zanj je bil temperaturni obrat, ki je ujel izpuste žveplovega dioksida in dima, mrzlo vreme, prisotnost anticiklona in popolno brezvetrje. Njuni koncentraciji sta nekajkrat presegli običajne vrednosti in takšno onesnaževanje je trajalo več dni. Vsaj 4000 ljudi je umrlo za posledicami smoga, predvsem tisti z dihalnimi težavami, zbolelo je približno 100.000 ljudi. Veliki smog je pomemben iz vidika njegovega vpliva na področju okoljskih raziskav, uredb vlade in same ozaveščenosti javnosti o odnosu do kakovosti zraka in zdravja. Vse to je privedlo do številnih sprememb dojemanju in ozaveščanju in do sprejema predpisov na tem področju. Onesnaževanje zraka škoduje zdravju ljudi in okolju. V zadnjih desetletjih so se emisije mnogih onesnaževal zraka v Sloveniji močno zmanjšale, zaradi česar se je kakovost zraka v regiji izboljšala. Kljub temu so koncentracije onesnaževal še vedno zelo visoke, težava kakovosti zraka pa ostaja. Pomemben delež evropskega prebivalstva živi na območjih, zlasti v mestih, kjer so standardi kakovosti zraka znižani in ozon, dušikov dioksid, predvsem pa trdni delci (PM) resno ogrožajo zdravje. Številne države EU so presegle eno ali več zgornjih mej emisij za leto 2010 pri pomembnih onesnaževalih zraka. Zmanjševanje onesnaževanja zraka zato ostaja pomembno. Onesnaževanje zraka je lokalno, vseevropsko in svetovno vprašanje. Izpusti onesnaževal zraka v eni državi lahko preidejo v atmosfero, kar povzroči ali še poveča slabo kakovost zraka drugje. Trdni delci in prizemni ozon danes na splošno veljata kot dve onesnaževali, ki najbolj vplivata na zdravje ljudi. Dolgoročna in konična izpostavljenost onesnaževalom te vrste povzroča različno hude posledice, od težav z dihali do prezgodnje smrti. V zadnjih letih je bilo verjetno do 40 % mestnega prebivalstva v Evropi izpostavljenega koncentracijam PM (PM10), ki so presegale mejne vrednosti EU, določene za varovanje zdravja ljudi. Koncentracijam ozona, ki so presegale ciljno vrednost EU, je bilo izpostavljenega do 50 % mestnega prebivalstva. Po ocenah drobnejši trdni delci (PM2.5) v zraku


7

zmanjšajo pričakovano življenjsko dobo v EU za več kot osem mesecev. Zaradi onesnaževanja zraka trpi tudi okolje. Zakisovanje se je v občutljivih evropskih ekosistemih, izpostavljenih kislim padavinam s čezmerno vsebnostjo žveplovih in dušikovih spojin, med letoma 1990 in 2010 močno zmanjšalo. Evtrofikacija, okoljski problem zaradi čezmernega vnosa hranil v ekosisteme, je manj napredovala. Območje občutljivih ekosistemov, prizadetih zaradi čezmernega dušika iz ozračja, se je med letoma 1990 in 2010 malo zmanjšalo. Izpostavljenost visokim koncentracijam ozona povzroča škodo na pridelkih. Večina kmetijskih predelkov je izpostavljena ravnem ozona, ki presegajo dolgoročni cilj EU za varovanje rastlin. To velja tudi za precej velik del kmetijskih zemljišč, zlasti v južni, srednji in vzhodni Evropi. Kakovost zraka v Evropi se ni vedno izboljševala skladno s splošnim zmanjševanjem antropogenih emisij onesnaževal zraka (emisij zaradi človeškega vpliva). Razlogi za to so zapleteni: - med zmanjšanjem emisij in koncentracijami onesnaževal zraka, zaznanih v zraku, ni vedno jasne linearne povezave, - prenos onesnaževal zraka prek velikih razdalj v Evropo iz drugih držav na severni polobli ima vse večji vpliv. Za dodatno varovanje zdravja ljudi in okolja v Evropi so še vedno potrebna ciljno naravnana prizadevanja za zmanjšanje emisij. Zrak se onesnažuje iz različnih virov, antropogenih in naravnega izvora: - zgorevanje fosilnih goriv pri proizvodnji elektrike, v prometu, industriji in gospodinjstvih; - industrijski procesi in uporaba topil, na primer v kemični in nekovinski industriji; - kmetijstvo; - ravnanje z odpadki; - primeri naravnih virov emisij so izbruhi vulkanov, prah, ki ga prinese veter, razpršena morska sol in emisije hlapnih organskih spojin rastlin. Na spodnji sliki so prikazana območja kakovosti zunanjega zraka v Sloveniji v 2011. Slovenija je razdeljena na več območij in dve poseljeni območji. Območje - SI1 Pomurska in Podravska brez območja mesta Maribor - SI2 Koroška, Savinjska, Zasavska in Spodnjesavska - SI3 Gorenjska, Osrednjeslovenska in Jugovzhodna Slovenija brez območja mesta Ljubljana - SI4 Goriška, Notranjsko-Kraška in Obalno-Kraška Poseljeno območje - SIL Območje mesta Ljubljana - SIM Območje mesta Maribor


8

Slika. Območja kakovosti zunanjega zraka v Sloveniji v 2011. Slovenija je razdeljena na več območij in

poseljenih območij. Vir: Arso.

Slika. Razširjanje radioaktivnega onesnaževanja po Evropi po jedrski nesreči v Černobilu leta 1986. Vir: European environment agency.

2.1.1. Uvod

Zemlja ima približno 150 km visoko atmosfero, vendar je 80% mase zraka in 99% vode v najnižji plasti. Ta pas imenujemo troposfera, ki je debela povprečno 17 km v srednjih zamljepisnih širinah, v tropskem pasu pa 20 km in na polih v zimskem času samo 7 km. Nad troposfero je stratosfera, meja pa je temperaturna inverzija. V troposferi je zrak, ki ga dihamo, in tudi onesnaženje.


9

Vreme določa, kako razširjajo nečistoče v zraku in kako se premikajo po troposferi. Na ta način se določa koncentracija posameznega onesnažila, ki ga dihamo ali pa količina, ki se ga odloži na vegetaciji. Problem onesnaževanja zraka vsebuje tri dele: izvor onesnaževanja, transport ali disperzija onesnažila in sprejemnika.

Slika. Problem onesnaževanja zraka vsebuje tri dele: izvor onesnaževanja, transport ali disperzija onesnažila in sprejemnika. V tem podpoglavju se bomo ukvarjali z lastnostmi transporta onesnažil, kako se onesnažila premikajo po atmosferi. Okoljski inženir mora poznati nekatere osnove meteorologije in približno napovedati disperzijo onesnažil v zraku.

2.1.2. Osnove meteorologije

Onesnažila krožijo na enak način kot kroži zrak v troposferi. Kroženje zraka povzročita sevanje sonca in neenakomerna površina Zemlje, zaradi česar pride do neenakomerne absorpcije toplote preko površine Zemlje in atmosfere. To neenakomerno gretje in absorpcija povzročita dinamični odziv. Dinamični termalni sistem zemljine atmosfere povzroča tudi spremembe v barometrskem tlaku. Sisteme z nizkim barometrskim tlakom povezujemo s toplimi in hladnimi frontami. Gibanje zraka okrog front z nizkim barometrskim tlakom je v nasprotni smeri urinega kazalca in vertikalni vetrovi so usmerjeni navzgor. Pri tem pride do kondenzacije in padavin. Sistemi z visokom tlakom prinesejo sončno in mirno vreme, to je stabilne atmosferske pogoje. Pri tem so vetrovi v severni hemisferi usmerjenimi v smeri urinega kazalca in navzdol. Sistemi z nizkim tlakom so imenovani cikloni, sistemi z visokim tlakom pa anticikloni. Slika prikazuje ciklone in anticiklone.

Slika. Ciklon in anticiklon.


10

2.1.3. Horizontalna disperzija onesnažil

Zemlja sprejema energijo sonca pri visoki frekvenci svetlobe in jo pretvarja v toploto pri nizkih frekvencah izsevanega valovanja svetlobe. Svetloba pri nizkih frekvencah se prenese z Zemlje s sevanjem, prevodnostjo in konvekcijo. Sevanje je direkten prenos energije, prevodnost prenos energije s fizičnim kontaktom in konvekcija prenos s premikanjem toplega zraka. Atmosfera je slab prevodnik, ker so molekule zraka relativno daleč narazen. Sončno sevanje greje zemljo najbolj okrog ekvatorja. Toplejši zrak se na ekvatorju dviga in hladi, postaja gostejši in se na polih spušča. Če se zemlja ne bi vrtela in če ne imela oceanov morij, celin, hribov in gora, potem bi bil povprečen vzorec vetra od polov do ekvatorja. Vendar, vrtenje zemlje neprestano soncu nastavlja nove površine za gretje, zato obstaja vodoravni temperaturni gradient, prav tako pa tudi navpični temperaturni gradient. Skupno nastalo gibanje zraka naredi vzorce okrog površine zemlje, kakor to prikazuje slika planetarnega kroženja zraka. Ekvatorialno območje je območje stalnega nizkega zračnega pritiska, ker se tam zrak neprestano segreva, dviga in zato tudi ohlaja. V višinah zrak priteka proti povratnikoma, kjer se spušča, segreva in zato zračna vlaga izhlapi. Nastajajo severovzhodni in jugovzhodni pasatni vetrovi, ki so značilni za subtrobsko območje, kjer prevladuje visok zračni pritisk. Ti vetrovi se vedno premikajo v smeri proti ekvatorju. V zmerno toplem pasu so značilni zahodni vetrovi, ki se srečujejo s polarnimi vzhodnimi vetrovi, kar povzroči nastanek baričnih depresij ali potujočih ciklonov. Sezonske in lokalne temprature, tlaki in oblaki, lokalna topgrafija itd. močno zakomplicirajo sliko planetarnega kroženja zraka na lokalni ravni. Celina se ogreva in hladi hitreje kot vode, zato vetrovi s celine pihajo na morje ponoči in vetrovi z morja na celino čez dan (slika). Vetrovi v dolinah nastanejo, ko se zrak hladi na pobočjih gora. V mestih se betonske in druge zidane zgradbe čez dan zgrejejo in ponoči večinoma s sevanjem oddajajo toploto, zaradi česar nastane otok toplote nad mestom (slika), ki vzpostavi od oddaljenega okolja neodvisno kroženje zraka (ang. haze hood).

Slika. Planetarno kroženje zraka je najobsežnejše gibanje zračnih mas, ki zajema cel planet. Vir: Wikipedia.


11

Slika. Dnevno kroženje zraka ob obali. Levo: maestral, desno: burin. Vir: Wikipedia.

Slika. Otok toplote nad mestom. Vodoravno gibanje vetra se meri kot hitrost vetra. Hitrost vetra se meri kot roža vetrov (ang. wind rose), to je grafična slika hitrosti vetra in smeri, iz katere je pihal veter (slika). Roža vetrov je grafični pripomoček s katerim meteorologi prikazujejo stalne vetrove za določeno območj. Roža vetrov na sliki kaže, da je prevladujoča smer vetra iz juga. Roža vetrov ima naslednje značilnosti: - orientacija segmenta pove, iz katerega območja veter piha, - dolžina segmenta je sorazmerna % časa, ko piha veter iz izbrane smeri, - barva pomeni hitrost vetra. Pri obravnavi problemov onesnaževanja se včasih uporablja roža onesnaževanja (ang. pollution rose), ki je oblika rože vetrov in v kateri so prikazani vetrovi samo na dan, ko je onesnaženje preko izbrane meje. Ker roža vetrov in roža onesnaževanja prikazujeta smer, od koder veter piha, je z njo mogoče določiti vir onesnaževanja. Veter je najpomembnejši meteorološki dejavnik v gibanju onesnažil, na kratko lahko rečemo, da onesnažila potujejo z vetrom.


12

Slika. Roža vetrov, primer. Vir: Wikipedia.

2.1.4. Navpična disperzija onesnažil

Ko se zrak v zemljini atmosferi dviga, se tlak v okolici zmanjšuje in se zato zrak razširi. Ob tej ekspanziji se zniža temperatura, to pomeni, da se zrak ohlaja, ko se dviga. Gradient, s katerim se suh zrak ohlaja, ko se dviga, imenujemo suhi adiabatni gradient temperatur (ang. dry adiabatic lapse rate) in je neodvisen od temperature okoliškega zraka. Ker ga imenujemo adiabatni, to pomeni, da ni nobene izmenjave toplote med opazovanim zrakom in okoliško atmosfero, atmosfera je dober izolator. Suhi adiabatni gradient temperature je možno izračunati in znaša dT/dz=-9.8°C/km, medtem ko povprečni gradient temperature znaša dT/dz=-6.49°C/km in vlažni adiabatni gradient temperature dT/dz=-5°C/km. V nadaljevanju za nekaj časa predpostavimo, da je zrak suh. Dejanski gradient temperature je tisti gradient, ki ga v izbranem trenutku izmerimo. Povezava med dejanskim gradientom temperature in suhim adiabatnim gradientom temperature določa stabilnost zraka in hitrost, s katero se razširjajo onesnažila, kar je prikazano na spodnji sliki.

Slika. Gradienti temperature pri dviganju zraka. Ko je dejanski gradient temperature natančno enak suhemu adiabatnemu gradientu temperature, ima atmosfera nevtralno stabilnost. Superadiabatski pogoji prevladujejo, ko se zraku temperatura


13

zniža za bolj kot 9.8°C/km. Subadiabatski pogoji prevladujejo, ko se zraku temperatura zniža manj kot 9.8°C/km. Poseben primer subadiabatskih pogojev je temperaturna inverzija, ko se temperatura zraka povečuje z nadmorsko višino. Superadiabatski atmosferski pogoji so nestabilni in dajejo prednost disperziji, medtem ko so subadiabatski pogoji stabilni in se izrazijo v šibki disperziji. Inverzije so ekstremno stabilne, zmanjšujejo disperzijo in ujamejo onesnažila.

Slika. Superadiabatski pogoji, nestabilna atmosfera. Okoliškemu zraku se temperatura spreminja v skladu s superadiabatskim gradientom temperature (polna črta, prevailing). Temperature okoliškega zraka na posamezni višini so na desni sliki navedene izven oblaka. Temperature oblaka na posamezni višini so navedene v oblaku.

Slika. Subadiabatski pogoji, stabilna atmosfera. Okoliškemu zraku se temperatura spreminja v skladu s subadiabatskim gradientom temperature (polna črta, prevailing). Temperature okoliškega zraka na posamezni višini so na desni sliki navedene izven oblaka. Temperature oblaka na posamezni višini so navedene v oblaku. Pri stabilnih superabadiabatskih pogojih je v primeru na zgornji sliki na višini 500 m 20°C. Atmosfera je superadiabatska, na višini 0 m je temperatura 30°C in na višini 1 km je temperatura 10°C. Dejanski superadiabatski gradient temperature znaša -20°C/km. Če se del zraka iz 500 m adiabatsko dvigne na 1 km, kakšna bo njegova temperatura? Glede na suhi adiabatni temperaturni gradient -9.8°C/km se bo del zraka ohladil za 4.9°C na približno 15°C. Toda na višini 1 km je 10°C in ne 15°C, naš opazovani del zraka je 5°C toplejši od okoliškega zraka in se bo zaradi tega še naprej dvigal. Podobno, če bi se naš opazovani del zraka spustil na recimo 250 m, bi se njegova temperatura povečala iz 20°C na 22.5°C. Temperatura okolice na 250 m je 25°C, zato je naš opazovani del zraka hladnejši in se zato še naprej spušča. Pri tem se ozračje ne more stabilizirati, pogoji omogočajo nestabilnost. Zdaj predpostavimo, da je temperatura na nivoju morja oziroma tal 22°C in da je temperatura na višini 1 km 18°C. Subadiabatski dejanski temperaturni gradient znaša v tem primeru -4°C/km. Če se naš opazovani del zraka dvigne adiabatsko na 1 km, se bo njegova temperatura znižala za 4.9°C na


14

približno 15°C, enako kot je temperatura zraka na 1 km. Zato se bo naš opazovani del zraka nehal dvigati, ker bo imel enako gostoto kot okoliški zrak. Če bi se opazovani del zraka spustil na 250 m, bi bila njegova temperatura 22.5°C, okoljska temperatura na tej višini pa bi znašala malo več kot 20°C. Opazovani del zraka je malo toplejši od okoliškega zraka in se bo začel dvigati proti višini, s katere je prišel. Z drugimi besedami, v tem primeru je gibanje zraka v navpični smeri dušeno in postaja stabilno, subadiabatski pogoji favorizirajo stabilnost in omejujejo mešanje v navpični smeri. Stabilnost v atmosferi lahko pogosto prepoznamo po obliki oblaka (ang. plume) iz dimnikov, kot je to npr. vidno na spodnji sliki. Nevtralno stabilnost lahko prepoznamo po stožčasti obliki oblaka (ang. coning plumes), medtem ko se nestabilni (superadiabatski pogoji) kažejo v pentljasti (ang. looping) obliki oblaka, ki se mnogo bolje razširja. Med stabilnimi (subadiabatskimi) pogoji lahko navedemo še ploščati (ang. fanning) oblak, ki se razširja kot tanka ploščata plast. Ena izmed potencialno nevarnih oblik razširjanja je fumigacija (ang. fumigation), kjer se onesnažila ujamejo pod inverzijo in se zmešajo zaradi močnega temperaturnega gradienta. Tudi pentljasti oblak lahko ob tleh doseže visoke koncentracije, ko se curek prvič dotakne tal.

Slika. Dimnik Termoelektrarne Trbovlje. Trboveljski dimnik je 360 m visok dimnik, najvišja zgradba v Sloveniji in najvišji dimnik v Evropi. Zgrajen je bil 1976 in je nadomestil prejšnji 80 m visok dimnik. Onesnaženost zraka z žveplovim dioksidom se je razporedila bolj enakomerno po Sloveniji; v Zasavju se je zmanjšala, povečala pa se je v višje ležeči vasi Dobovec in v Savinjski dolini. Vir: Wikipedia.


15

Slika. Oblike razširjanja dima iz dimnika in temu pripadajoče atmosferske stabilnosti. Na levih diagramih je s črtkano črto označen suhi adiabatni gradient temperature, s polno črto pa dejanski gradient temperature. Na desni strani so prikazane pričakovane oblike curka dima iz dimnika. Če predpostavimo adiabatske pogoje v oblaku, lahko ocenimo, kako visoko se bo oblak razširil ali spustil, ter kakšno obliko oblaka bo imel pri dani atmosferskih pogojih, kot je to prikazano na primeru. Primer: 100 m visok dimnik odvaja pline s temperaturo 20°C. temperatura pri tleh je 19°C. Dejanski gradient temperature je -4.5°C/km do višine 200 m. Nad to višino je gradient temperature +20°C/km. Če predpostaviš idealne adiabatske pogoje, kako visoko se bo oblak razširil in kakšno obliko bo imel. Nariši diagram. Rešitev: Za oblak predpostavimo, da se bo hladil z suhim adiabatnim temperaturnim gradientom -10°C/km. Temperaturni gradient pod 200 m je subadiabaten in okoliški zrak je hladnejši od oblaka. Zaradi tega se oblak dviga in ko se dviga, se hladi. Pri 225 m se oblak ohladi na 18.7°C, na tej višina pa ima okoliški zrak enako temperaturo, zato se oblak neha dvigati. Pod 115 m bo oblak rahlo stožčast in ne bo presegel 225 m.


16

Slika. Diagram k zgornji nalogi.

2.1.5. Voda v atmosferi

Do sedaj smo vedno predpostavljali, da je zrak suh: suh adiabatni gradient temperature je lastnost suhega zraka. Voda v zraku kondenzira ali hlapi in pri tem oddaja ali absorbira toploto. To spremeni izračun gradientov temperature in stabilnosti v atmosferi. V splošnem, ko se oblak zraka dviga, se bo vlaga kondenzirala in toplota se bo sproščala. Zato se bo zrak počasneje hladil, ko se bo dvigal, vlažni adiabatni gradient temperature bo manj negativen kot suhi adiabatni gradient temperature. Vlažni adiabatni gradient temperature je med -6.5°C/km in -3.5°C/km. Voda v atmosferi prav tako vpliva na kvaliteto zraka na druge načine. Megle se tvorijo, ko se vlažen zrak hladi in vlaga kondenzira. Aerosoli služijo kot jedra za kondenzacijo, zato se megla pogosteje pojavlja v urbanih področjih. Resne nesreče, povezane z onesnaževanjem, skoraj vedno spremlja tudi megla (kot smo že navedli, smog izvira iz korenov angleških besed smoke in fog). Vodne kapljice v megli sodelujejo v pretvorbi žveplovih onesnažil v H2SO4. Megla se tudi usede nad dolino in stabilizira inverzijo, saj preprečuje sončnim žarkom, da bi ogrevali dno doline ali kotline, zaradi česar se čas trajanja onesnaževanja podaljša.

2.1.6. Razširjanje onesnažil v atmosferi

Razširjanje onesnažil je proces, s katerim se onesnažila premikajo v zraku in s katerim se oblak razširi preko velikih površin, s čimer se zmanjša koncentracija onesnažil. Če je oblak plinast, je gibanje molekul v skladu z zakonom konvekcije in difuzije plinov. V splošnem veljajo Navier Stokesove enačbe za gibanje fluida, oziroma advekcijsko difuzijska enačba. Med enostavnimi inženirskimi enačbami za razširjanje onesnažil je Gaussov model, ki je bil prvič uporabljen okoli leta 1930, čeprav obstaja še več drugih modelov. V Gaussovem modelu predpostavimo, da imamo opravka z idealnim plinom. Izpeljave tega modela ne bomo zapisali, lahko pa navedemo osnovne predpostavke modela: - najpomembnejši prispevek k razširjanju onesnažila ima veter, onesnažila se premikajo z vetrom, - najvišja koncentracija onesnažil je ob osi razširjanja onesnažil, - molekule onesnažil prehajajo iz mest z večjo koncentracijo na mesta z nižjo koncentracijo, - onesnažilo se sprošča kontinuirno, pri čemer sta sproščanje in razširjanje stacionarna procesa. Slika kaže osnovne lastnosti Gaussovega modela z geometrijsko postavitvijo izvora, vetra in oblaka. Ob tem lahko izberemo koordinatni sistem, ki ima izhodišče v viru onesnaženja in x os orientirano v smeri vetra. Bočno in navpično razširjanje sta v smeri osi y in z. Ko se oblak premika v smeri osi x, se


17

razširja bočno in v navpični smeri stran od centralne osi. Preseka koncentracij onesnažila po y in z osi imata obliko Gaussovih krivulj, kakor je to prikazano na sliki. Ker se dimni plini običajno sproščajo iz dimnika toplejši, kot je temperatura okoliškega zraka, se zaradi vzgona oblak dima dvigne, še preden začne potovati v smeri osi x. He imenujemo efektivno višino dimnika in je vsota dejanske višine dimnika in višine, za katero se dvigne oblak.

Slika. Gaussov model razširjanja oblaka. Vir: Wikipedia. Koncentracijo onesnažila C na vsakem posameznem mestu x,y,z lahko zapišemo z naslednjo enačbo. Ta enačba vključuje odboj oblaka od tal in odboj oblaka od inverzije na določeni višini v atmosferi.

√

√

kjer je Q masni tok sproščanja onesnažila v kg/s, v hitrost vetra v smeri osi x, standardna deviacija

porazdelitve onesnažila v bočni smeri, standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri in f parameter bočnega razširjanja, ki je enak

[

]

g1, g2 in g3 so parametri navpičnega razširjanja. Posamezne parametre bočnega razširjanja lahko zapišemo na naslednji način, kjer je g1 parameter bočnega razširjenja brez oboja od sosednjih površin, g2 parameter navpičnega razširjanja za odboj od tal in g3 parameter vertikalnega razširjanja za odboj od inverzije na višini

[ ( )

]

[ ( )

]

∑ { [ ( )

]

[ ( )

]

[ ( )

]

[ ( )

]

}


18

V zgornjih enačbah za g1, g2 in g3 je L odaljenost do inverzije na višini. Vsota vseh treh eksponentnih členov konvergira zelo hitro h končni vrednosti. V večini primerov je dovolj, da seštejemo člene z m=1, m=2 in m=3, da dobimo ustrezno rešitev. Parametra (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in (standardna

deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri) sta funkciji razreda turbulence, to je intenzivnosti turbulence v atmosferi, ter oddaljenosti od sprejemnika. Najpomembnejši spremenljivki, ki vplivata na stopnjo razširjanja onesnažila, sta višina vira onesnaževanja in stopnja turbulence v atmosferi. Večja kot je stopnja turbulence v atmosferi, večje je razširjanje. Starejši modeli uporabljajo razrede stabilnosti za določanje (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in

(standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri), medtem ko novejši modeli temeljijo na teoriji podobnosti za določitev teh parametrov. Modele razširjanja onesnažil se običajno uporablja skupaj z modeli za določitev višine, na katero se dvigne oblak dima iz dimnika. Pogosto nas zanima največja vrednost na površini, to je na y=0 in pri z=0. V tem primeru se enačba za razširjanje onesnažila poenostavi. Dodatno poenostavitev lahko uvedemo, če je vir razširjanja na višini z=0. Razredi stabilnosti so od A do F, pri čemer je razred A najmanj stabilen in razred F najbolj stabilen. Tabela kaže odvisnost stabilnosti od hitrosti vetra in sončnega sevanja. Razredi A, B in C ustrezajo superadiabatnim pogojem, razred D ustreza nevtralnim pogojem in razreda E in F subadiabatnim pogojem. V urbanih naseljih redko dosežemo stabilnost, večjo kot razred D. Razreda stabilnosti E in F sta pogosta za podeželjska območja. Vrednosti za (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in (standardna

deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri) sta podana na spodnji sliki. Tabela: Razredi stabilnosti v atmosferi.

podnevi ponoči

sončno sevanje tanka oblačnost

hitrost vetra na višini 10 m [m/s]

močno srednje nizko nizka oblačnost

šibka oblačnost

<2 A A-B B

2-3 A-B B C E F

3-5 B B-C C D E

5-6 C C-D D D E

>6 C D D D D

Slika. Levo: parameter (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri). Desno:

parameter (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri). Oba sta prikazana kot funkcija razreda turbulence Vir: www.lentech.com.


19

2.1.7. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine

Do sedaj smo predpostavili, da je hitrost vetra enakomerna in da veter piha samo v eni smeri. To pomeni, da je hitrost možno določiti vedno in v vsaki točki z eno meritvijo. Te predpostavke niso realistične, smer vetra se spreminja in hitrost vetra se spreminja z višino in v odvisnosti od časa. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine lahko probližno zapišemo s paraboličnim profilom hitrosti vetra. To pomeni, hitrost vetra v na višini h lahko izračunamo iz izmerjene hitrosti v0 na višini h0 z uporabo spodnje enačbe

(

)

.

eksponent n, ki ga imenijemo parameter stabilnosti, je empirično določen v odvisnosti od stabilnosti atmosfere je za razrede stabilnosti A, B in C (velik gradient temperature) enak 0.2, za razred stabilnosti D (nizek ali ničelni gradient temperature) je enak 0.25, za razred stabilnosti E (inverzija) je enak 0.33 in za razreda stabilnosti F in G (močna inverzija) znaša 0.5. Hitrost in smer vetra se meri na višini 10 m nad površjem. Efektivna višina dimnika je višina, pri kateri se oblak dima začne pomikati navzdol. To je tudi efektivna točka izpusta in začetek razširjanja oblaka dima. Za določanje efektivne višine dimnika oziroma višine, za katero se dvigne oblak nad dimnik, obstaja veliko število modelov. Natančnost zgoraj navedenih modelov za razširjanje onesnažil in efektivno višino dimnika v praksi ni dobra. Nekalibrirani modeli napovejo koncentracije onesnažil v okviru velikostnega razreda, ne bolje. Za doseganje večje natančnosti je potrebno model kalibrirati, to pa se naredi na osnovi mreže meritev koncentracij na tleh. Dodatna slabost navedenih modelov je, da so primerni samo za točkaste vire, ne pa za vire z velikim številom majhnih izpustov. Tak primer je npr. onesnaževanje iz parkirne hiše, avtoceste itd. V teh primerih se uporablja računalniške modele na osnovi Navier Stokesovih enačb ali pa variante Gausovega modela z velikim številom diskretnih virom onesnaževanja.

2.1.8. Čiščenje atmosfere

Čiščenje atmosfere je proces, s katerim se onesnažila iz atmosfere samodejno odstranjujejo. Čiščenje vsebuje čiščenje z gravitacijo oziroma usedanjem, čiščenje ob dotiku s površino zemlje in s padavinami. Z gravitacijo oziroma usedanjem se delci vedno odstranijo iz atmosfere, če so večji kot približno milimeter v premeru. Lep primer so sajasti delci iz izpuha dieselskega tovornjaka. Vendar je večina delcev onesnažila v atmosferi dovolj majhnih, da je njihovo usedanje odvisno od atmosferske turbulence, viskoznosti in trenja, kakor tudi gravitacijskega pospeška. Zaradi tega je lahko usedanje zelo počasno. Delci, ki so večji od 20 µm v premeru, se redku usedejo zgolj z gravitacijo. Plini se odstranijo iz atmosfere le v primeru, če se adsorbirajo na delce ali če kondenzirajo. Žveplov trioksid na primer kondenzira z vodo in drugimi delci v zraku. Delci, ki so dovolj majhni, da ostanejo v atmosferi dolgo časa, se v zraku razširjajo (razširijo), vendar se to zgodi nekoliko drugače, kot se razširjajo plinasta onesnažila. V enačbah za razširjanje onesnažil moramo dodati člen, ki vsebuje hitrost usedanja delcev. Za delce med 1 µm in 100 µm v premeru, hitrost usedanja zapišemo s Stokesovo enačbo


20

v kateri je vd hitrost usedanja delcev oziroma terminalna hitrost, d premer delcev, ρ gostota delcev in μ viskoznost zraka. Hitrost usedanja spremeni Gaussovo enačbo za razširjanje onesnažil, tako da dobimo naslednjo enačbo enačbo za koncenmtracijo delcev na višini z=0:

( )

[

]

√

[ ( (

))

]

√

V gornji enačbi ni več odboja oblaka od inverzije na višini niti odboja od tal, zato je enačba enostavnejša od enačbe za razširjanje plinskih onesnažil. Pri čiščenju ob dotiku s površino zemlje se številni plini iz atmosfere absorbirajo na kameninah, zemlji, rastlinstvu, vodah in drugje. Topni plini kot je npr. SO2 se topijo v površinskih vodah in tako raztapljanje lahko izmerimo kot zakisanje. Pri čiščenju atmosfere s padavinami se onesnažila odstranjujejo na dva načina in sicer s pranjem (ang. rainout) in z izpiranjem (ang. washout). Pranje je proces, pri katerem zelo majhni delci onesnažila postanejo zarodna jedra za nastanek dežnih kapljic, ki rastejo in končno padejo na zemljo kot padavine. Izpiranje je proces pri katerem kaplice dežja, ko padajo proti tlom, zajamejo delce ali molekule onesnažila ali pa se onesnažilo raztopi v padajočih kapljicah dežja. Količino onesnažila, ki se odstrani z zgoraj omenjenimi metodami, je težko določiti. Različni avtorji navajajo zelo različne podatke. Ena izmed študij je ugotovila, da se je 60% onesnažila SO2 odstranilo iz atmosfere ob dotiku s površino zemlje, 15% se ga je odstranilo s padavinami in 25% SO2 je veter odpihnil v sosednje države.

2.1.9. Meritve, ki se izvajajo na meteoroloških opazovalnih postajah

Meteorološke opazovalne postaje so treh različnih tipov: sinoptične, klimatološke in padavinske. V nadaljevanju bomo opisali vse tri tipe s poudarkom na meritvah, ki so uporabne na področju okoljskega strojništva. Sinoptična meteorološka postaja: na sinoptični postaji opazujemo sedanje in preteklo vreme, oblačnost, to je količino in vrsto oblakov, višino baze oblakov, vidnost, posebne pojave, splošne fenološke pojave, stanje posevkov, stanje tal. Merimo pa: smer in hitrost vetra, temperaturo zraka, ekstremni (najvišjo in najnižjo) temperaturo zraka, temperaturo tal v globinah 2, 5, 10, 20, 30, 50 in 100 cm, mini-malno temperaturo 5 cm nad tlemi, zračni pritisk, tendenco zračnega pritiska, karakteristike tendence pritiska, vlažnost zraka, vlažnost zemljišča, padavine (vrsta, višina in jakost), snežno odejo (stopnjo pokritosti zemljišča – površina snežne odeje, višini nove in skupne snežne odeje, gostoto snega), globino zamrzovanja in taljenja zemljišča, sončno sevanje in izhlapevanje. Klimatološka postaja ali podnebna postaja je meteorološka postaja, ki opravlja meritve in opazovanja trikrat dnevno, ob 07., 14. in 21. uri. Meritve vsebujejo smer in hitrost vetra, temperaturo zraka, ekstremno temperaturo zraka, temperaturo zemlje, vlažnost zraka, višino padavin in višino snežne odeje. Padavinska postaja je meteorološka postaja, kjer merimo enkrat dnevno, ob 7. uri po krajevnem času. Na padavinski meteorološki postaji se opazuje pomembnejše atmosferske pojave (megla, slana, rosa, vrsta padavin (dež, toča, sneg, ...), viharni veter, nevihta, itn.), čas začetka in konca vseh vrst


21

padavin in važnejših atmosferskih pojavov ter fenološka opazovanja (po potrebi). V padavinski postaji se meri višino padavin in višino snežne odeje in novozapadlega snega. Meteorološke postaje so nameščene tudi v sklopu elektrarn (www.okolje.info).

2.1.10. Merilna oprema

Pluviograf ali ombrograf ali dežemer je instrument, ki zapisuje množino, čas trajanja in jakost padavin. Pluviograf je lahko preprosta naprava, ki z lijakom (pri standardiziranih pluviografih 200 mm) zbira padavine v merilni valj (20 mm). Višina pluviografa je običajno 500 mm. Ker se del padavin nabere na steni, pluviograf malenkost podceni količino padavin. Na rezultate meritev lahko vplivajo nizke temperature, zmrzal in sneg, čemur se izognemo z ogrevanjem pluviografa. V veliki večini primerov se padavin ne shranjuje. Pluviograf mora biti postavljen na prostem stran od sten stavb ali dreves. Pluviografi delujejo na več načinov. Padavine lahko zbirajo v merilni valj, padavine se lahko tehta, določi optično ali pa se volumen padavin izmeri z zvratnim sistemom. Zvratni sistem deluje na osnovi prelivanja padavin čez dvojno, na sredini vpeto premično posodico (ob prehodu iz prve lege v drugo se sproži stikalo). Optični pluviograf deluje tako, da optično štejemo kapljice, ki odtečejo iz zbirne posode. Število odtečenih kapljic merimo s kombinacijo laserske diode z usmerjenim žarkom in fotodiode. Laserska dioda z usmerjenim žarkom cilja v pot kapljic, ko kapljica pade iz pluviografa, se od nje odbije svetloba laserske diode, fotodioda zazna bliske, ki so posledica odbite svetlobe. Podatki se lahko zapisujejo na trak ali z računalnikom.

Slika. Pluviograf je lahko preprosta naprava (levo), ki z lijakom zbira padavine v merilni valj, ali pa je merjenje avtomatsko (desno) s pluviografom ONSET RG2-M. Za model na sliki ONSET RG2-M je zbirni del dežemera iz črnega aluminijastega obroča z ostrimi robovi in lijaka, ki usmerja vodo do zvratnega mehanizma. Vsak zvrat predstavlja 0.2 mm padavin. Zvrati se štejejo na principu magneta. Zvratni mehanizem je povezan s pomnilnikom mikroprocesorja, ki beleži čas vsakega zvrata. Zvrnjena voda odteka skozi dno ohišja. Totalizator je dežemer z veliko posodo in ga uporabljamo za zbiranje padavin v daljšem časovnem obdobju, npr. v enem letu ali v pol leta. Postavljamo ga na nenaseljenih področjih in kjer ni možno meriti padavin z navadnim pluviometrom. Anemometer je merilni inštrument za merjenje jakosti vetra in hitrost strujanja zraka. Vloga anemometra je merjenje izbrane ali vseh komponent vektorja vetra. Idealni merilni inštrument (senzor) vetra bi moral reagirati na najmanjši vetrič in viharne vetrove, imeti linearno karakteristiko in trenutno reagirati na najmanjše in najhitrejše turbulentne fluktuacije. V praksi uporabljamo več inštrumentov, da zadostimo navedenim zahtevam. V strojništvu sicer uporabljamo še druge tipe anemometrov, vendar ne v okoljskem strojništvu. To so laserski dopplerjev anemometer, anemometer na vročo žičko, PIV metoda za merjenje hitrosti in Pitojeva cev.


22

Vrteči se del klasičnega anemometra s skodelicami je sestavljen iz treh ali štirih skodelic, pritrjenih na os. Hitrost vrtenja osi je sorazmerna s silo, s katero deluje veter na skodelice. Hitreje kot zrak ali veter pihata, hitreje se vrti anemometer. Anemometer s skodelicami deluje neodvisno od tega, iz katere smeri piha veter, zato za določanje smeri vetra uporabljamo še navpično krilce. Anemometer na vetrnico se uporablja vedno skupaj z navpičnim krilcem. Ultrazvočni anemometer koristi ultrazvočno valovanje za merjenje hitrosti in smeri vetra. Hitrost vetra se določa tako, da se meri čas, ki je potreben ultrazvočnemu impulzu, da prepotuje pot od fiksnega pošiljatelja do fiksnega sprejemnika. Hitrost vetra poveča ali zmanjša hitrost zvoka glede na to, v katero smer veter piha. Zelo so prikladni za merjenje turbulence, ker je njihov odzov hiter, približno do 20 Hz. Ker nimajo premičnih delov, so primerni za dolgoročno uporabo v odddaljenih automatiziranih vremenskih postajah in tam, kjer na točnost in zanesljivost tradicionalnih anemometrov z lopaticami vpliva slan zrak ali velike količine prahu. Hitrost zvoka se spreminja s temperaturo, ni pa odvisna od tlaka. Uporabljata se izvedbi z dvema akustičnima potema (ti senzorji imajo 4 nogice) in tremi akustičnimi potmi (ti senzorji imajo tri nogice). Anemometer na ping pong žogico je preprost anemometer. Če veter piha vodoravno, pritisne na žogico in jo premakne. Ker so ping pong žogice zelo lahke, se odklonijo že v najmanjšem vetru. Iz merjenja kota, pod katerim je odklonjena žogica, lahko določimo smer in hitrost vetra.

Slika. Ultrazvočni anemometer (skrajno levo), anemometer s skodelicami (ang. cup anemometer) (v sredini levo) in anemometer na vetrnico (ang. cup anemometer) (v sredini desno) in anemometer na ping pong žogico, kakršnega uporablja sonda Phoenix na Marsu (skrajno desno). Vir: www.eol-shop.com in www.wikipedia.com. Z anemometri merimo hitrost vetra pred postavitvijo vetrnih elektrarn. Primer takih meritev je so bile meritve hitrosti vetra, ki jih je izvajalo podjetje Soške Elektrarne ob zgornjem akumulacijskem jezeru črpalne hidroelektrarne Avče na Kanalskem vrhu od novembra 2009 do aprila 2011. Merilni stolp na spodnji sliki je bil postavljen na nadmorski višini 634 m. Vgrajeni merilniki so bili klasični anemometri na vetrnico z navpičnim krilcem za določanje smeri, ki so zajemali zajemajo hitrost in smer vetra na štirih različnih višinah; 20 m, 40 m, 60 m in 80 m. Podatki so se zbirali kot 10-minutna povprečja, njihov prenos do glavnega računalnika pa je bil urejen preko GSM linije.


23

Slika. Merjenje hitrosti vetra na lokaciji Kanalski vrh je bil zgrajen zraven zgornje akumulacije ČHE Avče. Vir: SENG. Heliograf je instrument za merjenje, oz. nepretrgano registriranje trajanja sončnega obsevanja. Iz njegovega zapisa določamo trajanje sončnega obsevanja v urah. Pogost je heliograf s stekleno kroglo, t.j. Kembel-Stokesov heliograf, in sicer poznamo dva tipa: navadnega in univerzalnega. Osnovni del je pri obeh tipih steklena krogla, ki zbira v gorišče sončne žarke in ti izžigajo sled na papirnat trak; ta je nameščen v žleb školjke, ki obdaja stekleno kroglo. Na papirnatem traku ostane prežgana sled.

2.2. Onesnaževala v zraku Onesnaževala v zraku so delci in plini, v nadaljevanju bomo na kratko predstavili najpomembnejša onesnaževala v zraku. Povzetek je napravljen po predavanju Energije in okolje (Fakulteta za strojništvo). Delci (PM, ang. particulate matter, velikosti do 10 mm) razpršene snovi v trdnem ali tekočem stanju, v ozračju so prisotni kot trdni delci ali aerosoli, vplivajo na zdravje ljudi, transmitivnost ozračja, so kondenzacijska jedra, povzročajo mehansko obrabo (abrazijo), vizualno onesnažujejo naravno in urbano okolje (glavni vir: promet, gradbeništvo). Ogljikov dioksid ogljikov dioksid antropogenega izvora nastaja predvsem pri sežigu fosilnih goriv. V ozračju so koncentracije okoli 0.035%, v onesnaženih mestih do 0.08%, v dobro prezračevanih prostorih do 0.15%. Glavni vir so zgorevanje fosilnih goriv in naravni procesi v okolju. V okolju velja za toplogredni plin. Ogljikov monoksid nastaja pri nepopolnem zgorevanju ogljika v gorivih, pri vdihovanju nastaja v krvi karboksihemoglobin (COHb), ki zmanjšuje količino kisika v krvi. Glavni vir je zgorevanje fosilnih goriv. Vpliva na počutje in zdravje ljudi. Dušikovi oksidi (krajše NOX) - med dušikovimi oksidi sta še posebej nevarna NO in NO2. Dušikovi oksidi nastajajo pri zgorevanju goriv kot toplotni NOX iz zraka, ki ga dovajamo pri gorenju in kot gorivni NOX pri oksidaciji dušika iz goriva. Glavni vir je zgorevanje fosilnih goriv. Dušikovi oksidi vplivajo na zdravje ljudi, rastline, so sekundarni onesnaževalec, saj sodelujejo pri škodljivih procesih v okolju. Žveplov dioksid več kot 80% emisij je posledica oksidacije žvepla iz fosilnih goriv pri gorenju, v okolju reagira s kapljicami vode in povzroča zakisljevanje padavin. Lahko hlapni ogljikovodiki (VOC, ang. volatile organic compounds) kot so benzen, formaldehid, vinilklorid, tetraklorid dražijo sluznico, vplivajo na živčni sistem, škodujejo rastlinam. Lahko hlapni ogljikovodiki so kancerogeni. Glavni antropološki izvor je promet (7080%), naravni vir pa so rastline. Metan nastaja pri naravni razgradnji organskih snovi, tudi na odlagališčih komunalnih odpadkov. Ker


24

je močan toplogredni plin, ga na odlagališčih zbiramo in sežigamo, ponekod pretvarjamo v toploto in električno energijo.

2.3. Merjenje onesnaževal v zraku

2.3.1. Uvod

Najzanesljivejši pokazatelj stanja kakovosti zraka so meritve koncentracij onesnaževal. Meritve kakovosti zraka se izvajajo z namenom določiti nivo vseh tipov onesnaževal v atmosferi brez namena ločevati med naravnimi onesnaževali in tistimi, ki so posledica človeške aktivnosti. Meritve kakovosti zraka ločimo v tri razrede: - meritve emisij - meteorološke meritve in - meritve kakovosti zunanjega zraka. Pri meritvah emisij merimo emisije na viru npr. na dimniku ali na izpuhu iz motorja z notranjim izgorevanjem v avtomobilu. Vzrec zraka izsesamo skozi odprtino ali cevko npr. v dimniku za analizo na kraju samem. Premične vire, npr. avtomobile, testiramo najbolje tako, da merimo emisije, ko je motor obremenjen. Pri meteoroloških meritvah ugotavljamo meteorološke pogoje, hitrost vetra, smer vetra, gradient temperature, s čimer ugotavljamo, kako se onesnaževala premikajo od izvora k sprejemniku. Pri meritvah kakovosti zunanjega zraka (ang. measurement of ambient air quality) merimo z uporabo različnih inštrumentov. Skoraj vsi podatki o povezavi zdravstvenih težav prebivalstva z onesnaževanjem z zrakom so povezani s podatki meritev kakovosti zunanjega zraka.

2.3.2. Mreža meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji

Mrežo meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji sestavljajo avtomatska merilna mreža stalnih ekološko-meteoroloških postaj državne mreže za spremljanje kakovosti zraka (DMKZ), ki jo vodi Agencija RS za okolje (ARSO), ter dopolnilne avtomatske merilne mreže, v katerih izvajajo meritve drugi izvajalci (TE Šoštanj, TE Trbovlje, mestni občini Ljubljana, Maribor). Mreža merilnih mest v Sloveniji je gostejša na območjih v bližini večjih virov onesnaženosti zraka. V krajih, ki niso zajeti v okviru stalnih mrež, potekajo občasne meritve onesnaženosti zraka z avtomatsko mobilno ekološko-meteorološko postajo in z difuzivnimi vzorčevalniki. Na območjih, ki so oddaljena od velikih virov emisije, delujeta postaji Iskrba pri Kočevski Reki in Krvavec, na katerih se izvajajo meritve ozadja onesnaženosti zraka. ARSO meri kakovost zunanjega zraka na 36 stalnih merilnih mest po Sloveniji. Lokacije vseh merilnih mest so določene v skladu s priporočili Pravilnika o monitoringu kakovosti zunanjega zraka, ki določa umestitev vzorčevalnih mest na makro in mikro ravni. Seznam merilnih mest (tudi lokacij mobilne postaje) in parametri, ki se merijo, so podani v spodnji tabeli. Merilna mesta so prikazana tudi na sliki. Merilna mesta mestnega ozadja (Ljubljana Bežigrad, Ljubljana BF, Maribor Vrbanski plato, Celje, Nova Gorica, Koper, Kranj, Novo mesto) so reprezentativna za gosteje naseljene predele teh mest, v katerih živi večina prebivalstva. Meritve na prometnih mestnih merilnih mestih Ljubljana center, Maribor center in Zagorje kažejo, kakšna je kakovost zraka v ozkem pasu ob prometnih cestah, kjer se ljudje večinoma zadržujejo kratek čas. Ocenjujeno, da je onesnaženost zraka na takih lokacijah je od 60 do 70 % višja kot na lokacijah mestnega ozadja, kjer živi večina prebivalstva. Merilna mesta predmestnega ozadja (Trbovlje, Hrastnik, Topolščica, Pesje, Škale) podajajo razmere


25

glede kakovosti zraka na obrobju mest ali večjih naselij, kjer je prometa manj kot v samih mestih in so zato koncentracije onesnaževal, ki izvirajo iz prometa, na takih lokacijah nekoliko nižje. Merilno mesto Rakičan pri Murski Soboti uvrščamo v tip podeželskega/obmestnega ozadja. Na merilno mesto nekoliko vplivajo emisije iz bližnje ceste in naselja (v zimskem času individualna kurišča), pa tudi obdelave kmetijskih površin. Ocenjujemo, da so koncentracije izven naselij in dlje od prometnih cest nižje. Podatki meritev z merilnih mest Krvavec, Iskrba pri Kočevski Reki in Otlica nad Ajdovščino so namenjeni za pridobivanje informacij o stanju onesnaženosti zraka na širšem področju za zaščito okolja (narava, rastline, živali) in ljudi ter za potrebe študij daljinskega transporta.


26

Tabela. Seznam merilnih mest za meritve onesnaževal in meteoroloških parametrov na merilnih mestih v letu 2011 v Sloveniji. Legenda: PM10: delci z aerodinamičnim premerom do 10 µm PM2.5: delci z aerodinamičnim premerom do 2,5 µm PAH: policiklični aromatski ogljikovodiki v delcih PM10 Težke kovine: arzen, kadmij, nikelj in svinec v delcih PM10 in PM2.5 Meteorološki parametri: temperatura zraka v okolici, hitrost vetra, smer vetra, relativna vlažnost zraka, zračni tlak in globalno sončno sevanje


27

Slika. Merilno mesto onesnaženja zraka Novo Mesto. Vir: Arso.

2.3.3. Delci in aerosoli

Delci so naravnega ali antropogenega izvora in pomembno vplivajo na zdravje ljudi, klimo, vidnost itd. Ločimo različne velikosti delcev: PM10, PM2.5, PM1.0 in zelo fine delce. Onesnaženost zraka z delci je v Evropi pereč problem, še posebej zaradi delcev manjših od 10 mikronov. Sestava delcev je različna: sulfat (SO4

2-), nitrat (NO3-), amonij (NH4

+), različne kovine ter ogljik v organski in anorganski obliki. Aerosol je disperzni sistem, ki vsebuje trdne ali tekoče delce, suspendirane v zraki zrak. Delež delcev se emitira v atmosfero iz virov na površini (primarni delci), medtem ko so drugi posledica različnih pretvorb v onesnaženi atmosferi (sekundarni delci). Delci so naravnega izvora (cvetni prah, vegetacija, morska sol, dim gozdnih požarov, meteorski prah, vulkanski pepel) ali antropogenega izvora – vpliv človekove aktivnosti (energetski objekti, industrija, promet, poljedelstvo, individualna kurišča). Delci pomembno vplivajo na zdravje ljudi, kakor tudi na klimo, vidnost itd. Delci, ki nastanejo s procesi med plini, in delci tako v plinski kot v tekoči fazi, so v glavnem velikosti pod 1 µm in se imenujejo fini delci (ang. fine particles). Na zemeljski površini pa nastanejo delci, v glavnem večji od 1 µm, imenujemo jih grobi delci (ang. coarse particles). Sem štejemo tudi bioaerosole, npr. pelod, trose, katerih izvor je vegetacija. Delci, ki nastanejo pri gorenju, se lahko nahajajo v obeh velikostih razredih. Delci različnega izvora so različne kemijske sestave in prav tako različne oblike in različnih fizikalnih stanj. Določitev velikosti aerosola je eden pomembnejših elementov kar se tiče meritev in modeliranja dinamike aerosola. Premer delcev največkrat opišemo z izrazom aerodinamični premer. Aerodinamični premer je definiran kot premer okroglega delca z gostoto 1000 kg/m3. To pomeni, da se v zraku obnaša kot vodna kapljica definiranega premera. Delci enake oblike in velikosti, toda različne gostote, imajo različen aerodinamični premer. Na podlagi aerodinamičnega premera ločimo delce: PM10 - delci z aerodinamičnim premerom pod 10 µm, PM2.5 - delci z aerodinamičnim premerom pod 2.5 µm, PM1.0 - delci z aerodinamičnim premerom pod 1 µm, UFP – zelo fini delci (ang. ultra fine particles) z aerodinamičnim premerom pod 0.1 µm.


28

Manjši kot so delci, globlje prodrejo v dihalne poti. Delci, večji od 10 µm, se ustavijo v zgornjih dihalnih poteh (nos, obnosne votline), manjši od 10 µm pa potujejo v spodnje dihalne poti. Delci manjši od 2.5 µm prodrejo globoko v dihalne poti. Vnetna reakcija na mestu vstopa (pljuča) lahko dodatno poslabša obstoječo bolezen dihal.

Slika. Naprave za merjenje delcev, levo visoko volumski vzorčevalnik zraka, v sredini kaskadni impaktor, desno aethalometer za vgradnjo. Vir: Wikipedia.

2.3.4. Merilni inštrumenti za merjenje količine delcev v zraku

Visoko volumski vzorčevalnik zraka (ang. high volume sampler) je naprava, ki zajame večjo količino zunanjega zraka. Visoko volumski vzorčevalnik zraka deluje tako, da skozi filter prečrpava velike količine zraka, pri čemer se delci ujamejo na filter. Z zajemom velike količine zraka se poveča depozit delcev in se tako omogoči nižja detekcija posameznih parametrov. V enem dnevu visoko volumski vzorčevalniki prečrpajo okrog 2000 m3 zraka. Poleg tega se delci lovijo na filter s velikim premerom (npr. 150 mm), kar omogoča večje število različnih kemijskih analiz delcev. S tem vzorčevalnikom vzorčimo delce PM10 v zunanjem zraku na enem merilnem mestu vsak dan celo leto. Meritev traja en dan, to pa pomeni, da je časovna ločljivost meritve en dan. Filtre analiziramo gravimetrično, stehtamo jih pred začetkom in po koncu meritve. Teža delcev je razlika tež filtra pred in po meritvi. Tok zraka skozi filter se meri z volumskim merilnikom pretoka. Ker se med delovanjem na filtru naberejo delci, se filter zamaže, njegov koeficient upornosti se poveča, zaradi česar se zmanjša volumski pretok skozi filter. Volumski pretok se običajno izmeri na začetku in na koncu delovanja in se vrednot povpreči. Na omenjeni način merimo različne vrste delcev, saj se visoko volumske vzorčevalnike lahko opremi z različnimi filtri. Z različnimi kemijskimi analizami lahko npr. delce PM10, ki se ujamejo na filter, analiziramo na naslednje parametre: težke kovine, policiklične aromatske ogljikovodike (ang. PAH), ione, elementarni in organski ogljik, levoglukozan itd. Kaskadni impaktor je naprava, ki delce v zraku z izokinetično metodo sesa iz vira in jih loči po velikosti v kaskadnem impaktorju. Pri tem naprava uporablja princip ločevanja z inercijo po velikosti. Kasneje se masa posamezne frakcije določi s tehtanjem, to je gravimetrično.


29

Ko zrak vstopi v napravo, nosi s seboj delce. Filtri so nameščeni tako, da ležijo zraku na poti in zrak se jim ogne. Če so delci zadosti majhni, slediju zraku, če pa so veliki, zraku ne morejo slediti in se zaletijo v filter. Zaporedni filtri so nameščeni tako, da se oddaljenosti filtrov od šob zmanjšujejo.

Slika. Shema kaskadnega impaktorja. Filtri so nameščeni tako, da ležijo zraku na poti in zrak se jim ogne. Če so delci zadosti majhni, slediju zraku, če pa so veliki, zraku ne morejo slediti in se zaletijo v filter. Zaporedni filtri so nameščeni tako, da se oddaljenosti filtrov od šob postopoma zmanjšujejo. Vir: Wikipedia. Izokinetična metoda vzorčevanja je metoda, s katero zajemamo vzorce iz toka zraka, dima, pare ali katerega koli drugega toka medija, če ta medij vsebuje delce. Če je tok homogen, je vzorčenje enostavno, saj je tok povsod enak. Temu pa ni tako, če so v toku prisotni delci. Če so v toku prisotni delci, se koncentracija delcev pri vzorčevanju, v bližini odjema za vzorčevanje ali znotraj vzorčevalne sonde spremeni. Če je hitrost na mestu vzorčevanja (to je tik ob vzorčevalni odprtini sonde) manjša, kot je hitrost fluida (npr. izpušnih plinov v dimniku), potem nekateri delci, še posebej manjši delci, ne bodo vstopili v odprtino vzorčevalne sonde. Podoben mejni primer je kaskadni impaktor, pri katerem je hitrost v odprtini za vzorčevanje enaka nič. Če je hitrost hitrost na mestu vzorčevanja višja, bo več delcev vstopilo v vzorčevalno odprtino, tudi v tem primeru večinoma majhni delci. V obeh primerih izmerimo napačne rezultate. Idealen primer je, če je v odprtini vzorčevalne sonde enaka hitrost kot v okolici, npr. v dimniku. To se imenuje izokinetično vzorčenje (ang. isokinetic sampling). Izokinetično vzorčenje se uporablja pri meritvi delcev in aerosolov v termoelektrarnah, pečeh, pralnikih, izpušnih ceveh avtomobilov, itd. Tudi pri meritvah v atmosferi lahko uporabljamo to metodo. Dodaten problem pri vzorčenju v dimnikih je, da se koncentracija delcev in hitrost toka po preseku dimnika spreminjata, zato ni dovolj, če merimo v zgolj eni točki po preseku ali morda zgolj na obodu dimnika. Kako izvedemo izokinetično vzorčenje? Sistem za popolno izokinetično vzorčenje sestoji iz sonde, ki se jo vstavi v jašek in s katero lahko traverziramo (merimo v več točkah) pravokotno na smer toka. Izokinetična sonda ima vgrajeno sondo za merjenje hitrosti (Pitotova cev ali podobno), sondo za vzorčenje in senzor za merjenje temperature. Izokinetična sonda vsebuje ventil za regulacijo pretoka skozi sondo za vzorčenje. V prvem koraku izmerimo hitrost toka, pri čemer gostoto določimo na podlagi meritve temperature in poznavanja sestave medija. V drugem koraku z ventilom nastavimo ustrezen pretok skozi vzorčevalno odprtino izokinetične sonde. Vrh izokinetične sonde je prikazan na sliki spodaj.


30

Slika. Izokinetično vzorčenje v toku, ki vsebuje delce. Levo princip delovanja izokinetičnega vzorčenja in v sredini slika izokinetične sonde. Na sliki na levi je izokinetična metoda, predstavljena na primeru w=v, to je povsem levo. Na sliki v sredini je vzorčevalni del izokinetične sonde steklen, del za merjenje hitrosti in del za merjenje tempearature sta iz nerjavnega jekla. Sonda je in-stack, to pomeni, da je filter, skozi katerega teče zrak, v dimniku. Desno: in stack filter izokinetočne sonde vsebuje mesto, kamor se namesti filter za analizo delcev. Vir: www.photometer.com in www.airresourcemanagement.co.nz. Aethalometer je naprava za merjenje aerosoliranega črnega ogljika. Aerosoliziran črni ogljik je primarno onesnaževalo zraka, neposredno povezano z viri, ki ga lahko merimo z visoko časovno ločljivostjo. To je koristno, saj imajo lahko različni viri onesnaževanja različne časovne poteke in lahko potek koncentracij črnega ogljika uporabimo za vrednotenje teh virov, spremljanje učinkov omejevanja prometa ali za ločevanje med različnimi viri. Še več se lahko o virih naučimo, če izmerimo, kako se absorpcija aerosolov spreminja z valovno dolžino svetlobe. Meritve absorpcije aerosolov pri različnih valovnih dolžinah z aethalometri nam omogočajo ločevanje med različnimi viri onesnaženja zraka. V Sloveniji v Ljubljani v podjetju Aerosol d.o.o. proizvajajo aethalometre Magee Scientific. Vir svetlobe v teh inštrumentih so svetleče diode s karakterističnimi valovnimi dolžinami 370 nm, 470 nm, 520 nm, 590 nm, 660 nm, 880 nm and 950 nm. Meritve v tako širokem spektru omogočajo karakterizacijo virov onesnaženja z meritvami od ultravijolične svetlobe do infardeče. Zrak se vzorči skozi neselektiven vzorčevalni vhod ali pa iz vzorčevalnega sistema za meritve plinov na merilnih postajah državne mreže. Zrak teče skozi kvarčni filtrski trak, na katerem se nabirajo aerosoli. Nad filtrom je vir svetlobe, pod njim pa detektorji, s katerim merimo padec intenzitete svetlobe zaradi absorpcije v nabranih aerosolih. Koncentracijo črnega ogljika izračuna inštrument iz hitrosti spreminjanja atenuacije infrardeče svetlobe. Atenuacija je naravni logaritem razmerja intenzitet svetlobe na detektorju pod referenčnim delom traku in pod tistim delom, kjer vzorčujemo aerosole. Atenuacija je izmerjena glede na referenčni čist del traku, skozi katerega zrak ne teče, in se zato na njem aerosoli ne nabirajo. Na filtru se nabirajo ogljični aerosoli, ki absorbirajo svetlobo, kar povzroči padanje prepustnosti filtra za svetlobo in rast atenuacije. Pretok zraka skozi filter se meri z merilcem masnega pretoka zraka, s čimer se regulira črpalka za zrak. Aethalometer meri koncentracije vsakih nekaj minut. Iz meritev sprememb prepustnosti filtra se izračuna spremembo atenuacije in iz te, z uporabo znanega absorpcijskega preseka, koncentracijo črnega ogljika v zraku. Ko se na filtru nabere dovolj aerosolov, da atenuacija naraste do nastavljene vrednosti, se filtrski trak premakne in meritve se začnejo na svežem delu filtra.


31

Slika. Shema delovanja aethalometra. Vir: www.wweb.uta.edu. Nefelometer je merilni inštrument za merjenje neprosojnosti oziroma motnosti fluidov (tekočin in plinov). Neprosojnost oziroma motnost je lastnost fluidov, ki opisuje prisotnost trdnih delcev, suspendiranih v zraku ali raztopini. Merilni inštrument nefelometer se imenuje tudi turbidimeter pri merjenju suspendiranih trdnih delcev v vodi. Nefelometrija je metoda, s katero se določa koncentracija trdnih delcev v suspenziji, vrednoti pa se jih za znane delce. Osnovana je na elastičnem sipanju elektromagnetnega sevanja na suspendiranih trdnih delcih v zraku. Nefelometer meri zmanjšanje jakosti prepuščenega sevanja ali jakost na stran sipanega sevanja kot posledica potovanja svetlobe skozi trdne delce. Sipanje elektromagnetnega sevanja na suspendiranih trdnih delcih se imenuje tudi Tyndallov pojav. Sipanje je lahko Rayleighovo, Debyjevo ali Miejevo sevanje, odvisno od velikosti delcev. Če je dimenzija delcev reda velikosti valovne dolžine vpadnega sevanja ali manjša, se bo sevanje razpršilo, če pa je večja, se bo sevanje odbilo. Modra svetloba se sipa močneje kot rdeče, zaradi česar je tudi nebo modre barve - Rayleighovo sipanje. Merilni inštrumenti, ki se koristijo v nefelometriji, so zelo podobni spektrometrom, lahko pa se za meritve uporabljajo tudi spektrofotometri ali celo kolorimetri. Enoti, v katerih se prikazuje motnost, sta NTU (nefelometrične turbidimetrične enote, ang. Nephelometric Turbidity Units) ali FTU (ang. Formazine Turbidity Units).

Slika. Shema delovanja nefelometra. S številkami so označeni sestavni deli nefelometra: 1. izvor svetlobe, 2. leča, 3.zaslonka, 4. okrogla kiveta z vzorcem, 5. fotometer s filtri ali fotomultiplikator, 6. sipano sevanje pod kotom 90°. Vir. Wikipedija.


32

Atmosferski delci so kompleksna mešanica organskih in anorganskih komponent in so vpleteni v številne procese, sodelujejo pri različnih kemijskih in fizikalnih pretvorbah v onesnaženi atmosferi in pri nastanku kislega dežja, vplivajo na vidnost in električne lastnosti atmosfere. Koncentracija in sestava sta odvisni predvsem od emisijskih virov (naravnih in antropogenih) ter od meteoroloških pojavov. Iz analize filtra z depozitom delcev PM10 ali PM2.5 dobimo podatek o vsebnosti težkih kovin, policikličnih aromatskih ogljikovodikov (PAH), ionov, elementarnega in organskega ogljika (EC/OC) ter levoglukozana v delcih, saj se le-ti v zrak sproščajo v obliki delcev in pare.

2.3.5. Plini

2.3.6 Merjenje koncentracije plinov

Koncentracije plinov v okolju in na izvoru onesnaževanja (dimniki in izpuh motorjev z notranjim izgorevanjem) merimo z različnimi tipi merilnikov. V grobem jih ločimo glede na tip meritve (UV, IR itd.) ali pa glede na čas uporabe (kontinuirni ali občasni). Mejenje koncentracije plinov včasih poteka z optičnimi metodami. Na sliki sta spekter elektromagnetnega valovanja.

Slika. Spekter elektromagnetnega valovanja.

Slika. Absorbcija elektromagnetnega valovanja v atmosferi.


33

2.3.6.1. Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence (UVF)

Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence (ang. ultraviolet fluorescence) je kontinuirna metoda merjenja. Uporablja se za merjenje žveplovega dioksida SO2 v okoliškem zraku ali v dimnih plinih, lahko pa se z metodo meri tudi koncentracije naslednjih plinov: NO, NO2, in H2S. Metoda temelji na fluorescenci žveplovega dioksida v plinu, ki ga v merilni celici osvetlimo z ultravijolično svetlobo. Izsevana (fluorescirana) svetloba je tudi v ultravijoličnem področju, vendar pri daljših valovnih dolžinah kot svetloba, ki fluorescenco vzbuja. Najprimernejši interval valovne dolžine vzbujevalne svetlove je od 190 do 230 nm, meritev fluorescence pa poteka v širokem pasu okrog približno 320 nm. V intervalu valovnih dolžin od 190 do 230 nm žveplov dioksid absorbira svetlobo brez da bi prišlo do dušenja v zraku ali drugimi molekulami v onesnaženem zraku. Za merjenje se uporablja optični filter in UV fotocelica, ki je običajno nameščena pravokotno na vzbujevalni snop svetlobe. Svetlobo za vzbujanje lahko zagotovimo npr. s cinkovo sijalko. Navedene valovne dolžine ne omejujejo uporabe pri nekoliko drugačnih valovnih dolžinah. Na splošno velja, da merilna metoda zahteva, da iz merjenega vzorca plina odstranimo različne spojine, ker motijo meritev tako, da prav tako fluorescirajo pri podobnih valovnih dolžinah. Najbolj znan vir motenj predstavljajo aromatski ogljikovodiki, vodna para, kisik, delci in dušikov oksid NO. Pri meritvah okoliškega zraka, kjer so koncentracije vodne pare nizke, vodna para ne predstavlja problemov pri meritvi. Pri meritvah plinov iz dimnikov pa je lahko koncentracija vodne pare zelo visoka, zato je pred meritvijo potrebno iz vzorca odstraniti vso vodno paro. Delce iz vzorca odstranimo s filtrom. Policiklične aromatske ogljikovodike odstranimo s pralnikom. Pralniki lahko delujejo pri sobni ali povišani temperaturi. Merilni inštrument moramo kalibrirati, zaradi česar so inštrumenti opremljeni s priključki za kalibracijo. Pri nekaterih inštrumentih je to izvedeno izmenično z meritvijo, nekateri pa imajo dve kiveti in dva senzorja, v tem primeru poteka kalibracija hkrati z meritvijo.

Slika. Merilnik koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence model Siemens SIPROCESS UV600 (levo). Merilnik meri koncentracije NO, NO2, SO2 in H2S. Desno: shema meritve z metodo ultravijolične fluorescence. Vir: www.automation.siemens.com.

2.3.6.2. Merjenje koncentracije plinov s kemiluminiscenčno metodo (CLD)

Prav tako kot prej navedena metoda ultravijolične fluorescence za merjenje SO2 je tudi merjenje koncentracije NO, NOx in NH3 s kemiluminiscenčno metodo kontinuirna metoda. Koncentracije NO in NOX se običajno merijo s kemiluminiscenčno metodo (CLD, ang. chemi lumiscence detector). Kemiluminiscenčna metoda se uporablja predvsem zato, ker je zelo občutljiva in ker ne prihaja zlahka do motenj zaradi prisotnosti drugih plinov. Princip kemiluminscence je sledeč. Molekula NO je relativno nestabilna molekula. Ko vzorec plina z NO, ki ga merimo, zmešamo z ozonom O3, se NO oksidira in pretvori v NO2. Merilni inštrumenti imajo zato vgrajen generator ozona.

NO + O3 NO2 + O2


34

Del NO2, ki nastane, je v vzbujenem stanju, kar pomeni, da je njegova energija višja kot normalno. Vzbujene molekule NO2 sproščajo energijo kot svetlobo, ko se vračajajo v osnovno stanje.

NO + O3 NO2*+ O2

NO2* NO2 + h

Z NO2

* označujemo molekule NO2 v vzbujenem stanju. Ta pojav se imenuje kemiluminiscenca. Če je količina ozona dovolj velika, da se vzbudijo vse molekule NO2

*, je jakost sevane svetlobe sorazmerna količini molekul NO pred reakcijo. Zato je možno koncentracijo NO določiti z merjenjem emisije svelobe. Pri zgornji enačbi prihaja do motenj zaradi prisotnosti CO2 in H2O. Nekaj izmed vzbujenih molekul NO2 zgubi energijo s trkom z drugimi molekulami še preden preidejo v osnovno stanje z izsevanjem fotona. V tem primeru se NO2 vrne v osnovno stanje, toda ne pride do kemiluminiscence.

NO2* + M NO2 + M

Z M označujemo druge molekule. Verjetnost za izgubo energije na gornji način je odvisna od tipa molekule, v katero se zadane vzbujena molekula NO2

*. Včasih občutljivost kemiluminiscenčne metode na NO zavisi od tipa in koncentracije plina, ki je prisoten poleg NO. Poznano je, da je pri izpušnih plinih motorjev z notranjim izgorevanjem verjetnost za izgubo energije s CO2 in H2O večja kot verjetnost za izgubo zaradi N2 in O2 in da sprememba koncentracij CO2 in H2O vpliva na spremembo občutljivosti na NO. NO2, ki je v vzorcu že od začetka, nima kemiluminiscenčnih lastnosti in ga s kemiluminiscenčno metod ne moremo izmeriti. Zato ga pred meritvijo pretvorimo v NO z NOx konverterjem.

NO2 + C NO + CO ali

2NO2 + C 2NO + CO2 Ogljik, ki je glavna komponenta NOx konverterja, se porablja pri zgornji redukciji. Na podoben način lahko v NO pretvorimo tudi NH3.

NH3 + O2 NO + H20 ali

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O Merjenje koncentracije NO in NO2 je možno tudi z infrardečo metodo.

Slika. Princip delovanja kemiluminiscenčne metode CLD. Reakcija je hitra, zato mora biti senzor svetlobe tudi zelo hiter.


35

2.3.6.3. Merjenje koncentracije plinov z infrardečo spektroskopijo (NDIR)

Merilni inštrumenti, ki delujejo na principu infrardeče spektroskopije, so zelo uporabni za merjenje npr. dimnih plinov, ki nastajajo v termoelektrarnah ali za izpušne pline motornih vozil. Primer merilnika je Siemens Ultramat 23, kakršen je prikazan na sliki, ali pa Horiba OBS 2200. Metoda se označuje s kratico NDIR oziroma ang. Non Dispersive InfraRed spectroscopy. Z infrardečo spektroskopijo lahko merimo koncentracije naslednjih plinov: CO, CO2, NO, SO2, CH4 in H2S.

Slika. Levo: analizator dimnih plinov Siemens Ultramat 23. Analizator deluje po metodi infrardeče spektroskopije, za merjenje koncentracije kisika pa ima vgrajen (desno spodaj, kjer je ploščica, ki se privijači na sprednjo ploščo analizatorja) elektrokemično celico za merjenje koncentracije kisika. Vir: www.automation.siemens.com. Desno: analizator dimnih plinov Horiba OBS-2200 za uporabo v motornih vozilih deluje na principu infrardeče spektroskopije, plamenske ionizacijske detekcije in kemiluminiscenčne metode. Merilni princip temelji na absorpciji molekul posameznega plina, kot to npr. prikazuje slika. Od tu dalje se tehnične izvedbe različnih proizvajalcev razlikujejo, npr. imamo izvedbe z enim ali dvema žarkoma. V preteklosti je bilo ta merilni princip nemogoče uporabiti v praksi, ker ima vsak plin več posameznih vrhov, kjer absorbira IR valovanje, to je več vrhov v spektru absorbcije na sliki. Kasneje so razvili inštrumente, ki imajo ločene celice za vsak plin posebej. V Evropi zelo razširjen inštrument je Siemens Ultramat 23, ki ima en žarek. Vir sevanja deluje pri 600°C in seva IR sevanje, ki ga seka vrteče kolo, frekvenca katerega je pri npr. Siemens Ultramatu 23 8.3333Hz. Vrteče kolo poganja sinhroni motor. Okrog vira sevanja je reflektor, ki usmeri večino žarkov v celico. Infrardeče valovanje nato prehaja skozi merilno celico, ki je sestavljena iz več delov. V prvem delu je v plinski komori merjeni plin. Merjeni plin zadrži del sevanja iz IR vira. To se zgodi glede na sestavo plina in absorbcijo vsake posamezne komponente plina. Iz plinske komore z merjenim plinom svetloba skozi steklo prehaja v sprejemne komore. Tudi v teh sprejemnih komorah je plin, katerega koncentracijo merimo in sicer v znanih koncentracijah in neprodušno zaprt. Te so izvedene iz dveh ali treh delov in so povezane med seboj preko tanke cevke z vgrajenim mikro merilnikom pretoka. Prva merilna komora absorbira energijo iz pretežno srednjih delov IR absorpcijskih pasov plina. Druga in tretja komora absorbirata energijo iz stranskih delov v IR absorbcijskih pasov plina. Energija IR svetlobe iz sredine pasov ne prodre v drugo ali tretjo merilno komoro, ker se močno abrorbira v prvi merilni komori. V merilnih komorah, kjer se absorbira IR sevanje, se temperatura plina v celici poveča in s tem se poveča tudi tlak. Nekateri starejši analizatorji so merili tlak v komori, novejši pa merijo pretok iz prve v drugo merilno celico in obratno. Mikro senzor za pretok je vgrajen v cevko, ki povezuje merilne komore. Volumen druge in tretje komore lahko spreminjamo z loputo, pri čemer se spreminja občutljivost inštrumenta. Vrteč zaslon ustvarja pulzirajoč tok energije iz IR luči in temu sledi mikro merilnik pretoka, ki pretok pretvarja v električni signal. Mikro merilnik pretoka je izveden iz mreže vročih žičk, ki so zgrete na približno 120°C, ki skupaj s tremi drugimi upori tvorijo


36

Wheatstonov mostiček. Merilnik je torej podoben v delovanju merilniku hitrosti na vročo žičko. Pretok plina čez mikro merilnik pretoka je sorazmeren koncentraciji merjenega plina. Komora za merjeni plin in s tem merilna celica se ne sme nikoli umazati. Zato je potrebno plin, preden vstopi v komoro, očistiti. Prav tako je potrebno preprečiti vstop vodi in kondenzatu. Zaradi tega je potrebno plin pred merjenjem ustrezno pripraviti.

Slika. Absorpcija infrardeče svetlobe s plini v atmosferi. Vir: Wikipedia.

Slika. Delovanje analizatorja, ki deluje na principu infrardeče spektroskopije. 1 kapilara, 2 druga plast detektorja, 3 mikro merilnik pretoka, 4 komora za merjeni plin, 5 kolo (ang. chopper wheel), 6 sinhroni motor, 7 IR izvir, 8 odbojnik, 9 okno, 10 okno, 11 prva plast detektorja, 12 tretja plast detektorja. Vir: www.automation.siemens.com. Zgoraj navedena merilna metoda ni edina možnost. Npr. za merjenje izpušnih plinov vozil proizvajalec Horiba uporablja v sistemu OBS-2200 analizator, ki nima dveh ali treh merilnih komor. Merilna celica je za vsakega izmed merjenih plinov opremljena s filtri z ustreznimi valovnimi dolžinami in trdnimi (ang. solid state) senzorji. Infrardeča svetlopa prehaja slozi celico z merjenim plinom, se modulira z rotirajočim zaslonom, potem pa prispe na senzorje. Optični filtri so izbrani tako, da so primerni za vsako posamezno merjeno komponeto plina (CO2, CO ali H2O). V celici z merjenim plinom se zaradi absorpcije z merjenim plinom vpadna svetloba na senzorje oslabi. Celica z merjenim plinom je zgreta na 60°C. Slabljenje je v neposredni povezavi s koncentracijo merjenega plina. Koncentraciji CO in CO2 se določita na ta način direktno iz odziva posameznega senzorja. V celici s


37

plinom se meri koncentracija H20 in se uporablja za korekcijo slabljenja ostalih merjenih plinov. Zaradi tega je možno merjenje koncentracije plinov brez odstranjevanja vode iz izpušnih plinov.

Slika. Shema delovanja NDIR analizatorja Horiba OBS-2200 za uporabo v vozilih. Pred merjenjem iz izpušnih plinov ni potrebno odstraniti vode. Vir: www.horiba.com

2.3.6.4. Merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID

S plamensko ionizacijskim detektorjem merimo koncentracijo organskih ogljikovodikov v izpušnih plinih. Kratica FID je okrajšava za (ang.) Flame Ionisation Detector. Glavni del plamensko ionizacijskega detektorja je vodikov gorilnik, v katerega priteka tok nosilnega plina, sintetičnega zraka in merjenega plina (vsi se v gorilniku zmešajo). Kot nosilni plin se uporablja vodik, ker ne vsebuje ogljika. Gorilnik je obdan s kolektorsko elektrodo, med njima pa je napetostni potencial nekaj sto voltov. Pri sežigu organskih snovi nastajajo nabiti delci (ioni in elektroni), zaradi katerih na kolektorsko elektrodo steče električni tok (približno 10-12 A), ki je proporcionalen količini organskih ogljikovodikov v merjenem izpušnem plinu. Detektor ne zaznava negorljivih plinov (npr. vode, CO2, SO2 in NOx). Pri gorljivih organskih snoveh pa je občutljivost odvisna od funkcionalnih skupin; heteroatomarne skupine npr. zmanjšajo elektronski tok. Detektor prav tako ne zaznava anorganskega ogljika. Ker merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID s plamenom oksidira vse spojine, se vsi ogljikovodiki oksidirajo do ogljikovega dioksida in vode. Zato je merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID vedno zadnja v vrsti meritev koncentracije. Kot sintetični zrak uporabljamo mešanico kisika in dušika. Sintetični zrak ne vsebuje primesi, še posebej ne organskih ogljikovodikov. Sintetični zrak uporabljamo za potrebe dovajanja oksidanta za gorenje v celici FID. Sintetični zrak shranjujemo v prvi jeklenki. Kot nosilni plin uporabljamo mešanico helija in vodika, na Katedri za energetsko strojništvo uporabljamo mešanico v razmerju 60:40. Helij in vodik ne vsebujeta ogljika. Nosilni plin shranjujemo v drugi jeklenki. Za kalibracijo uporabljamo kalibracijski plin, ki je na Katedri za energetsko strojništvo običajno mešanica CO, CO2, HC (v obliki propana s koncentracijo 135 ppm) in NOX (v obliki NO2). Kalibracijski plin imamo shranjen v tretji jeklenki, ni pa nujno da uporabimo natančno prej navedeno koncentracijo propana. Mešanico uporabljamo, zato, da je uporabna tudi za kalibracije drugih merilnikov. Cev za vzorčenje izpušnih plinov za meritve koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID mora biti ogrevana za potrebe merjenja koncentracije izpušnih plinov vozil na 191°C. Vsi ogljikovodiki ostanejo v plinskem stanju pri navedeni temperaturi 191°C. Cev zato ogrevamo, je pa cev tudi izolirana.


38

Slika. Postopek merjenja z metodo FID. Vir: www.horiba.com

2.3.6.4. Merilniki, ki delujejo na osnovi elektrokemičnih merilnih celic

Merilnike koncentracij plinov, ki imajo vgrajene elektrokemične merilne celice, se uporablja predvsem za merjenje delovanja kurilnih naprav v individualnih hišah in stanovanjih in za analizo manjših industrijskih naprav. Merilniki, ki delujejo na osnovi elektrokemičnih merilnih celic, običajno niso namenjeni opravljanju trajnih meritev brez prekinitev. Življenjska doba merilnih celic je odvisna tudi od uporabe, vzdrževanja in nege merilnika. Pri kisikovi celici le ta znaša običajno ca. 2 leti, pri CO merilni celici ca. 2-4 leta in pri NO celici pa ca. 3 leta. V kombinaciji z merilniki koncentracij plinov proizvajalci dobavljajo vzorčevalne sonde sonde v različnih izvedbah. Življenjska doba elektrokemične celice je tem dajša, čim več se uporablja elektrokemična celica.

Slika. Prenosni ("dimnikarski") merilnik koncentracije dimnih plinov (levo), izločevalnik kondenzata – kondenzatni lonček s filtrom (sredina) in sonda (desno): 1 sondirna cev, 2 cevni konus iz nerjavečega jekla, 3 trikratna cevna napeljava, 4 priključek za merjenje izpušnih plinov, 5 priključek za merjenje vleka, 6 priključek za merjenje temperature. Vir: www.mru.si. Za merjenje vsebnosti kisika (O2) v dimnih plinih so vgrajene elektrokemične merilne celice z dvema elektrodama. Merjenje toksičnih plinov, kot so ogljikov monoksid (CO), dušikov oksid (NO), dušikov dioksid (NO2) in žveplov dioksid (SO2) pa se izvaja z elektrokemičnimi merilnimi celicami s tremi elektrodami. Elektrokemični senzorji delujejo na pricipu difuzije plina. Prednost tega principa je direktna proporcionalnost in linearnost signala koncentraciji (% ali ppm) merjenega plina. Vse tri elektrode se imenujejo S (sensing electrode), C (counter electrode) in R (reference electrode). Kisikova elektrokemična celica je za merjenje dimnih plinov npr. v elektrarnah zelo uporabna, ker je stabilna in robustna, bolj kot je robustna npr. naprava za paramagnetično merjenje koncentracije kisika.


39

Elektrokemična celica deluje po principu gorivne celice. Plin v celico vstopi preko membrane z difuzijo. Nato plini potujejo ob elektrodi S in na njeni površini reagirajo oksidativno (npr. CO, SO2, NO) ali redukcijsko (npr NO2 in Cl2). Primer za CO elektrokemično merilno celico: Na elektrodi S reagira CO kot je navedeno:

CO + H2O CO2 + 2H+ + 2e- Na drugi strani, na elektrodi C pa pride do redukcije kisika iz zraka v vodo:

O2 + 2H+ + 2e- H2O Proizveden tok je nizek, nekaj mikroamperov. V kisikovi celici je prisoten tudi merilnik temperature, saj je temperatura tudi parameter pretvorbe koncentracije v električni tok. V analizator plinov je vgrajen A/D pretvornik, ki tok izmeri in ga preko mikroprocesorja pretvori v ustrezno vrednost koncentracije.

Slika. Zgradba elektrokemičnih celic za merjenje koncentracij plinov. 1 merjeni plin, 2 prašni filter, 3 S-elektroda, 4 R-elektroda, 5 C-elektroda, 6 priključni kontakt, 7 zbiralnik elektrolita, 8 elektrolit, 9 kapilarna membrana. Vir: www.mru.si.

2.3.6.5. Difuzivni vzorčevalniki

Difuzivni vzorčevalniki merijo prisotnost določenih snovi v zunanjem zraku z metodo pasivnega vzorčenja, kar pomeni, da vanje zraka ne dovajamo s pomočjo črpalke, pač pa so le izpostavljeni zunanjim razmeram. Stopnja vzorčenja je nadzorovana s stopnjo difuzije onesnažila. Difuzivni vzorčevalniki so tako cevke, v katerih se vzpostavi linearen difuzijski gradient med koncentracijo v zraku na eni strani in ničelno koncentracijo na drugi strani cevke, kjer je nameščen adsorbent. Molekule plina potujejo do adsorbenta po principu difuzije. Prednost merjenja z difuzivnimi vzorčevalniki so, da le-ti ne potrebujejo elektrike, so tihi, ne potrebujejo kalibracije na terenu, imajo širok koncentracijski razpon, so stroškovno učinkoviti, meritve pa izvajajmo in situ. Seveda pa imajo tovrstne meritve tudi slabosti, saj je potrebno veliko ročnega dela v laboratoriju, dobimo pa lahko le povprečne koncentracije v času, ko je bil vzorčevalnik postavljen na merilno mesto. Primer merjenja koncentracije plina z difuzivnimi vzorčevalniki je merjenje koncentracije benzena, toluena, etilbenzena in m, p, o-ksilena (BTX). Če nas pri meritvah s difuzivnimi vzorčevalniki zanima splošno stanje kakovosti zunanjega zraka na določenem področju, moramo izbrati za difuzivni vzorčevalnik primerno mesto in paziti, da meritve ustrezajo minimalnim zahtevam za zagotavljanje kakovostnih podatkov. V Sloveniji je to Pravilnik o monitoringu kakovosti zunanjega zraka, Ur.l.RS, št.127/2003. Pri izpostavitvi vzorčevalnikov moramo


40

med drugim paziti, da so izpostavljeni minimalno 14% časa v letu in da jih izpostavimo ob različnih letnih časih, da se izognemo nenamenskim nesimetričnim rezultatom. Odločiti se moramo ali nas zanima izpostavljenost prebivalstva ali pa stopnja onesnaževanja določenega vira. Zaradi tega se je razvila klasifikacija merilnih mest, ki jo delimo na tip območja, značilnost območja, tip merilnega mesta in na geografsko značilnost.

Slika. Ohišje z več difuzivnimi vzorčevalniki, ohišje je nameščeno na drog javne razsvetljave. Vir: ARSO.

2.3.7. Vzorčenje dimnih plinov v pretočnih kanalih termoelektrarn

V okoljskem strojništvu se pogosto srečujemo z nalogo vzorčevanja dimnih plinov v pretočnih kanalih termoelektrarn. Na tem mestu želimo navesti nekaj praktičnih napotkov za uspešno merjenje, v okviru Katedre za energetsko strojništvo izvaja meritve Laboratorij za termoenergetiko.

Slika. Time stamp, termoelektrarna Šoštanj. Največjo merilno negotovost pri meritvah predstavlja neenakomerna porazdelitev koncentracije v običajno zelo velikem preseku kanala. Zaradi tega vzorčimo dimne pline v kanalu, če je to le mogoče, na več mestih hkrati s fiksno postavljenimi vzorčevalnimi cevkami (slika) ali pa traverziramo kanal s premično cevko. Če vzorčimo na več mestih hkrati, moramo zagotoviti, da je upor v vseh cevkah


41

enak. To naredimo tako, da pretok skozi analizator (npr. 3 l/min) razdelimo na npr. 6 cevk, tako da je pretok po vsaki 0.5 l/min. Pretok izmerimo v vsaki cevki posebej z rotametrom s kroglico, nastavimo pa z igelnim ventilom. Tak postopek nam omogoča določiti povprečno sestavo merjenih dimnih vplivov, pri kateri pa ni upoštevan vpliv hitrosti, ki lahko pomembno vpliva na izračun povprečne sestave. Tej pomanjkljivosti se lahko izognemo s traverziranjem kanala s kombinirano sondo, ki omogoča sočasno vzorčevanje dimnih plinov in merjenje hitrosti, ki jo nato v izračunu povprečne sestave uporabimo kot utež. V dimnem kanalu je lahko na določenih mestih koncentracija prašnih delcev zelo velika. V posameznih primerih se luknjica odjemne sonde zamaši in jo je potrebno prepihavati, včasih pa celo mehansko očistiti s kovinsko palico manjšega zunanjega premera od notranjega premera sonde. Da zmanjšamo možnost zamašitve, uporabimo zaslone ali pa labirinte nastavke ali temperaturno obstojne filtre, ki jih namestimo na ustje sonde v dimnem kanalu. Praviloma morajo biti cevke in filtri, ki povezujejo dimni kanal s sistemom za pripravo vzorca dimnih plinov za analizo, električno ogrevane na temperaturo, ki je višja od temperature kondenzacije plinov, ki jih vsebujejo dimni plini. Običajno znaša ta temperatura 180 °C, kar presega temperaturo kondenzcije žveplene kisline, ki je vedno prisotna pri zgorevanju goriv fosilnega izvora. Čim pride do kondenzacije znotraj vzorčevalnega sistema se sestava dimnih plinov (npr. vsebnost SO2) spremeni in ni več taka kot v kanalu. Kadar nas zanimajo komponente dimnih plinov, ki ne kondenzirajo ali ki se slabo topijo v vodi, lahko uporabljamo neogrevane povezovalne cevke, ki so večinoma silikonske. Za daljše sekcije (npr. 50 m) se uporablja plastične cevke. Prednost silikonskih cevk pred plastičnimi je, da je z njimi možno doseči boljšo tesnost sistema na spojih. Silikonske cevke na koncih nakuhavamo, to pomeni, da jih pomočimo v vrelo vodo, da se zmehčajo in raztegnejo in jih tesno nataknemo na priključek. Pri silikonskih cevkah pazimo, da se na dvižnih vodih zaradi lastne teže ne raztegnejo preveč, saj v tem primeru postanejo porozne. Pred meritvijo moramo vedno zelo (!) natančno preveriti, da sistem za odjem, to je napeljava od merilnega mesta do analizatorja, ne pušča. Če merimo koncentracije npr. kisika v dimnem kanalu, ki znaša med 2 % in 10 %, ne smemo dopustiti, da v napeljavo vdre okoliški zrak s koncentracijo 21%. Zato je izjemno pomembno, da celotno napeljavo izvedemo plinotesno. Če so napeljave zelo razvejane, je spojev veliko, kar povečuje verjetnost puščanja. Dodaten problem predstavlja dejstvo, da so vsi sistemi povezani s kurilnimi napravami, ki transportirajo dimne pline, vedno v podtlaku. To je s stališča varnosti potrebno zato, da se prepreči uhajanje dimnih plinov v okolico kurilne naprave. Zato je za izsesavanje potreben večji podtlak in s tem je možnost puščanja še večja. Velike vdore je okoliškega zraka v merilni sistem je možno enostavno ugotoviti, če se npr. koncentracija kisika poveča iz pričakovane vrednosti na vrednost blizu 21%. To je v primeru, da se cevka sname s priključka ali če se cevka strga. Mikro vdore je po drugi strani mnogo težje zaznati. Pri montaži priključkov in pri natikanju cevk moramo paziti, da so vse površine čiste. Plinotesnost preverjamo na naslednji način. Cevko takoj za odjemom iz kanala tesno zatesnimo s stiščkom. Nato pri analizatorju vgradimo v sistem črpalko, ki ustvari v celotni napeljavi velik podtlak. Nato cevko na izstopu iz črpalke pomočimo v vodo. V vodo začnejo izhajati mehurčki, ki pa jih je s časom čedalje manj, ko se zrak iz napeljave počasi izčrpava. Tesnenje je dovolj dobro, če črpalka načrpa oziroma če se v vodi pojavi en mehurček vsakih približno 20 sekund.


42

Slika. Levo: odjemi dimnih plinov na steni, zeleni kabli so za merjenje temperature, silikonske cenke pa za odjem dimnih plinov. Desno: odjemno mesto na dimniku za merjenje delcev ali plinov z izokinetočno metodo.

Slika. Priprava za zagoravljanje pretoka čez dva odjemna priključka oziroma odjemni mesti. Spodaj sta dva rotametrična merilnika pretoka s kroglico in igelnim ventilom za izenačevanje pretokov v obeh odjemnih vejah. Zgoraj je filter za trdne delce, vata v stekleni cevki. Vsi evropski standardi s področja merjenja koncentracij dimnih plinov predpisujejo merjenje suhih plinov, zato je potrebno pred analizo sestave dimnih plinov iz dimnih plinov izločiti vlago. Vlago iz dimnih plinov izločimo tik pred analizatorjem na dva načina, s hladilnikom ali s silikagelom. Hladilnik ohladi dimne pline na 3 - 4 °C, pri čemer se iz dimnih plinov izloči večina vlage, tako da v analizatorju ne more priti do nezaželjene kondenzacije. Komercialni hladilniki dimnih plinov imajo lahko več (npr. 4) hladilne celice, kar omogoča hlajenje štirih različnih vzorcev plina. Hladilniki običajno delujejo na osnovi peltierovega principa. Vsaka hladilna celica ima zgoraj dva priključka, spodaj pa lonček za kondenzat. Na spodnji strani je potrebno kontinuirno in plinotesno odstranjevati kondenzat, za kar služijo peristaltične črpalke. Silikagel je sredstvo, ki nase veže vlago. Uporablja se npr. silikagel modre barve, ki postane rdeč, ko se nasiti z vlago. Takrat ga je potrebno zamenjati. V preteklosti se je zaradi varčevanja silikagel sušilo. V tem primeru je bil spet uporaben, vendar je ostal rdeč in barva v takem primeru ni več služila kot indikator izrabljenosti silikagela.


43

Slika. Levo: sušenje dimnih plinov s silikagelom. Silikagel je v vsaki izmed posod s spodnje in zgornje strani omejen z vato, ki drži silikagel na mestu in skrbi za odstranjevanje nečistoč. Zadaj je en obrnjeno postavljen lonček, ki služi odstranjevanju kondenzata. Pretok v steklenem lončku je majhen, zato se dimni plini v njem zadržujejo dalj časa, dovolj, da se ohladijo in oddajo vlago. Desno: hladilnik hladi dimne pline na v tem primeru 2.9°C. Na sprednji strani sta vidni dve peristaltični črpalki, peristaltične črpalke se uporabljajo za odvod kondenzata brez da bi v sistem vdrl okoliški zrak. Pretok skozi analizator dimnih plinov zagotavlja membranska črpalka, ki je običajno nameščena v analizatorju. Pretok, ki ga črpalka zagotavlja, je približno 3 l/s. Če želimo povečati odzivnost sistema, uporabimo dodatno črpalko. Uporabljamo jo za povečanje pretoka dimnih plinov od mesta vzorčenja do analizatorja, pri čemer je tok skozi analizator vedno enak, saj tako zahteva merilna metoda za merjenje. Odvečen plin spustimo iz napeljave pred analizatorjem. Pline je pred vstopom v analizator dimnih plinov potrebno tudi očistiti trdnih delcev. To storimo v več stopnjah. Na začetku odstranimo najbolj grobe delce z vato (slika). Potem vstopijo dimni plini, očiščeni grobih delcev, v analizator. Na analizatorju sta običajno še dva filtra. Prvi filter je običajno grobi filter za trdne delce (za uporabo za merjenje koncentracije dimnih plinov v kanalih termoelektrarn se ta majhen filter prehitro umaže, zato uporabljamo pred njim še prej opisane posodice z vato). Kasneje vstopa zrak v še en finejši filter. Filtri so sintrani, PTFE ali papirnati in imajo zelo različne velikosti in število por.


44

Slika. Levo: Merjenje koncentracije dimnih plinov z IR analizatorjem dimnih plinov Siemens Ultramat 22. Na sliki sta dve stekleni posodi z vato za odstranjevanje trdnih delcev iz dimnih plinov. Dimni plini prehajajo skozi obe posodi zaporedno. Na analizatorju je na desni strani pred elektrokemično celico za merjenje koncentracije kisika dodatni filter za kondenzat in v njem grobi filter za trdne delce (za uporabo za merjenje koncentracije dimnih plinov v kanalih termoelektrarn se ta majhen filter prehitro umaže, zato uporabljamo pred njim še prej opisane posodice z vato). Na sredini analizatorja je še en finejši papirnati filter pod steklenim pokrovčkom. Desno od prikazovalnika je rotametrični merilnik pretoka s kroglico, ki lebdi v zračnem toku, kroglica mora lebdeti na sredi, pri čemer je pretok približno 3 l/s, pri novejših analizatorjih pa malo manj. Desno: v analizatorju plinov ABB je pod filtrom črpalne enote nameščen senzor vlage, če se na filtru nabere vlaga, se zmanjša upornost med obema kontaktoma in delovanje črpalke in analizatorja se prekine. Pri merjenju npr. dušikovega monoksida NO to v dimnih plinih termoelektrarn poteka večinoma v koncentracijah 0-1000 ppm. Meritve običajno izvajamo z infrardečo spektroskopijo. V tem primeru za kalibracijo uporabimo dva kalibracijska plina N2 za določanje ničle in npr. NO v N2 s koncentracijo 600 ppm. Včasih uporabljamo tudi kalibracijo z mešanico plinov v N2, npr. CO, CO2 in NO v N2 v eni jeklenki (npr. 1000 ppm CO, 11% CO2 in 1000 ppm NO). Proizvajalec tehničnih plinov (npr. Messer Ruše) zmeša pline v poljubnem razmerju, kakor ga potrebujemo. Če uporabljamo kvalitetne analizatorje kot je npr. Siemens Ultramat 23, uporaba mešanice ne moti rezultatov. Nekateri analizatorji plinov imajo vgrajene ampule z mešanicami plinov, ki jih avtomatsko odprejo in se po potrebi kalibrirajo avtomatsko. Elektronski analizatorji imajo namenske priključke za dovod kalibracijskih plinov. Kalibriranje se lahko izvaja avtomatsko na določene časovne periode z uporabo elektromagnetnih ventilov, ki izmenično spuščajo skozi analizator kalibracijske in merjene pline. Na terenu običajno kalibracijo izvedemo tako, da odklopimo cevko z merjenim plinom in nataknemo na analizator cevko iz kalibracijske jeklenke. Kalibriramo večinoma na eno uro delovanja, kadar meritev traja dalj časa. Na primer pri merjenju izkoristka velikih kurilnih naprav meritev običajno traja tri ure. Za krajše meritve je dovolj, da izvedemo kalibracijo pred in po meritvi. Kalibracijo merilnikov kisika lahko v praksi pogosto izvedemo kar z okoliškim zrakom. Večinoma je v velikih presekih dimnikov termoelektrarn merilna negotovost zaradi vzorčenja večja kot je merilna negotovost zaradi kalibracije kisika z okoliškim zrakom.


45

Kalibracijski plini imajo po zagotovilih proizvajalca rok trajanja 12 mesecev. Okoliški zrak v jeklenko ne more vdreti, ker je kalibracijski plin v njej pod zelo visokim tlakom.

Slika. Jeklenke s kalibracijskimi plini. Za vsak plin je potrebno uporabiti ustrezno armaturo za pripravo plina. Reducirni ventil zniža tlak v napeljavi, ki od armature vodi do analizatorja dimnih plinov.

Slika. Merilni inštrumenti za merjenje koncentracij dimnih plinov. Leva slika: na levi strani so od zgoraj navzdol data logger, 2x IR analizatorja Siemens Ultramat 22 in Siemens Ultramat 23, povsem spodaj merilnik koncentracije kisika. Spodaj pod mizico je dodatna membranska črpalka. Na desni strani slike je napajalnik in priključna plošča za data logger. Desna slika: od zgoraj navzdol data logger in IR analizator Siemens Ultramat 23, spredaj merilnik tlaka s poševno u cevko. Spodaj levo je priprava za izločanje kondenzata (temni lonček z zamaškom na spodnji strani) in filtriranje ter razvlaževanje (lonček z vato/silikagelom/vato in zamaškom na zgornji strani). Spodaj pod mizico je dodatna membranska črpalka (zelene barve z belim igelnim ventilom), uporabljamo jo, če želimo doseči hitrejšo odzivnost sistema, to je večji pretok dimnih plinov od mesta vzorčenja do analizatorja, pri čemer je tok skozi analizator vedno enak.


46

Slika. Primer industrijske uporabe analizatorja dimnih plinov za potrebe nadzora peči. Leva slika: Zgoraj je analizator plinov ABB, spodaj pa sta na levi črpalka in na desni hladilnik. Debela črna cev izven električne omare je na 190°C ogrevana cev za dimne pline. Izven omare je vzorčevalnik plinov, ki se uporablja za ročne občasne analize delovanja peči. Desna slika: plinoizpiralka. Plinoizpiralka se namesti v hlajeno posodo zraven vzorčevalnega mesta. Plinoizpiralke so namenjene čiščenju in sušenju plinov z različnimi mediji. To je lahko voda, raztopina natrijevega hidroksida, žveplova kislina za sušenje plinov, saj nase veže vodo itd. Plinoizpiralka deluje tako, da skozi uvodno cevko plin potuje po cevki do dna izpiralke. Vsebina plinoizpiralke se kasneje analizira s kemijskimi testi v analiznem laboratoriju.

2.3.8. Vzorčenje dimnih plinov motornih vozil

V okoljskem strojništvu izvajamo vzorčenje in meritve koncentracije in tudi masnega toka onesnažil v izpušnih plinih vozil ali stacionarnih motorjev z notranjim zgorevanjem. Na tem mestu želimo navesti nekaj praktičnih napotkov za uspešno merjenje, v okviru Katedre za energetsko strojništvo izvaja meritve Laboratorij toplotne batne stroje. Na spodnji sliki je prikazana vgradnja merilne opreme za merjenje koncentracije izpušnih plinov v vozilo. Meritve se izvaja z analizatorjem izpušnih plinov Horiba OBS 2200. Meritve potekajo na tri načine, z infrardečo spektroskopijo - NDIR, s kemiluminscenčno metodo za merjenje koncentracije NOX - CLD in plamensko ionizacijskim detektorjem za določanje koncentracije ogljikovodikov - FID. Kot sintetični zrak uporabljamo mešanico kisika in dušika. Sintetični zrak ne vsebuje primesi, še posebej ne organskih ogljikovodikov. Sintetični zrak uporabljamo za kalibracijo za določanje ničle v inštrumentih NDIR, FID in CLD in za potrebe dovajanja oksidanta za gorenje v celici FID. Sintetični zrak shranjujemo v prvi jeklenki. Kot gorivo za FID analizator uporabljamo mešanico helija in vodika, uporabljamo mešanico v razmerju 60:40. Nosilni plin shranjujemo v drugi jeklenki. Za kalibracijo uporabljamo kalibracijski plin, ki je mešanica CO, CO2, HC (v obliki propana) in NOX (v obliki NO). Preostali plin je dušik – N2. Deleže posameznih onesnažil določimo ob naročilu jeklenke glede na aplikacijo – pričakovane deleže. Kalibracijski plin imamo shranjen v tretji jeklenki. Na vsaki izmed


47

jeklenk je nameščen dvostopenjski regulator tlaka, na priključku v analizator plinov moramo zagotoviti 1 bar nadtlaka. V analizator plinov je vgrajen še en regulator tlaka. Merilniki, ki se uporabljajo na tehničnih pregledih, merijo ogljikovodike z NDIR in preračunajo izmerjeno koncentracijo kot heksan. Na tehničnih pregledih se meri samo suhe pline, to pomeni, da kot pri meritvi dimnih plinov v elektrarnah iz izpušnih plinov odstranimo vodo. Z metodo NDIR naprave merijo CO, CO2 in ogljikovodike. Na tehničnih pregledih vozil se preverja koncentracija CO. Hkrati merilniki večinoma omogočajo merjenje koncentracije NOX in O2 z elektrokemično metodo, vendar se tega na tehničnih pregledih ne preverja. Ker se koncentracija NOX ne preverja, je pri diesel motorjih možno onemogočiti EGR ventil recirkulacije izpušnih plinov (ang. exhaust gas recirculation). Pri vozilih z bencinskimi motorji je problem večinoma emisija CO, pri vozilih z diesel motorjem pa neprosojnost (ang. opacity). Meritev neprosojnosti se uporablja za hitro oceno emisije trdnih delcev, čeprav primerjava med neprosojnostjo in masnim tokom trdnih delcev ni vedno dobra. Na Katedri za energetsko strojništvo za merjenje neprosojnosti uporabljamo inštrument AVL Ditest Dismoke 4000. Dva druga pomembna proizvajalca opreme za uporabo pri tehničnih pregledih sta Technotest in Bosch. Ker se je v zadnjih letih masni tok delcev v povprečnem dizelskem motorju močno zmanjšal, je v evropskem emisijskem standardu EURO 6 poleg masnega toka predpisana tudi meritev števila delcev. Razlog za to spremembo je, da se je pri novih dizelskih motorjih zmanjšal masni tok delcev, ne patudi število. Povprečna velikost delcev se je zmanjšala, manjši delci npr. PM2.5 pa so za zdravje bolj škodljivi kot veliki delci, ker prodrejo bolj globoko v pluča.

Slika. AVL Ditest Dismoke 4000 za merjenje neprosojnosti. Inštrument se uporablja za merjenje v prostem teku. Če ga uporabljamo pri povečani moči motorja, lahko z njim opravljamo meritve samo zelo kratek čas, sicer temperatura v merilni celici za neprosojnost prekomerno naraste. Sistem za odjem je izdelek proizvajalca merilne opreme. Sistem za odjem se namesti na izpušno cev vozila. Na cevi za odjem so priključki za izpušne pline, za tlak (merjenje pretoka) in merjenje temperature. Cev za vzorčenje izpušnih plinov za meritve koncentracije plinov mora biti ogrevana za potrebe merjenja koncentracije izpušnih plinov vozil na 191°C. Vsi ogljikovodiki ostanejo v plinskem stanju pri navedeni temperaturi 191°C. Cev zato ogrevamo, je pa cev tudi izolirana. Za meritve koncentracije izpušnih plinov po metodah NDIR, FID in CLD prav tako uporabljamo isto cev za izpušne pline. Temperatura v celici za infrardečo spektroskopijo NDIR je znotraj analizatorja plinov regulirana samo 60°C (v najslabšem primeru če deluje motor na metan je v izpuhu 19 % vode in 9.5 % CO2, kar da pri 60°C malo manj kot 100 % vlažnost, ločljivost NDIR celice pa s povečevanjem temperature pada). Horiba nudi za serijo analizatorjev 2000 tudi Water Quenching Meter. Pretok izpušnih plinov se meri s sondo, ki deluje na principu merjenja razlike tlaka, metoda je podobna Pitojevi sondi. En priključek meri totalni tlak, drugi pa je enak, vendar obrnjen v nasprotno smer. Cevke za odjem tlaka za meritve pretoka morajo biti izvedene brez žepov, da pojav kondenzata v cevki ne moti meritve pretoka. Merilni pretvornik za tlak je vgrajen v analizator dimnih plinov. Za merjenje delcev se uporablja sistem, kakršen je viden na sliki notranjosti avtobusa. Le ta se sestoji poleg sistema za merjenje koncentracije plinov, kakor smo ga opisali zgoraj, še iz več podsklopov.


48

Odjem za izpušne pline za merjenje delcev je izveden tako, da je cevka s kolenom obrnjena proti viru, to je proti toku izpušnih plinov iz motorja. Takoj za mestom odjema se izpušne pline razredči s prečiščenim zrakom. Prečiščeni zrak dovajamo po cevki do odjema, kjer ga vpihavamo na več mestih. Prečiščeni zrak zagotavlja kompresor, očisti pa se ga s HEPA filtrom. Redčenje in kontrolo pretokov je potrebno zelo natančno obvladati, saj sicer narobe določimo koncentracijo delcev. Za to skrbi sistem deloma sam ob nekaterih potrebnih prednastavitvah uporabnika. Razredčeni izpušni plini po ogrevani cevi s temperaturo 47°C nadaljujejo pot v ciklonski filter, kjer se odstranijo delci, večji od 10 μm (PM10). Približno 90% volumskega pretoka zraka iz ciklonskega ločevalnika potuje skozi filter (približno 30 l/min), približno 10% (približno 2.5 l/min) pa v sistem DCS (diffusion charge sensor). Merjenje s filtrom prikaže časovno povprečno vrednost, merjenje izvajamo gravimetrično, DCS pa je sistem, ki dinamično (v času) meri količino delcev v izpušnem plinu. Na filtru se naberejo delci, njihovo količino pa izmerimo s tehtanjem. Filter je papirnat. S tem sistemom lahko merimo samo povprečne vrednosti. Kadar meritev ne poteka in je filter vstavljen, tok zraka z elektromagnetnim ventilom preusmerimo v sekundarni filter. Razlog temu preklopu je, da omogočimo zvezno delovanje merilnika pretoka. Filter pred uporabo in po koncu uporabe s hitrimi spojkami odpremo. Papirnati filter vstavimo v filter z mrežico. Količino trdnih delcev v filtru merimo gravimetrično, to je s tehtanjem. Filter pred tehtanjem pustimo vsaj 10 ur v merilnici, v kateri sta temperatura in vlažnost nadzorovana. Filter stehtamo z mikrogramsko tehtnico pred in po meritvi. Ker so motorji z notranjim izgorevanjem čedalje boljši in je količina trdnih delcev v izpuhu čedalje nižja, je razliko včasih z mikrogramsko tehtnico težko izmeriti. Iz filtra gredo izpušni plini v okolico. Komora sistema HF-47 je ogrevana v skladu s standardom za meritve na 47°C. Izpušni plini iz ciklonskega ločevalnika potujejo poleg v filter tudi v sistem DCS (ang. diffussion charge sensor). To je merilni inštrument, ki meri časovno spremenljivo, to je dinamično količino delcev v izpuhu. Izhod je plavajoč, to pomeni da ničla ni dobro določena in zato sistem za pravilno delovanje potrebuje rezultat vsakokratne meritve tehtanja filtra. Za dovajanje zraka za redčenje plinov pri meritvi delcev je v sistem vgrajen tudi dodaten kompresor, za poganjanje kompresorja pa je potreben dodaten generator ali pa je potrebna uporaba kompresorja, ki ga poganja motor z notranjim izgorevanjem.

Slika. Oprema za merjenje koncentracije izpušnih plinov vozil med vožnjo. Spodaj pod zadnjim odbijačem je nameščen sistem za odjem izpušnih plinov, izdelan s strani proizvajalca merilne opreme in se ga natakne na izpušno cev vozila. Iz sistema za odjem vodi tanka svetla cev s tlačnimi odjemi za meritev pretoka in s termočlenom za merjenje temperature in debela ogrevana in izolirana cev za odjem izpušnih plinov za kasnejše merjenje z analizatorjem. V prtljažnem prostoru so zadaj plinske jeklenke (1) s kalibracijskim plinom (mešanica CO, CO2, HC in NOX), (2) sintetičnim zrakom (kisik in


49

dušik) in (3) plinom za ničliranje (kalibracijo) in dovajanje oksidanta za zgorevanje v celici FID. Spredaj levo so akumulatorji za potrebe dovajanja enerije za celoten sistem. Desno je analizator izpušnih plinov Horiba OBS 2200. Pokrovček črne barve pokriva mesto, kjer je nameščen filter za trdne delce.

Slika. Merjenje koncentracije izpušnih plinov. Poraba energije za ogrevanje cevi za odjem izpušnih plinov je velika in zahteva pogosto polnjenje akumulatorje, avtomobilski alternator ne zmore zagotoviti dovolj energije, poleg tega bi s tem odjemali večjo moč z motorja kot v realnih razmerah. Na levi sliki je vidno, da je na vsaki izmed jeklenk nameščen dvostopenjski regulator tlaka. Za prevoz jeklenk v testnem vozilu je potrebno posebno dovoljenje.

Slika. Za potrebe določanja natančne lege avtomobila med vožnjo in za dinamično vrednotenje emisij izpušnih plinov glede na delovno točko motorja se uporablja sprejemnik GPS in triosni pospeškomer. Na levi sliki je sprejemnik GPS signala v avtomobilu z vgrajenim pospeškomerom ter analognimi in frekvenčnimi vhodi za spremljanje parametrov vozila, na desni sliki pa dve GPS anteni na strehi avtobusa. Na desni sliki je vidna tudi namestitev merilne opreme za merjenje okoljskih parametrov: temperature in vlažnosti, medtem ko je merjenje barometrskega tlaka izvedeno v analizatorju.


50

Slika. Merjenje koncentracij in delcev avtobusa. Levo je sistem za merjenje koncentracij plinskih onesnažil v izpušnih plinih, sistem je bil opisan pod zgornjimi slikami. Desno je nameščen sistem za merjenje delcev. Sestavljen je iz ciklonskega separatorja in filtra (bela škatla v sredini na tleh) in sistema DCS (ang. diffusion charge sensor, v sredini poleg jeklenk s plinom. Na desni strani je računalnik za nadzor sistema za merjenje delcev, napajalnik in priključna plošča za A/D pretvornik, povsem na desni pa HEPA filter (Festo) sistema za dovajanje zraka. Stisnjen zrak do HEPA filtra potiska kompresor.

Slika. Sistem za odjem izpušnih plinov, vgrajen v avtobus. Sistem je izveden za merjenje koncentracije plinov in delcev. Cevke za odjem tlaka za meritve pretoka morajo biti izvedene brez žepov, da pojav kondenzata v cevki ne moti meritve pretoka. Na levi sliki (pogled vzdolž sistema za odjem) vidna skoraj navpična ogrevana cev je namenjena za merjenje koncentracije izpušnih plinov. Na desni sliki (pogled s strani) je na sredini prikazan odjem plinov za merjenje delcev. Takoj na mestu odjema je potrebno pline razredčiti, to naredimo z dovajanjem prečiščenega (dovod po beli plastični cevki), pričemer se ga vpiha na več mestih hkrati.


51

Slika. Levo: pogled v sistem za odjem izpušnih plinov, pogled iz izstopne odprtine. Na sliki so vidne štiri cevi za odjem. Odjem statičnega in dinamičnega tlaka (dve tanjši cevki), meritev temperature s termočlenom (senzor ni viden), cev za odjem plinov (oddaljena debela cev) in cev za odjem delcev (bližnja debela cev). Cev za odjem delcev ima nameščeno koleno, obrnjeno proti toku izpušnih plinov. Desno: še ena slika namestitve sistema za odjem izpušnih plinov, meritve so obsegale meritve masnega toka plinov in delcev.

Slika. Levo: Ciklon za odstranjevanje trdnih delcev iz izpušnih plinov, večjih od 10 μm (PM10). Tok izpušnih plinov vstopa najprej v ciklon z vrha omarice. Omarica je izolirana in med meritvijo je v njej temperatura 47°C. Iz ciklona potuje zrak, očiščen delcev, večjih od 10 μm. Ko poteka meritev, potuje zrak v levo in sicer v filter. Kadar meritev ne poteka, ga z elektromagnetnim ventilom preusmerimo v desno, to je v sekundarni filter. Razlog temu preklopu je, da omogočimo zvezno delovanje merilnika pretoka. Desno: ohišje filtra z mrežico, v katero se vstavi papirnat vložek filtra, papirnatega vložka ni na sliki.


52

Slika. Levo: notranjost avtobusa, pripravljenega na meritve. V sodih je balastna voda, ki simulira težo potnikov. V avtobusu je razporejenih še več akumulatorjev, ki prav tako služijo kot balast. Desno spodaj je agregat za proizvodnjo električne energije za delovanje merilnih naprav. Desno: meritve se v določenih primerih opravlja tudi med obratovanjem.

Slika. Namestitev opreme v avtobusih v nekaterih drugih meritvah koncentracije dimnih plinov in delcev v izpušnih plinih. Vsaka meritev zahteva dolgotrajno namestitev opreme po meri in testiranje posameznih podsklopov.

Slika. Namestitev opreme na traktorjih in terenskih vozilih. Vozila so med meritvami obratovala na različna goriva: diesel, biodiesel in hladno stiskano rastlinsko olje.

2.4. Odstranjevanje onesnaževal iz zraka Zaradi nenehnega naraščanja globalne imisije atmosferskih onesnaževal, razprševanje s pomočjo dimnikov in podobnih sistemov, ki temeljijo izključno na samočistilni sposobnosti atmosfere, ne omogoča doseganja sodobnih kriterijev čistosti ozračja. Zato skušamo onesnaževanje omejiti na izvorih onesnaženja in s pomočjo primernih postopkov in naprav iz odpadnih plinov oziroma onesnaženega zraka izločiti na mestu izvora nastajanja onesnaževala. Pri tem morajo proizvajalci in uporabniki zadovoljiti predpise največjih dovoljenih koncentracij posameznih onesnaževal. Zelo znani


53

so na primer predpisi o dovoljeni emisiji vozil na motorni pogon, katerih izvajanje pa ni odvisno od lokalnega stanja ozračja. V tem poglavju bomo kratko predstavili postopke za odstranjevanje onesnaževal iz zraka in sicer za trdne delce in pline. Z napravami za čišcenje zraka je možno izločanje onesnaževal s fizikalnimi, s kemijskimi in fizikalno-kemijskimi postopki.

2.4.1. Odstranjevanje delcev

Razdelitev naprav za izločanje onesnaževal v obliki delcev lahko izvedemo glede sil, na osnovi katerih poteka izločanje delcev in sicer: - usedalne komore (gravitacijske sile), - ciklonski ločevalniki delcev (centrifugalne sile), - vrečasti filtri (vztrajnostne sile, zadrževanje in difuzija), - elektrostatični filtri (elektrostatične sile). Najboljše ločevanje dosežemo s filtrnimi vrečami, najslabše pa s cikloni.

Slika. Delovanje različnih metod odstranjevanja delcev (y os) v odvisnosti od velikosti delcev (x os). Najboljše ločevanje dosežemo s filtrnimi vrečami (nem. filternder Abscheider), najslabše pa s cikloni (nem. Zyklon). Dolžina črt predstavlja področje, kjer je posamezna naprava uporabna.

2.4.1.1. Usedalne komore

Usedalna komora je velika jeklena posoda, vstavljena v cevovod. Povečanje preseka v usedalni komori zmanjša hitrost onesnaženega zraka, zato se težji delci usedejo.


54

Slika. Enostavna usedalna komora. Nizke hitrosti v usedalni komori hitrosti narekujejo velike dimenzije izločevalnih komor pri velikih volumskih pretokih zraka, zato je gravitacijska metoda čišcenja onesnaženega zraka primerna za izločanje delcev večjih premerov. S tega stališca je smiselno določiti minimalni premer delca, ki ga je pri danih pogojih in velikosti gravitacijske komore še moc izločiti iz zraka. Pri tem predpostavimo 100 % izkoristek izločanja, kar pomeni, da se na poti od vstopa v komoro in do izstopa izlocijo vsi delci. Tako je čas potovanja v horizontalni smeri komore enak času posedanja delcev v njeni vertikalni smeri in ga je mogoče oceniti na naslednji način

vd je hitrost posedanja delcev in vh je hitrost v horizontalni smeri. H in L sta višina in dolžina usedalne komore. Če upoštevamo Stokesovo enačbo za silo upora na idealno okroglih delcev z radijem R v toku fluida

dobimo rešitev za hitrost (zapišemo jo z ) usedanja delca s premerom , upoštevati moramo ravnovesje sil vzgona, teže in upora:

( )

V praksi je npr. usedalna hitrost delca s premerom 1 μm reda velikosti 6*10-5 m/s, delec s premerom 1 mm pa se useda s hitrostjo 6 m/s. Dodatno, pri majhnih in velikih premerih gornja enačba ne drži, eksperimentalni podatki in z njim povezani eksperimentalni modeli (približki) so podani na spodnji sliki. Pri majhnih premerih pod npr. 5 μm se velikost delca približa prosti poti molekul plina in delci zdrknejo momo molekul. Zaradi tega je sila upora manjša od predvidene po Stokesovi enačbi in hitrost usedanja je večja, kot jo napove Stokesov zakon. Pri velikih premerih pride do neujemanj zaradi nastanka lokalne turbulentne plasti okoli delca in je delec navidezno večji, s Stokesovim zakonom precenimo hitrost usedanja delca.


55

Slika. Usedalna hitrost delcev v odvisnosti od premera. Za srednje velike premere Stokesov približek dobro velja, za velike in za majhne premere pa so potrebni popravki. Usedalne komore se v praksi malo uporabljajo, ker za dobro delovanje potrebujejo zelo velik volumen, imajo pa tudi nizko učinkovitost. Redko se jih uporablja kot prvo stopnjo v procesu čiščenja, to je pred bolj učinkovitimi sistemi za odstranjevanje delcev. Polmer delca, ki se usede v usedalni komori, mora v skladu s Stokesovo enačbo biti vsaj

√

( )

V primeru velike gostote delcev je gostota zraka zanemarljiva in jo lahko v gornji enačbi izpustimo. V praksi obstaja veliko število konstrukcij gravitacijskih komor za izločanje delcev iz zraka različnih premerov. Howardova gravitacijska komora je sestavljena iz večjega števila horizontalno postavljenih plošč, na katere se usedajo delci. S tako konstrukcijo je možno na relativno enostaven način zagotoviti zelo dobre pogoje (zmanjšanje vpliva turbulentnih vrtincev v toku) izločanja delcev tudi manjših premerov (približno > 10 μm). Minimalni premer delcev, ki se bodo izločili, je odvisen od števila horizontalno postavljenih plošč n, saj se na ta način navidezno zmanjša višina H

√

( )

V usedalnih komorah se usedejo najprej težki delci, potem pa lažji in manjši delci, to lahko izkoristimo za ločevanje delcev po teži oziroma velikosti.

2.4.1.2. Usedalne komore s pregradami in vztrajnostni kolektorji

Usedalne komore s pregradami (ang. baffle chamber) in vztrajnostni kolektorji so naprave za izločanje delcev iz zraka na osnovi vztrajnostnih sil. Z postavljanjem pregrad in ovir različnih oblik


56

vplivamo na hitro spremembo smeri zračnega toka. Delci zaradi svoje vztrajnosti ne morejo slediti tako hitrim spremembam smeri toka, zato udarijo ob pregrado in ob njej zdrsnejo na dno. Oblika pregrad in ovir je odvisna predvsem od vrste delcev in premera. Pogosto so ovire v obliki dvojnega u. Ovire se lahko postavljajo v več vrstah. Postavljanje ovir ima za posledico nezaželen padec tlaka, po drugi strani pa se poveča učinek izločanja delcev.

Slika. Levo: usedalna komora s pregrado, desno: ovire v vztrajnostnih kolektorjih. V skupino usedalnih komor s pregradami spadajo tudi izvedbe, kjer namestimo v usedalno komoro žaluzije. Žaluzije so primerne za izločanje prašnih delcev različnih velikosti. Uporabljajo se izvedbe, kjer se preusmeri tok za več kot 180°, ki so že podobne ciklonskim izločevalnikom in delujejo na osnovi centrifugalnih sil. Usedalne komore s pregradami različnih izvedb uporabljamo kot t.i. pred izločevalce.

2.4.1.3. Cikloni

Ciklonsko odpraševanje ali ciklonska separacija je najbolj razširjen suhi postopek za odpraševanje (odstranjevanje) trdnih delcev iz suspenzije. Za razliko od gravitacijskega odstranjevanja suspendiranih delcev, ciklonski ločevalniki ali cikloni uporabljajo centrifugalno silo, zato jih lahko imenujemo tudi centrifugalni odstranjevalci delcev. V ciklonskih ločevalnikih je mogoče doseči od 5 krat pa vse do 2000 krat večje sile kot pri gravitacijskih ločevalnikih. Ciklonski ločevalniki v glavnem ne morejo doseči visoke kvalitete čistoče zraka, zato se koristijo za predčiščenje, v sledečih stopnjah pa se uporabljajo vrečasti filtri ali elektrostatični precipitatorji. Ciklonski ločevalniki se koristijo v procesni industriji, npr. za recikliranje in regeneracijo katalizatorjev v rafinerijah nafte, v postrojenjih prehrambene industrije in drugo. Običajna učinkovitost je 90 % ali več za delce večje od 10 μm, samo določene izvedbe pa dosežejo učinkovitost 99 % za delce večje od 5μm (za delce velike gostote). Plin v ciklonski ločevalnik vstopa tangencijalno, nato pride v ciklonskem separatorju do krožnega gibanja plina in delcev, kot posledica rotacije pa nastanejo centrifugalne sile, ki delce nesejo proti steni in nato v izstopni del ciklona, v katerem se zberejo. Ciklonski ločevalniki se izdelujejo v širokem razponu dimenzij (od nekoliko centimetrov do več metrov premera) in v zelo različnih izvedbah. Običajna izhodna hitrost plina je od 15 do 30 m/s. Prednosti ciklonskega ločevanja so: enostavno delo, majhni začetni stroški (kapital) in stroški vzdrževanja (ni premičnih delov), možnost dela pri povišanih temperaturah, nizka zahteva po posluževanju, itd. Slabosti so: velik padec tlaka in posledično visoki obratovalni stroški, nizka učinkovitost za zelo majhne delce, ni učinkovit za odstranjevanje delcev manjših od 5 μm, problemi v obratovanju nastanejo pri temperaturah večjih od 400 °C. Sestavni deli ciklonskega ločevalnika so vstopna komora, konusni del (intenzivno vrtinčenje), zbirna komora za prah in izstopna cev za plin (potopljena v notranjost ciklona). Multiciklon je sestavljen iz velikega števila ciklonov manjših dimenzij (premer od 15 do 60 cm), povezanih vzporedno ali zaporedno. Ker je premer ciklona manjši, je centrifugalna sila večja. Tangencialni zračni tok v vsakem ciklonu se v multiciklonih doseže s posebno obliko v vstopnem delu. Multicikloni dosegajo učinkovitosti do 90% za delce velike od 5 do 10 μm.


57

Pri pripravi zraka na izhodu iz kompresorja stisnjeni zrak vsebuje vlago v obliki drobnih kapljic. Ciklonski separator služi kot prva stopnja pri pripravi stisnjenega zraka, kjer se kapljice mehansko odstranjujejo. Običajno je nameščen neposredno na izhodu iz kompresorja ali za hladilnikom stisnjenega zraka. S ciklonskim separatorjem tako razbremenimo elemente filtrskega in sušilnega sistema, ki sicer v večji meri vplivajo na kakovost stisnjenega zraka.

Slika. Levo: delovanje ciklona. Zrak vstopa tangencialno in se v valju ciklona zavrtinči. Delci se naberejo ob steni in padejo na tla, zrak pa se odvede skozi potopljeno cev v sredini. V sredini in desno: ciklon v uporabi v industrijskem obratu in mizarski delavnici.

Slika. Porazdelitev hitrosti v ciklonskem ločevalniku. Levo: aksialna hitrost. V sredini: radialna hitrost. Desno: tangencialna hitrost. Če obravnavamo osamljen delec v zračnem toku v zgornjem cilindričnem delu ciklona, lahko zapišemo, da delec kroži okrog osi ciklona na radiju r. Na delec delujejo centrifugalna sila, upor zraka, vzgon in teža. Če predpstavimo, da se delec premika po spirali, lahko njegovo hitrost razbijemo na tangencialno vt in radialno komponento vr. Predpostavimo, da velja Stokesov zakon. Stokesov zakon pravi, da je sila upora Fu kroglice z radijem R pri premikanju s hitrostjo v v fluidu enaka


58

Če zapišemo zgornjo enačbo za primer ciklona, nadomestimo hitrost z radialno hitrostjo in radij z radijem delca, dobimo

Če je gostota delca enaka ρd, lahko zapišemo centrifugalno komponento sile

Za ravnovesje sil na delec v zračnem toku lahko zapišemo, da je vsota centrifugalne sile, sile vzgona in sile upora enaka nič. Kot silo "vzgona" upoštevamo, da je gostota delca navidezno manjša, če plava v zraku in je sila usmerjena v radialni smeri, prava sila vzgona pa deluje v aksialni smeri.

Če vstavimo vse posamezne izraze za sile v enačbo za ravnovesje sil, lahko izpostavimo radialno hitrost

( )

Podobno enačbo smo zapisali tudi za primer usedanja v usedalni komori. V primeru da je gostota fluida večja kot gostota delca, se delec premika proti osi, če pa je večja gostota delca, se premika stran od osi proti steni ciklonskega ločevalnika. Določitev učinkovitosti izločevanja delcev glede na njihovo velikost pri ciklonih je še težja kot v primeru gravitacijskih komor. Za določanje potrebnih mer in učinkovitosti se uporabljajo izkustvene zveze. Zagotovo bodo izločeni le dovolj veliki delci, zato za referenčno velikost delcev izberemo tiste delce, ki bodo 50 % izločeni na osnovi njihove mase. Velikost teh delcev določimo na osnovi empirične enačbe npr. po Lappleju

√

kjer je μ dinamična viskoznost plina, W širina vstopne odprtine ciklona v skladu z oznakami na spodnji sliki, Ne število efektivnih vrtljajev delcev v ciklonu, vi vstopna hitrost plinov oziroma onesnaženega zraka in ρd gostota delcev. Število efektivnih vrtljajev delcev v ciklonu Ne se določa s še eno izkustveno enačbo, npr. po Lappleju

, in so mere ciklona, kakor so podane na spodnji sliki. Ciklone običajno izdelujemo na osnovi standardnih dimenzij v odvisnosti od premera ciklona in od tega, kakšno učinkovitost želimo, da bo ciklon imel. Visoko učinkovit ciklon bo bolje ločeval delce in imel večji upor, skozi ciklon za velik pretok pa bo tekel večji volumski pretok, tak ciklon bo imel manjši upor in slabše ločevanje trdnih delcev. Učinkovitost izločanja delcev določimo v odvisnosti od premera, kot je to prikazano na spodnji sliki.


59

Slika. Ciklonski ločevalnik lahko načrtujemo tako, da bo bolje ločeval delce in imel večji upor, ali pa da bo skozenj tekel večji volumski pretok, bo imel manjši upor in slabše ločevanje trdnih delcev. Od izbire načina obratovanja sledi, kakšne mere mora imeti ciklonski ločevalnik. V preteklosti je bilo na področju ciklonskih ločevalnikov izvedeno veliko število raziskav, nekatere izmed teh so v tabeli označene s številkami.

2.4.1.4. Filtrne vreče

Filtrne vreče iz tkanine se v industriji zelo pogosto in uspešno uporabljajo. Uporabljamo jih za izločanje delcev iz zraka oziroma dimnih plinov v industrijskih postrojenjih. Do izločanja delcev prihaja zaradi pretoka zraka skozi tkanino, ki zaradi gostega tkanja onemogoča prehod delcev. Pri tem je izrednega pomena parameter propustnosti filtra, ki karakterizira velikost delcev, ki lahko prehajajo skozi filtrsko tkanino. Prepustnost delcev skozi filter, torej tistih delcev, ki jih z določeno gostoto tkanine ni mogoče zadržati, je največja za najmanjše delce in z naraščanjem velikosti delcev vedno manjša. Pri toku plinov z delci skozi tkanino prihaja do izločanja delcev na tkanini. Tkanina je običajno zvita v obliki vreč v več slojih, plisirana itd. Po obliki so filtri so kasetni, žepasti, vrečasti, rokavni, itd. Prvenstveno so filtri iz tkanine namenjeni za izločanje delcev v trdem agregatnem stanju. Običajni materiali filtrske tkanine so bombaž, volna, steklo in razna sintetična vlakna. Največ se uporablja sisntetična vlakna, vse pogosteje pa se uporabljajo tudi steklena vlakna, ki so primerna za izločanje delcev iz plinov višjih temperatur. Ker je vsak filtrni sistem projektiran za vsakega končnega uporabnika posebej, je zelo pomembno v naprej definirati sledeče procesne parametre na podlagi katerih izberemo najprimernejši material: - temperaturo v sistemu, - količino prahu v umazanem zraku, - velikost delcev, - pretok zraka, - abrazivnost delcev, - mehanske faktorje (sistem čiščenja, sistem instalacije filter vreče), - kemijske lastnosti. Čiščenje oziroma izločenih delcev se vrši na različne načine: z otresanjem, z izpihovanjem s povratnim zrakom in z izpihovanjem s pomočjo impulznega vpihovanja komprimiranega zraka Primer industrijske uporabe filtrnih vreč je prikazan na spodnji sliki. Na spodnji sliki fluid, ki nosi s seboj trdne delce prahu, vstopa v filter skozi vstopno odprtino in se v vstopnem kanalu porazdeli po celotni dolžini komore filtra. Vstopna hitrost se v notranjosti zmanjša toliko, da se groba frakcija prahu iz onesnaženega fluida izloči že v samem zbirnem konusu. Delno očiščen tok fluida nadaljuje z


60

gibanjem ob delovni površini (umazani del vreče) in prehaja v notranjost (čisti del vreče). Pri tem se na zunanji strani vreče nabira plast prahu, očiščeni zrak vstopa skoznjo, se giblje skozi odprtino v zgornje ohišje filtra in gre nato skozi izstopni kanal v cevovod in preko centrifugalnega ventilatorja v zapusti filter. Trdne delce, prisesane na zunanji del vreče, odstranimo s curkom injektorsko vbrizganega zraka, ki se v s programatorjem nastavljenih cikličnih presledkih vbrizga v vrečo. Vreča je med delovanjem (čiščenjem onesnaženega zraka) zaradi podtlaka rahlo napeta v notranjost, vendar le toliko, kot dovoljujejo jeklene nosilne košare. Pri vbrizgavanju zraka iz tlačne posode, ki skozi injektorske šobe posesa še del sekundarnega zraka iz glave filtra, nastopi v vreči trenutni nadtlak. Vreča se napne, strese in del prečiščenega zraka za trenutek preide iz notranje na zunanjo stran vreče. Prehod zraka, razširitev in stresanje vreče povzročijo učinkovito odstranjevanje prisesanih trdnih delcev. Delci prahu, združeni v večje delce, zaradi gravitacije padajo v zbirni konus filtra. Prah iz zbirnega konusa kontinuirano odvajamo s pomočjo polžnega transporterja in zvezdastega dozatorja nazaj v proces ali v zbirne posode. Zaradi intenzivnega in nastavljivega sistema čiščenja filtrskih vreč je uporabnost teh filtrov zelo široka in primerna tudi za najtežje pogoje filtriranja, kakršni so v topilnicah, livarnah, brusilnicah, kamnolomih, cementarnah itd. Določeni detajli filtra, hitrost, čas čiščenja ter kvaliteta in obremenitev vreč morajo ustrezati zahtevam medija filtriranja oz. mu biti prilagojeni. V Sloveniji je več podjetij, ki proizvajajo materiale za filtre in filtrske sisteme.

Slika. Primer filtriranja zraka z vrečastimi filtri. Levo: shema delovanja. Oranžen del predstavlja umazan zrak in moder del čist zrak. 1. Injektorski steber z injektorji, 2. elektropnevmatski ventili s tlačno posodo, 3. filtrne vreče, 4. krmilna enota, 6. polžasti dozator, 6. zvezdasti dozator. Desno: izvedba vrečastega filtra za filtriranje livarskega peska. V primeru, da je filter vgrajen v sistem za filtriranje notranjosti prostorov, je pomembna tudi njegova hrupnost.


61

Slika. Primer karakteristike filtra podjetja Hidria za absolutno filtracijo zraka za stropne ali stenske filtrske enote.

2.4.1.5. Elektrostatični filtri

Za izločanje delcev iz zraka ali plinov se zelo pogosto uporabljajo elektrostatični filtri, poenostavljeno jih imenujemo tudi elektro filtri. Princip izločanja delcev temelji na pretoku plinov ali zraka z delci skozi elektrostatično polje. Električno polje ustvarimo dvema elektrodama. Aktivna elektroda je žica malega preseka z mnogo manjšo površino kot jo ima pasivna elektroda, ki je lahko izdelana v obliki plošce ali cevi. Razdalja med aktivno in pasivno elektrodo je le nekaj centimetrov. Obe elektrodi sta priključeni na izvor enosmernega toka visoke napetosti. Aktivna elektroda je v večini primerov negativno naelektrena (katoda), pasivna pa pozitivno (anoda) naelektrena, med njima ustvarimo napetost več tisoč voltov. Med obema elektrodama nastane električno polje z visoko električno poljsko jakostjo, pri čemer nastopijo pogoji za samodejno razelektrenje. Če je električna poljska jakost dovolj velika, nastane okrog negativne elektrode korona, ki se razelektri tako, da ionizira plin okrog elektrode. Negativni ioni nato tečejo proti pozitivno nabitim ploščam in naelektrijo delce nečistoč v plinu. Delci nečistoč se zato naberejo na pozitivno nabiti elektrodi. Zaradi elektrostatičnih sil se delci nečistoč ne usedejo sami od sebe, ampak ostanejo prilepljeni (zaradi upornosti, električnega polja in toka, ki teče skozi plast) na pozitivno elektrodo. Delce s pasivne elektrode odstranimo s tresenjem (elektromagnetno, pnevmatsko, mehansko) ali spiranjem, odvisno od njihovega agregatnega stanja. Pri tem nastaja ozon, nastanek katerega zmanjšamo z dvostopenjskim elektrostatičnim filtrom. Prvi del imenujemo ionizator, drugi pa kolektor. Poleg termoelektrarn imajo vgrajene elektrostatične filtre tudi toplotne postaje (na biomaso), čistilne naprave (sežig), motorni prostori v prekooceanskih ladjah, cementarne, itd. Elektrostatične filtre lahko delimo na nizko-napetostne dvostopenjske in enostopenjske visokonapetostne enote. Nizkonapetostni elektrostatični filtri obratujejo pri napetostih od 6000 do 12000 V in jih najpogosteje uporabljamo pri klimatizaciji, namenjeni pa so prvenstveno izločanju kapljevitih delcev. Visokonapetostni elektrostatični filtri obratujejo pri napetostih 30 kV do 100 kV in jih uporabljamo v velikih industrijskih postrojenjih kot so elektrarne, toplarne, cementarne itd. Izdelujemo jih v dveh osnovnih oblikah, ki se razlikujeta samo po obliki pasivne elektrode (plošča ali cev). Izločanje delcev v primeru visokonapetostnih enostopenjskih ESI-jev poteka v naslednjem zaporedju: naelektritev delcev v toku plina, zbiranje delcev na kolektorskih plošcah, sledi občasna razelektritev kolektorskih plošč s čimer omogočimo odstranitev nakopičenih delcev na plošcah. Postopek nadaljnje obdelave prahu je odvisen od vrste materiala in poteka podobno kot v ostalih primerih izločanja delcev.


62

Slika. Shema delovanja elektrostatičnega filtra, ploščni tip.

Slika. Shema elektrostatičnih filtrov. Levo: kolektorske elektrode elektrostatičnega filtra. Desno: kolektorske elektrode z vstavljenimi palicami - negativno nabitimi elektrodami, cevni tip.

Slika. Elektrostatični filtri imajo so različnih oblik in velikosti. Levo: primer elektrostatičnega filtra termoelektrarne. V sredini: elektrostatični filter za uporabo v gospodinjstvu. Desno: majhen industrijski filter. Dve lastnosti delcev močno vplivata na delovanje elektrostatičnega filtra, upornost in porezdelitev po velikosti. Upornost v elektrostatičnem filtru močno vpliva na edstranjevanje delcev. Delci, ki imajo veliko upornost in delci, ki imajo majhno upornost, so problematični za odstranjevanje. Delci, ki imajo zelo majhno upornost, se zelo hitro nabijejo, prav tako pa v kolektorju zelo hitro oddajo naboj. Ko naboj na kolektorju oddajo, niso več z nobeno silo vezani na površino kolektorja. Delci, ki imajo zelo veliko upornost, se v ionizatorju težko nabijejo, nenabiti se v kolektorju ne odstranijo. Tisti delci z visoko upornostjo, ki pa se v ionizatorju nabijejo in se v kolektorju nalepijo na plošče, pa jih je zelo težko odstraniti. V primeru delcev z visoko upornostjo, je na plasti nalepljenih delcev zelo velik padec napetosti, to pa zelo zmanjša elektromagnetno polje med površinama obeh elektrod. Ko je padec


63

napetosti na plasti prahu zelo velik, se pojavijo lokalno preboji in zaradi njih luknje v plasti prahu. luknje plasti negativno vplivajo na delovanje elektrostatičnega filtra: v plasti prahu nastanejo pozitivno nabiti ioni, ki jih odnese proti negativno nabiti elektrodi. Spotoma se srečajo z negativno nabitimi delci prahu in jih razelektrijo. Pri tem močno pade učinkovitost delovanja elektrostatičnega filtra. Če se to zgodi, je pogosto potrebno napravo izključiti. Še tretji problem, ki se pojavi pri delovanju elektrostaičnih filtrov z delci z visoko upornopstjo, pa je iskrenje. Če je iskrenje premočno, je potrebno zmanjšati napatost med elektrodama, zaradi česar pade učinkovitost filtra. Upornost delcev se močno spreminja s temperaturo, zato lahko s spreminjanjem vstopnega plina temperature vplivamo na delovanje elektrostatičnega filtra.

Slika. Tehnološka shema bloka 5 Termoelektrarne Šoštanj. Elektrostatični filtri so prva stopnja čiščenja dimnih plinov takoj za izmenjevalnikom LUVO in za izstopom dimnih plinov iz kotla.

2.4.1.6. Pralniki delcev

V pralnikih ali vlažnih kolektorjih poteka transformacija plinaste suspenzije v kapljevito, kar je omogočeno z neposrednim stikom kapljic dodane kapljevine in delcev, ki jih nosi tok plinov z nečistočami. Tovrstni tipi pralnikov se uporabljajo tudi pri izločanju nekaterih plinastih sestavin iz raznih plinov kemijske industrije, pri čemer se uporabljajo posebne kapljevine, ki omogočajo absorpcijo plinastih sestavin, ki jih želimo izločiti iz toka dimnih plinov. Proces izločanja delcev z vlažnimi kolektorji poteka na osnovi zadrževanja delcev, ki jih zadržijo razpršene kapljice, kar je možno le v primeru, da so delci dosti manjši od velikosti kapljic. Kapljice, ki vsebujejo delce, potem izločimo s centrifugiranjem, saj so njihove dimenzije veliko večje od delcev. Najbolj pogosto uporabljena kapljevina v vlažnih kolektorjih je voda.


64

Učinkovitost izločanja delcev iz dimnih plinov z vlažnimi kolektorji je v veliki meri odvisna od velikosti tlačnega padca pri pretoku dimnih plinov skozi kolektor, ki je odvisen od gostote prhe in velikosti vodnih kapljic. V splošnem pa potreben padec tlaka narekuje povprečna velikost delcev, ki jih želimo z vlažnim kolektorjem izločiti. Nizki tlačni padci so primerni za izločanje nekoliko večjih delcev, skladno z manjšanjem premera delcev nečistoč mora tlačni padec v kolektorju naraščati, kar pomeni, da moramo povečati gostoto prhe. To dosežemo z boljšo atomizacijo vode ali druge ustrezne kapljevine tako, da zvišamo tlak vbrizgavanja. Najbolj razširjene oblike konstrukcij vlažnih kolektorjev so vlažilni stolpi, vlažni kolektorji v obliki ciklonov in Venturijevi kolektorji. Najcenejšo varianto predstavljajo vlažilni stolpi, ki jih je moč uporabiti za izločanje plinov in delcev iz zraka. Takšna konstrukcija omogoča čiščenje velikih količin plinov pri relativno nizkih padcih tlaka. Princip izločanja delcev temelji na protitočnem gibanju plinov in vodne prhe, pri čemer vodne kapljice skupaj z delci padajo v zbiralnik na dno izločevalnika. Vlažilni stolpi so najbolj primerni za izločanje delcev do 10 μm, obstajajo pa tudi različne konstrukcijske izboljšave, ki omogočajo izločevanje delcev manjših dimenzij.

Slika. Notranjost pralnika. Levo: zgoraj ločevalniki kapljic in šoba za pršenje adsorbenta. Desno: polnilo pralnika. Ciklonski vlažilniki so po konstrukciji zelo podobni suhim ciklonskim ločevalnikom s to razliko, da imajo v sredini nameščene šobe, skozi katere pod velikim pritiskom izhaja voda. Voda spira stene ciklona, v katere udarjajo delci, ki zaradi velikih centrifugalnih sil ne morejo slediti toku plinov oziroma zraka. Prednost pred suhimi cikloni je v tem, da je z vlažilnimi cikloni moč izločati delce dosti manjših premerov, kar omogoča zelo gosta vodna prha fine atomizacije. Slike pralnikov delcev so prikazane v poglavju o čiščenju plinov, saj se izvedbe za odstranjevanje delcev ne razlikujejo dosti od izvedb za odstranjevanje onesnažil v plinih.

2.4.1.7. Čistilna naprava - mokri pralnik delcev in plinov z elektrostatičnim filtrom v tovarni

steklene volne

Pri proizvodnji steklene volne kot izolacijskega materiala je več glavnih virov onesnaževanja in sicer so to (1) steklarska peč, (2) usedalna komora, (3) trdilna komora in (4) hladilna cona. Vsi viri onesnaževanja so za potrebe doseganja zakonskih standardov pri izpustih onesnažil v okolje opremljeni s čistilnimi napravami. V nadaljevanju navajamo primer tovarne, kjer se čistijo onesnažila z mokrim elektrostatičnim filtrom (ang. wet electrostatic precipitator oziroma WESP). Odvodi plinov iz usedalne komore, trdilne komore in hladilne cone se čistijo v mokrih filtrih na mestu nastanka. Kasneje se vsi izpusti združijo in potujejo v čistilno napravo, ki je mokri elektrostatični filter. Čistilna naprava je sestavljena iz dveh glavnih elementov, pralnika delcev in elektrostatičnega filtra. Dimni plini so pred vstopom v filter dodatno hlajeni in vlaženi z namenom absorpcije plinskih komponent in ustvarjanja čim večje količine aerosolov. Vstop plinov je na spodnjem delu WESP filtra.


65

Vstopni plini na dnu filtra se preko distributorja plinov, ki deluje tudi kot mokri absorber oziroma pralnik (na njega se prši absorpcijsko vodo iz spodnje in zgornje strani) razporedijo po celotni površini filtra. Nato plini potujejo do elektrostatičnega filtra. V čistilni napravi se čistijo primarno delci, vendar tudi formaldehid, VOC, fenoli, amonijak, zmanjša pa se tudi vidnost na izpustu (blue haze). Pretok zraka skozi čistilno napravo znaša 240.000 m3/h zraka. Referenčna delovna temperatura v napravi znaša 35°C. Vsa odpadna voda v tovarni se reciklira tako, da se vrača v postrojenje za pripravo veziva in se skozi šobe vbrizgava kot vezivo v usedalno komoro. Tovarna v okolje ne izpušča odpadne vode. Čistilna naprava je v celoti izdelana iz nerjavnih materialov. Shema delovanja čistilne naprave je predstavljena na sliki. V čistilno napravo priteče odpadni plin po cevovodu. Na vrhu dovodnega cevovoda so pralniki s šobami za pršenje vode za odstranjevanje delcev, zniževanje temperature in požarno varnost. Odpadni plin v čistilni napravi teče najprej skozi dva nivoja šob v pralniku in polnilo pralnika, ki je med obema nivojema šob. Ta del služi kot distributor toka za elektrostatični filter. Pralnik je prostor, kjer prši voda, in je izveden iz zakrivljene in naluknjane pločevine v velikem številu slojev. Zelo pomembno je, da je razprševanje vode v pralniku enakomerno, na ta način se poveča stopnja čiščenja čistilne naprave in zmanjša poraba vode. Iz pralnika potuje odpadni plin skozi elektrostatični filter. kjer se odstranijo ostanki trdnih snovi, aerosoli, tako se odstranijo tudi kondenzirani ogljikovodiki. Tako odstranjene komponente stečejo po površini elektrostatskih plošč, preko absorberja do dna filtra in nato v spodaj lociran rezervoar za absorpcijsko vodo. Sistem elektrostatičnega polja je sestavljen iz velikega števila žičnih elektrod in obarjalne površine v obliki satovja, kjer se nabirajo trdni delci, aerosoli in kondenzirani ogljikovodiki. Tako očiščeni plini potujejo še preko izločevalnika kapljic, da se odstranijo kapljice, ki nastanejo v času izpiranja površine. Nastale obloge na obarjalni površini se čistijo preko šob z izpiranjem z absorpcijsko vodo. Preden plin zapusti čistilno napravo skozi dimnik, gre še skozi izločevalnik kapljic. Izločevalnik kaplic zmanjša porabo vode, saj kapljice vode ne zapuščajo čistilne naprave, oziroma voda zapušča čistilno napravo samo kot vodna para. Pri zagonu elektrostatičnega filtra se najprej vklopi grelnik in ventilator sušilnega zraka izolatorjev. Če je temperatura ogrevalnega zraka dovolj visoka, to je višja ali enaka 18°C, se začne polurna faza ogrevanja in sušenja izolatorjev. Če pa je temperatura ogrevalnega zraka prenizka, se najprej zrak segreje do potrebne temperature, nato pa se šele začne faza polurnega sušenja izolatorjev. Po končanem sušenju se vklopita glavni obtočni črpalki in absorbcijsko sredstvo (voda) začne teči do šob, kjer se razprši v pralniku. Faza pranja in elektrofiltracije traja 5 ur, nato pa sledi 5 minutno izpiranje. V fazi izpiranja se tok vode iz črpalk preusmeri na zgornje šobe, ki so nad elektrostatičnim filtrom, zato se elektrostatični filter očisti. Fazi čiščenja sledi enominutno izcejanje, nato pa se nadaljuje faza čiščenja s pralnikom in z delovanjem elektrostatičnega filtra. Pod čistilnim delom je rezervoar za absorbent, ki se ga šaržno prazni v bazen z odpadno vodo ter po potrebi dodaja vodo iz reke ali drugega vira. V prostoru ob rezervoarju so obtočne črpalke, grelnik zraka za sušenje in hlajenje izolatorjev, merilno procesna oprema in električna oprema. Podatki za čistilno napravo so sledeči: - Volumski pretok plinov: 240000 m3/uro – realni plini - Temperatura plinov: 35 °C - Poraba sveže vode: 1.5 – 4 m3 uro - Totalna tlačna razlika: 500 Pa - Hrup (na razdalji 1m): < 80 dBA - Inštalirana električna moč: 304 kW - Povprečna poraba električne energije: 239 kW - Volumen rezervoarja za absorpcijsko vodo: 38.4 m3 - Premer: 9.35 m - Višina: 18.4 + 2.1 m


66

- Število satovnic: 366 - Širina satovnice: 400 mm - Dolžina satovnice: 5.5 m

Slika. Shema delovanja čistilne naprave.

Slika. Levo: dimnik in za njim WESP pralnik in elektrostatični filter za odstranjevanje delcev iz plinov iz usedalne komore, trdilne komore in hladilne cone. Desno: dovod v čistilno napravo, cevovod za umazane pline in dve cevi za čisto vodo in za umazano vodo, ki služi kot absorbcijsko sredstvo.


67

Slika. Levo: dovodni cevovod, na vrhu dovodnega cevovoda so pralniki s šobami za pršenje vode za odstranjevanje delcev, zniževanje temperature in požarno varnost. Vsa čistilna naprava je izdelana iz nerjavnega jekla, razen bakrenih delov elektrostatičnega filtra. Desno: HV transformator, pred njim je izolator s cevjo za ogrevanje in sušenje izolatorjev.

Slika. Notranjost čistilne naprave, pogled od zgoraj na satovje elektrostatičnega filtra. Levo spodaj je točka, kamor pred revizijo pritrdimo palico z razelektritvenim kablom. Negativne elektrode so obešene na bakreno konstrukcijo. Desno: izločevalnik kaplic nad elektrostatičnim filtrom, to je tik pred vstopom v dimnik.

Slika. Notranjost čistilne naprave, pogled skozi odprtino nad pralnikom in pod elektrostatičnim filtrom. Levo: uteži, ki napenjajo negativne elektrone, to je pletenice. Desno: šoba absorbcijskega sredstva, ki je nameščena nad pralnikom. Pod pralnikom je še ena vrsta šob, ki pršijo navzgor. V pralniku so polnila iz naluknjane in zakrivljene pločevine.


68

Slika. Levo: Odlopnik HV transformatorja, če je izključen, je možno izvleči ključ in odkleniti nadzorne odprtine za vstop v elektrostatični filter (desno). Pred vstopom moramo s kabli in palicami za razelektritev razelektriti notranjost elektrostatičnega filtra.

Slika. Levo: obtočne črpalke za absorbcijsko sredstvo, zadaj je rezervoar za absorpcijsko sredstvo. Desno: merilnik pretoka absorbenta za ugotavljanje stanja šob.

2.4.2. Odstranjevanje plinov

Pogosti plinasti onesnaževalci so oksidi žvepla, dušika in ogljika, ki nastajajo pretežno pri procesih zgorevanja goriv. Poleg tega so v zraku prisotni še ogljikovodiki (HC), in še drugi organski in anorganski plini. Najpomembnejši procesi odstranjevanja plinastih onesnažil iz zraka so: - adsorpcija, - absorpcija, - kondenzacija in - zgorevanje. Adsorpcija je sposobnost določene trdne snovi, ki se imenije adsorbent, da na svoji površini veže (adsorbira) molekule plina ali raztopljene snovi iz raztopine, pri čemer nastane molekularna ali atomska plast ki jo imenujemo adsorbat. Adsorpcija ni enak pojav kot absorpcija. Oba procesa lahko imenujemo sorpcija, medtem ko je nasproten proces desorpcija. Adsorpcija se dogaja v večini naravnih, bioloških in kemičnih spojin, ter se zelo pogosto uporablja v industriji, kot npr. pri čiščenju odpadnih vod s filtriranjem z aktivnim ogljem. V analitični kemiji z metodami kot sta kromatografija in ionska izmenjava, adsorpcija igra važno vlogo, tako da od izbire adsorbenta zavisi končni rezultat meritve. Osnova adsorpcije je v energiji površine materijala. Pri večini materialov so vsi atomi in molekule vezani s kemijskimi silami z drugimi atomi ali molekulami. Izjemo predstavljajo atomi in molekule na površini, ki niso popolnoma obkroženini z drugimi atomi ali molekulami. Iz tega razloga imajo atomi


69

ali molekule na površini manjšo ali večjo afiniteto za povezavo z drugimi atomi ali molekulami, ki se nahajajo v bližini. Molekule in atomi adsorbenta in substrata lahko reagirajo na dva načina, fizikalno (fizikalna adsorpcija) ali kemijsko (kemijska adsorpcija). Absorpcija ali vsrkavanje se uporablja v več pomenih. V kemiji absorpcija navadno pomeni vpijanje ali raztapljanje ene snovi v drugi, npr. absorpcija plina v kapljevini. Pri absorpciji se snov vsrka v vsem volumnu, ne samo na površini, kot je to primer pri adsorpciji. Tudi absorpcija se uporablja pri različnih indistrijskih procesih.

Slika. Aktivno oglje je pogosto uporabljeno adsorpcijsko sredstvo. V nadaljevanju bomo predstavili naprave, v katerih potekajo zgoraj navedeni postopki čiščenja.

2.4.2.1. Pralniki

Pralniki plinov (ang. scrubber) so naprave, ki omogočajo odstranjevanje trdnih delcev zaradi dotika onesnaženega plina s tekočino, so torej naprave, ki delujejo na principu absorpcije. Glavna uporaba postopka pranja plinov je pri čiščenju odpadnih dimnih plinov, najpogosteje se čistijo plinasti deli dimnih plinov (vodikovi halidi, žveplov dioksid SO2, amonijak NH3, vodikov sulfid H2S ali hlapne kemijske spojine), ali pa se odstranjujejo trdni delci majhnih dimenzij. Pralniki plinovcomogočajo ločevanje dima, par in suspendiranih delcev iz odpadnih plinov s pomočjo neposrednoga dodika odpadnoga plina z ustreznim topilom. Nastale spojine zelo drobnih delcev in kapljic topila se lahko odstranijo iz toka plina s pomočjo inercijskih sil (npr. centrifugalne sile). Razlika v izvedbi pralnika plinov nastane zaradi različnega načina razprševanja topila. Običajna uporaba je za odstranjevanje kislih plinov in vonjev, je pa uporaba omejena na odstranjevanje lahko topnih plinov. Za pranje plinov se najpogosteje koristi: - voda H2O (uporablja se za čiščenje halidov, amonijaka NH3) - alkalne raztopine (za odstranjevanje kislih komponent, npr. halidov, žveplovega dioksida SO2, fenola, klora Cl2, za desulfurizacijo bioplina) - alkalno-oksidacijske raztopine, npr. alkalna raztopina z natrijevim hipokloridom (za odstranjevanje ClO2, ozona O3 ali vodikovega peroksida H2O2) - raztopine Na2S4 za odstranjevanje živega srebra (Hg) - kisle raztopine (za odstranjevanje amonijaka NH3) - itd. Prednosti pranja plinov so: čiščenje gorljivih in eksplozivnih plinov brez večjega tveganja, omogočajo istočasno absorpcijo plinov in odstranjevanje trdnih delcev, omogočajo hlajenje vročih plinov, lahko spreminjamo učinkovitost delovanja, korozivni plini in trdni delci se lahko nevtralizirajo, mogoče so različne izvedbe in velikosti (velika raznovrstnost). Slabosti pranja plinov so: veliki problemi zaradi korozije, abrazije in poškodb vrtečih delov, težave s čiščenjem odpadne vode, zaščita pred podhladitvijo - včasih je potrebno predgretje, očiščenih delcev včasih ni mogoče reciklirati in je


70

njihovo odlaganje drago, problemi povezani z zagonom, velik padec tlaka (potrebna velika količina energije).

Slika. Sheme delovanja pralnikov. Levo: protitočno odpraševanje s pršenjem, v sredini: mokri odpraševalnik s pregradami in desno: venturi pralnik. Vir Wikipedia. V čistilni napravi Termoelektrarne Šoštanj se uporablja za razžvepljevanje mokri kalcitni postopek. V svetu je že več kot dvajset let poznana tehnologija za izločanje žveplovih dioksidov iz dimnih plinov. Za velike termoenergetske objekte se je najbolj uveljavil mokri kalcitni postopek. Velika prednost tega postopka je visoka učinkovitost in poceni absorbcijsko sredstvo, to je mleti apnenec (CaCO3). Produkt procesa razžveplanja dimnih plinov je sadra (CaSO4 X 2H2O), ki ni škodljiva za okolje, primerno obdelana pa se lahko uporablja tudi v gradbeništvu. Proces temelji na absorpciji žveplovega dioksida iz dimnih plinov v suspenzijo, kjer tvori s kalcitom stabilen produkt (sadro). V absorpcijski koloni - pralniku prihaja v protitoku do kontakta med dimnim plinom in suspenzijo. Razlike parcialnih tlakov SO2 v dimnem plinu in tekočini povzročajo prehod SO2 v razpršeno suspenzijo, kjer se hidratizira, pri čemer nastane žveplova (IV) kislina, ki zelo hitro disociira. SO2 (g) → SO2 (aq) SO2 (aq) + H2O → H2SO3 H2SO3 → H+ + HSO3ˉ HSO3ˉ → H+ + SO3²ˉ Pri raztapljanju CaCO3 se nevtralizirajo vodikovi ioni, nastane ogljikova kislina, ki disociira v H2O in CO2, ta pa zapušča tekočo fazo in se odvaja skupaj z dimnimi plini. CaCO3 (aq) + H+ → Ca2+ + HCO3ˉ HCO3ˉ + H+ → H2O + CO2

Presežek kalcijevih ionov v suspenziji reagira s hidrogensulfitnimi in sulfitnimi ioni, ki so nastali z disproporcionacijo žveplove (IV) kisline. Nastali sulfitni ioni oksidirajo v sulfatne ione v absorberju s prisotnim kisikom v dimnih plinih, v reakcijski posodi pa ob intezivnem dovajanju zraka in mešanjem suspenzije. CaCO3 + 2H+ + 2HSO3ˉ → Ca(HSO3)2 + H2O + CO2 Ca(HCO3)

2+ + 2H+ + SO3²ˉ → CaSO3 × 1/2H2O + 3/2H2O + 2CO2 CaSO3 × 1/2H2O + 1/2O2 + 3/2H2O → CaSO4 × 2H2O


71

V dimnih plinih so poleg SOx še kisle spojine (HCl, HF). Klor in fluor se vežeta na kalcij, CO2 pa se odvaja. CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2 CaCO3 + 2HF → CaF2 + H2O + CO2

Slika. Čistilna naprava Termoelektrarne Trbovlje.

2.4.2.2. Naprava za čiščenje dimnih plinov v Termoelektrarni Šoštanj

V nadaljevanju bomo opisali delovanje naprave za čiščenje dimnih plinov v Termoelektrarni Šoštanj. Priprava za doziranje absorpcijskega sredstva. Absorpcijsko sredstvo, na katerega se vežejo kisli dimni plini, je suspenzija – zmes vode in v prah zmletega apnenca (CaCO3). Zahteva se, da ima apnenec 90% delcev manjših od 90 μm. Za pripravo suspenzije imajo v TEŠ dva rezervoarja prostornine vsak 190 m3, nad njima sta namešcena dnevna silosa apnenca prostornine po 300 m3. Med obratovanjem mora biti eden rezervoar poln suspenzije in služi kot rezerva, iz drugega pa suspenzijo, ki jo pripravljajo, dodajajo v pralnik dimnih plinov. Vloge rezervoarjev medsebojno menjajo enkrat tedensko. Vodo za pripravo suspenzije črpajo iz rezervoarja povratne procesne vode. Vanj priteka redka suspenzija iz druge stopnje hidrociklonov, ki vsebuje manj kot 1% trdnih delcev. Suspenzija, ki jo dodajajo v pralnik dimnih plinov, ima gostoto 1150 kg/ m3, kar uravnavajo z regulacijo dodajanja suspenzije. Pot dimnih plinov. Pred vstopom v pralnik iz dimnih plinov izločimo trdne delcev, to je pepel. Za ta namen vodimo dimne pline skozi elektrostatične filtre, ki so bili opisani v enem izmed prejšnjih poglavij. Njihova učinkovitost izločanja je 99.9%, z izločanjem pepela izboljšamo delovanje pralnika in zmanjšamo nastajanje oblog v elementih čistilne naprave. Pline skozi pralnik potiskata dva ventilatorja vleka. Dimne pline, očiščene prahu, ventilatorja vleka lahko potiskata po dveh poteh. Normalna pot je skozi napravo za odžveplanje, v izjemnih primerih pa jih lahko vodimo preko obvodnih loput direktno v dimnik. Pri normalnem obratovanju vodimo dimne pline skozi grelnik dimnih plinov GAVO (rekuperativni prenosnik toplote tipa Ljungstrom), obvodne lopute pa so zaprte. GAVO je regenerativni vrtljivi grelnik dimnih plinov na katerem neočiščeni dimni plini s temperaturo 160°C oddajo svojo toploto grelnim paketom, ti pa nato oddajo toploto ohlajenim očiščenim dimnim plinom, preden jih vodimo v dimnik, da je njihova temperatura nad rosiščem (90°C -95°C). Nato potujejo dimni plini v pralnik, kjer jih operemo s suspenzijo absorbcijskega sredstva (mleti apnenec; CaCO3 + voda). V delu pralnika nad


72

gladino suspenzije so v šestih nivojih nameščeni sistemi šob za razprševanje absorbcijskega sredstva. Vsakemu sistemu šob pripada obtočna črpalka, ki črpa suspenzijo iz zbiralnika pralnika, šobe pa zagotavljajo fino razprševanje. V območju razpršilnih šob potekata ohlajevanje dimnih plinov in bistvena faza očiščenja, difuzija žveplovega dioksida, floridov in kloridov skozi mejni plinski sloj na površino omočenega delca absorbenta. Dimni plini se pri prehodu skozi pralnik navlažijo do nasičenja ter ohladijo na temperaturo 60°C. Ker vsebujejo fino razpršene kapljice, morajo skozi izločevalnik kapljic na vrhu pralnika, kjer se izločijo skupaj s preostalimi kristalizacijskimi jedri. Dimni plini pri prehodu skozi pralnik suspenzijo se delno uparijo, pare pa zapustijo sistem. Izgubljene vodne pare nadomestimo z dodatno vodo, s katero izpiramo izločevalnik kapljic iz rezervoarja procesne vode. Tlak očiščenih dimnih plinov, ki izstopajo iz izločevalnika kapljic, zvišamo s pomočjo ventilatorja, ki je vgrajen v kanal dimnih plinov. Očiščene dimne pline iz pralnika potiska preko grelnika dimnih plinov ter loput v dimnik. Kalcijev sulfit, ki je nastal v razpršilnem območju pralnika, pade v zbiralnik. Tam ima dovolj dolg zadrževalni čas za oksidacijo v kalcijev sulfat. Za proces oksidacije imamo na voljo 3 puhala, ki dovajajo potrebno količino zraka v suspenzijo s kalcijevim sulfitom, ki ob intenzivnem vpihovanju zraka in mešanju oksidira v kalcijev sulfat. Za učinkovit proces izločanja SO2 iz dimnih plinov je zelo pomembno vzdrževanje pH med 5.7 in 6.0 ter pravilne gostote in temperature. Po oksidaciji se tvorijo kristali sadre ali gipsa, ki je končni produkt procesa čiščenja dimnih plinov. Pred vstopom v dimnik se očiščeni dimni plini v že omenjenem grelniku (GAVO) segrejejo iz 60°C na 90°C -95°C, kar zagotavlja dvig dima in preprečuje kondenziranje vlage v dimniku. Sadra. Apneno suspenzijo, ki se v pralniku spremeni v sadro, črpamo v postajo za odvodnjavanje, kjer jo na hidrociklonu produkta zgoščujemo. Zgoščeno sadro po cevovodu vodimo v rezervoar za produkt. Od tu jo črpamo po krožnem cevovodu v mešalnico produkta, kjer se meša s pepelom. Pepel pnevmatsko transportiramo izpod elektrofiltra v 2000 m3 silos za pepel. Sadra in pepel se dozirata v mešali. Po mešanju nastane končni produkt s stabilnimi fizikalno kemičnimi lastnostmi. Ta produkt z gumijastim cevnim trakom transportiramo na vmesno deponijo, kjer ga nalagamo na transportna vozila in odvažamo na končna odlagališča.


73

Slika. Shema delovanja čistilne naprave v Termoelektrarni Šoštanj. 1. elektrofiltri, 2. ventilatorji vleka, 3. regenerativni prenosnik toplote, 4. puhala oksidacijskega zraka, 5. pralnik - absorber, 5a. pralnik - zbiralnik, 5b. pralnik - lovilci kapljic, 6. obtočne črpalke, 7. odjemni črpalki suspenzije, 8. hidrociklon produkta, 9. hidrociklon obtočne vode, 10. silos kalcita, 11. rezervoar za pripravo suspenzije, 12. silos pepela, 13. vakumski filter produkta, 14. mešalnica stabilizata, 15. odvoz stabilizata ali sadre, 16. zbirni rezervoar filtrata, 17. odvod na izpiralna mesta, 18. rezervoar procesne vode, 19. dopolnjevanje procesne vode, 20. črpalki procesne vode, 21. rezervoar obtočne vode, 22. rezervoar suspenzije produkta, 23. rezervoar za izpraznitev, 24. lovilna jama, 25. dovod kalcita.

2.4.2.3. Kondenzatorji

Plinasti polutant bo kondenziral, če bo vrednost njegovega parcialnega tlaka v nosilnem plinu presegla vrednost tlaka nasičenja pri določeni temperaturi. Kondenzacijo polutanta je mogoče doseči tudi z zniževanjem temperature dimnih plinov, s čimer se znižuje vrednot tlaka nasičenja do izenačenja s parcialnim tlakom spečificnega plinastega onesnažila. Kljub temu, da lahko kondenzacijo pospešimo s povišanjem tlaka, je tovrsten postopek pri izločanju plinastih nečstoč iz dimnih plinov oziroma zraka bolj redko v uporabi. V praktičnih primerih naletimo na dva osnovna tipa kondenzatorjev za izločanje plinastih onesnažil iz dimnih plinov in sicer: površinski in kontaktni kondenzator. V primeru površinskih kondenzatorjev predstavlja proces adsorpcije kondenziranega plina ključno vlogo, kot hladilni medij pa je najpogosteje uporabljena voda oziroma zrak. Pri kontaktnem kondenzatorju pa so pare plinastega polutanta in hladilnega medija v neposrednem stiku. Vsekakor obstaja veliko število konstrukcijskih rešitev tovrstnih kondenzatorjev, uporaba katerih pa je v veliki meri odvisna od količine in vrste polutanta ter samega pretoka dimnih plinov.


74

2.4.2.4. Zgorevanje

Pri določenih proizvodnih postopkih in procesih nastajajo večje količine predvsem ogljikovega monoksida in lažjih ogljikovodikov (HC), ki jih je potrebno odvesti z mesta izvora. Dokler so koncentracije pod mejo dovoljenih emisij, običajno tako onesnažen zrak skozi dimnik spustimo v ozračje. V primeru povišanih koncentracij je potrebno te nečistoče iz zraka izločiti, pri čemer se je izkazal postopek zgorevanja za najprimernejšega. S tem se pretvorijo gorljivih nečistoč v ogljikov dioksid in vodo. Pri zagotavljanju učinkovitega procesa zgorevanja je izrednega pomena zadostna količina oksidanta, dovolj visoka temperatura, intenzivnost mešanja gorljivih substanc s kisikom in čas zadrževanja gorljivih nečistoč v coni reakcije. Glede na vsebnost gorljivih plinov v odpadnih plinih ali onesnaženem zraku ločimo tri postopke zgorevanja: - plamensko zgorevanje, - termično zgorevanje, - katalitično zgorevanje. Postopek neposrednega to je plamenskega zgorevanja uporabimo v primeru zadostne koncentracije gorljivih onesnažil v dimnih plinih, pri čemer je pomembno vzdrževanje plamena. Odpadne pline, ki vsebujejo nezgorele ogljikovodike, vodimo neposredno v gorilnik, kjer ob dovajanju potrebne količine oksidanta, običajno zraka, zgorijo brez dodajanja dodatnega goriva. Tovrstni postopek pogosto uporabljamo v naftno predelovalni industriji. Pri uvajanju plamenskega zgorevanja odpadnih plinov moramo posvetiti veliko pozornost nadzoru procesa zgorevanja, kajti v nasprotnem primeru lahko pride do nastanka novih vrst polutantov, ki so značilni za običajne procese zgorevanja (NOX, SOX,...). V primerih, ko odpadni plini ne vsebujejo dovolj gorljivih onesnažil, lahko le-te izločimo z uporabo termičnega zgorevanja. Odpadni plini vstopajo v zgorevalni prostor, kamor dovajamo tudi manjšo količino goriva, na ta način omogočimo zgorevanje gorljivih snovi v odpadnih plinih, katerih količina sicer ne bi zagotavljala obstoj plamena. Kurišče imenujemo termični gorilnik, ker je konstruirano tako, da se odpadni plini nahajajo dovolj časa nad temperaturo vžiga posameznih gorljivih sestavin odpadnih plinov. Katalitično zgorevanje je tretja možnost izločanja gorljivih polutantov iz odpadnih plinov v primeru, ko so njihove koncentracije prenizke, da bi bilo možno vzdrževanje plamena. Katalizator pospešuje proces oksidacije, pri čemer pa sam ni deležen kemijske pretvorbe.


75

3. Voda Voda je ključni sestavni del okolja, brez katerega ne bi bilo življenja na Zemlji. Razvoj in obstoj življenja na Zemlji sta neobhodno pogojena z ohranitvijo zdravega okolja, katerega najpomembnejši element je prav voda. Poleg omogočanja življenja za današnjo stopnjo civilizacije predstavlja voda eno temeljnih surovin, ki omogoča uporabo energetsko-tehnoloških procesov. Množina uporabne vode nastaja na osnovi naravnega hidrološkega ciklusa se zmanjšuje zaradi človeške dejavnosti. Zmanjšanje je ponekod napredovalo tako daleč, da je potrebno za najbližjo prihodnost iskati nove vire pitne in tehnološko uporabne vode, kar je povezano z velikimi stroški. Človek tako s svojimi vsakdanjimi aktivnostmi ekološko najbolj obremenjuje zanj najpomembnejši del vodnih zalog. Odpadne vode analiziramo na terenu in v laboratoriju. Na terenu, kjer odpadno vodo vzorčimo, kontinuirano merimo pretok, temperaturo, pH in raztopljene pline (02, H2S, ... ). Specifične parametre uporabljamo predvsem takrat, ko zaradi poznavanja tehnoloških postopkov pričakujemo, da bodo vsebovale izbrane kemijske spojine, npr. fenol, formaldehid, organska topila, tenzide, cianide, težke kovine, pesticide, itd. Če se specifični parametri pojavljajo v visokih koncentracijah, jih je potrebno odstraniti, lahko pa tudi zavirajo delovanje npr. komunalnih čistilnih naprav. Večinoma za vrednotenje onesnaženja uporabljamo nespecifične parametre. Določanje vsebnosti nespecifičnih parametrov ne zahteva poznavanja kemijske sestave posameznih odpadnih vod. Nespecifični parametri so npr. biokemijska potreba po kisiku, kemijska potreba po kisiku, celotni organski ogljik, in raztopljeni organski ogljik. V poglavju o vodi bomo predstavili merilne metode, ki se uporabljajo v okoljskem strojništvu. Merilne metode bomo razdelili na hidravlične meritve, kemijske meritve in biološke meritve.

3.1. Hidravlične meritve Pri hidravličnih meritvah bomo obravnavali meritve pretoka vodotokov brez in z merskimi objekti in vzorčevanje za potrebe kemijskih in bioloških meritev.

3.1.1. Merjenje pretoka vodotokov brez merskih objektov

V splošnem delimo meritve pretoka vodotokov na dve skupini: volumetrične meritve in meritve pretoka s traverziranjem. - neposredne meritve pretoka: Pretok določimo z meritvijo prostornine v določenem času (npr. zajemne ali merske posode, meritev koncentracije sledila). So zelo natančne, vendar so omejene na meritve manjših pretokov. - meritve pretoka s traverziranjem: Pretok predstavlja skalarni produkt vektorjev površine prečnega prereza in srednje hitrosti vode. Pri meritvah prestavljamo hidrometrično krilce med posameznimi merilnimi mesti in vsaki meritvi hitrost pripišemo navidezni delni presek reke. Meritvi hitrosti in površine ločeni meritvi, z različno metodologijo. Površino izmerimo z meritvijo globine vode na posameznih oddaljenostih od izhodiščne točke na enem od bregov. Predpostavimo, da je potek dna med posameznimi meritvami globine (vertikalami) linearen. Na ta način dobimo t.i. lamele, za katere moramo izmeriti srednjo hitrost. Le-to povprečimo iz točkovnih meritev hitrosti v različnih globinah vertikale. Obstaja teoretična razporeditev hitrosti v vetrikali po globini. Nanjo v največji meri vplivata: oblika prečnega in vzdolžnega prereza ter hrapavost ostenja. V idealnih razmerah lahko na ta način zadovoljivo določimo srednjo hitrost v vertikali z meritvijo le na eni globini, in sicer merimo na 60% globine pod gladino. Celotni pretok je vsota delnih pretokov skozi posamezne lamele. Predpostavimo, da je hitrost toka pravokotna na vsako posamezno lamelo.


76

Slika. Postopek merjenja pretoka reke. Levo: shema razporeditve lamel in desno merjenje pretoka deročega vodotoka.

Slika. Za meritve hitrosti vode se v vodotokih uporablja hidrometrična krilca (levo) ali akustični merilnik hitrosti (desno). Namesto hidrometričnih krilc se uporabljajo tudi ultrazvočni merilniki hitrosti toka, s katerimi lahko sočasno izmerimo globino in hitrost. Uporabljajo princip Dopplerjevega pojava, torej merijo spremembo med oddano in sprejeto frekvenco (od 500 do 1500 kHz pri merilnikih pretoka rek). Za določitev hitrosti vode se meri frekvenca odbojev od raztopljenih delcev v vodi, za določitev globine pa od dna struge. Ker meri merilnik na način, da se giblje preko struge, mora v vsakem trenutku poznati svoj položaj. Le-tega določi glede na položaj na začetku gibanja, lastno hitrost (in smer) gibanja ter čas, ki je pretekel med posameznima vertikalnima meritvama. Zaradi več odbojev od tal in delce na različnih višinah, se taki vertikalni meritvi reče garnitura (ang. ensemble). Hitrost dna se meri po istem principu. V primeru, da se dno struge dejansko ne giblje oziroma ni prodonosnosti, predstavlja obratno usmerjen vektor hitrosti dna vektor hitrosti čolna. Gibanje dna ugotovimo tako, da prehoda struge ne zaključimo na nasprotnem bregu, ampak nadaljujemo na začetni breg. Zanko fizično začnemo in končamo na istem mestu. Če je merilnik zabeležil navidezni premik med začetno in končno pozicijo, je ta posledica gibajočega dna oz. prodonosnosti. Nemerejni površini na obeh bregovih sta posledica dejstva, da potrebuje merilnik za delovanje globino vsaj 0.3m. Podobno nam pri meritvi izpade del površine prereza tik pod vodno gladino, saj je oddajnik tudi sprejemnik in ko odda pulz, opna zaniha. Preden se opna izniha, zvok že prepotuje


77

določeno razdaljo. Nemerjena površina na dnu je posledica stranskih šibkejših pulzov, ki nastanejo ob generaciji glavnega pulza.

Slika. Merjenje pretoka reke z akustičnim dopplerjevim merilnikom pretoka. Desno: nemerjeno področje. Obstajajo še druge metode, ki jih tu ne omenjamo, npr. metoda razredčenja, elektromagnetna metoda, metoda s pomočjo plovca in metoda naklon/površina.

3.1.2. Merjenje pretoka vode z merskimi objekti

Objekti za meritve pretoka so objekti, postavljeni v odprtih kanalih ali zaprtih cevovodih s prosto gladino, s pomočjo katerih določimo pretok iz gorvodno izmerjene gladine vode. V bistvu z objekti umetno zmanjšamo prečni prerez kanala ali cevi, da se gorvodno poviša nivo vode. Če je zmanjšanje zadostno, lahko dobimo razmerje med vodno gladino in pretokom. Na to razmerje vplivata bolj ali manj samo oblika in dimenzije objekta, zelo malo pa geometrija kanala oziroma cevi, gorvodno od objekta. Običajno razmerje dobimo s hidravličnimi poizkusi. Navedemo lahko naslednje meske objekte: Široki prag Dolžina praga mora biti taka, da na kroni zabeležimo tokovnice vzporedne s krono praga, kot je prikazano na sliki 1. Krona mora biti določene višine. Široki prag omogoča točne meritve pri večjih pretokih in prepuščanje plavajočih predmetov. Najbolj uporabljeni so široki pragovi trikotne oblike, zaobljene oblike (pravokotne s močno zaobljenemi robovi) in pravokotne oblike. Osnovna enačba po kateri izračunamo pretok je :

√

H je globina nad pragom, b širina praga in μ je pretočni koeficient.

Slika. Meritev pretoka s širokim pragom. Preliv


78

Preliv je ozek na tok pravokoten objekt. Prelivna krona je od 1 do 2 mm debela. Kota prelivne krone mora biti višja od gladine spodnje vode. Geometrija prelivnega prečnega prereza je lahko trikotna (Thompson), pravokotna (Rehbock), trapezna (Cipoletti) in proporcionalna (Sutro). Pomanjkljivost prelivov je, da ne prepuščajo plavajočih predmetov ali proda, zato jih v naravnih vodotokih ne uporabljamo. Prelivi se uporabljajo npr. v kanalih čistilnih naprav. Pretok je za trikotni preliv s kotom

√

medtem ko za pravokoten preliv velja

√

Slika. Preliv. Zožitev Kjer imamo na voljo minimalen padec struge, za meritev pretoka uporabljamo zožitev. Glede na dolžino grla (ožine) jih delimo na zožitve s kratkim in dolgim grlom. Glede na obliko pa poznamo zaokroženo zožitev, pravokotno in trapezno zožitev. Omogočajo dober pretok proda, zato jih veliko krat vgrajujemo tam, kjer je to pogoj. Običajno jih ugradimo v manjše vodotoke, ter v namakalne jarke. Najlažja za izvedbo je pravokotna zožitev, vendar je najmanj natančna, zato tam, kjer je zahtevana natančnost meritve uporabljamo trapezne zožitve. Pri pravokotni zožitvi izračunamo pretok po naslednji enačbi:

(

)

√


79

Slika. Zožitev.

3.1.3. Vzorčevanje za potrebe kemijskih in bioloških meritev

Vzorčenje je zajemanje vzorcev vode. Za pravilnost analize vode moramo zajeti vzorec, ki predstavlja kakovostno povprečje vode, ki jo nameravamo analizirati. Način odvzema vzorcev je za analizo pomembna komponenta in lahko močno vpliva na rezultat. Vzorčimo lahko ročno ali avtomatsko. Pri ročnem vzorčenju zajamemo trenutni vzorec. To je vzorec, ki predstavlja kakovostno stanje vode v določenem času. Zaradi tega moramo pri podajanju rezultatov analize podati tudi čas zajetja vzorca. Tako lahko vzorčimo vode, katerih kakovost se s časom le malo spreminja, oziroma se spreminja počasi (vodotoki). Vzorec zajamemo iz glavnega toka vode v čisto posodo. Pogosto se kakovost odpadnih vod spreminja relativno hitro (iztoki iz industrijskih obratov ipd.). Pri trenutnem vzorčenju bi prišlo do velikih kakovostnih razlik odvisno od časa zajetja vzorca. Zato pogosto zajemamo povprečni 24-urni vzorec. Za takšno vzorčenje uporabljamo avtomatske vzorčevalnike. Avtomatski vzorčevalnik nam omogoča časovno in pretočno proporcionalno zajemanje vzorca v pravilnih razmakih preko celotnega izbranega časa vzorčenja. Najpogosteje je ta čas 24 ur, saj se kakovost vzorca spreminja preko posameznega dne zaradi delovnega procesa, ponavlja pa se običajno vsak delovni dan. Zato je kakovost povprečnih 24 urnih vzorcev med seboj primerljiva. Avtomatski vzorčevalnik sestavljajo računalniški del, črpalka, posode za zajeti vzorec, cev in ohišje. Omogoča nam, da nastavimo čas začetka in konca vzorčenja, časovne razmike zajetja vzorca, prostornino zajetega vzorca. Vzorčevalnik lahko nastavimo tudi tako, da vzorce v posameznih razmikih med seboj loči in nam tako omogoči, da spremljamo kakovost vode v posameznem času. Kadar izberemo pretočno proporcionalno vzorčenje, avtomatski vzorčevalnik zajema vzorce glede na količino pretečene vode. V tem primeru vzorčevalnik povežemo z merilnikom pretoka. Vzorce, ki vsebujejo velike količine aktivnih povzročiteljev onesnaženja, je potrebno predhodno razredčiti z demineralizirano vodo. Čas od odvzema vzorca do analize mora biti čim krajši. Priporoča se analiza takoj po odvzemu, v skrajnem primeru najkasneje po 24 urah. Idealno bi bilo, da bi analizo izvedli na kraju samem, kar pa navadno ni izvedljivo.

Slika: Vzorčevalnik črepinjske vode pri zaustavitvi tovarne, ko se peč ne zaustavlja.


80

3.2. Kemijske meritve

3.2.1. Merjenje količine neraztopljenih snovi

Neraztopljene snovi so trdne snovi v tekočini, ki jih običajno izločimo s filtracijo ali centrifugiranjem in nato sušimo pri določenih pogojih, njihovo vsebnost pa določimo gravimetrično. Med neraztopljene snovi sodijo sedimentirajoče, lebdeče in plavajoče anorganske in organske snovi. Pod pojmom neraztopljene snovi razumemo tisti del snovi, ki jih v procesu filtracije zadrži filter s predpisano standardizirano velikostjo por. Meritve v grobem potekajo na naslednji način. Stekleni filter speremo z destilirano vodo in ga damo sušiti v sušilnik pri 105 °C, sušimo ga do konstantne teže. Nato stehtamo ohlajen filter papir ter skozi filter papir prefiltriramo 100 ml vzorca. Filter s filtratom nato sušimo na temperaturi 105 °C 1 uro oziroma do konstantne teže. Ohlajenega ponovno stehtamo. Vsebnost neraztopljenih snovi (usedljivih in suspendiranih) je kriterij na osnovi katerega sklepamo o potrebnosti mehanskega čiščenja.

3.2.2. Merjenje pH

pH je merilo za koncentracijo hidroksidnih ionov v raztopini, in s tem posledično za njeno kislost ali alkalnost. pH merimo običajno s kombinirano stekleno elektrodo. Sestavljena je iz Ag/AgCl žičke, potopljene v raztopino HCl v tanki, okrogli stekleni membrani. Referenčna elektroda je v stiku s merilno stekleno elektrodo. Elektrometrično merjenje pH vrednosti deluje na principu merjenja razlike potencialov med tema dvema elektrodama. Ko stekleno elektrodo potopimo v kisel vzorec, potujejo protoni v vzorcu k elektrodi, medtem ko protoni v referenčni raztopini znotraj steklene membrane potujejo proti notranjosti membrane, stran od stene, posledica je sprememba električnega potenciala znotraj elektrode, kar odčitamo kot pH vrednost raztopine.

Slika. pH meter.

3.2.3. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika

Merjenje koncentracije raztopljenega kisika sodi med najpogostejše meritve na področju okoljskega strojništva. Kisik, čeprav je slabo topen v vodi, je za življenje v vodi neobhodno potreben. Količina raztoopljenega kisika ne inverzno proporcionalna temteraturi, največja količina se ga raztopi v vodi pri 0°C, to je 14.6 mg/l.


81

Nadzor in vodenje procesov na čistilnih napravah, kot so odstranjevanje ogljikovih spojin, nitrifikacija in denitrifikacija, so močno odvisni od koncentracije kisika v prezračevalnih bazenih. Količina kisika se meri v vodi z (1) optično metodo, (2) elektrokemijskimi senzorji ali s (3) titracijsko metodo, katero imenujemo Winklerjev test.

3.2.3.1. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika z optično metodo

Prednost optične metode merjenja koncentracije kisika je, da se ne obrablja tako, kot se obrablja elektrokemični senzor. Optična metoda temelji na fizikalnem pojavu luminiscence. Luminiscenca je pojav, da posamezna snov oddaja svetlobo, če jo vzbudimo. Optični senzor za merjenje koncentracije kisika je sestavljen iz vira modre svetlobe in luminofora. Ko vir svetlobe posveti na luminofor, sta jakost izsevane svetlobe svetlobe in čas trajanja sorazmerna koncentraciji kisika v ratopini v okolici. Pokrov senzorja z luminoforjem je pritrjen na sondo in je med meritvami v vodi. Molekule kisika v vodi so zaradi tega v stiku z luminoforjem. za merjenje modra LED dioda oddaja pulze modre svetlobe z visoko energijo. čas trajanja pulzov je 50 ms. Energija svetlobe se prenese na luminofor, zaradi česar se elektroni v luminoforju vzbudijo na višji energijski nivo, nato v zelo kratkem času preidejo direktno ali preko vmesnih nivojev nazaj na osnovni nevzbujeni nivo. Ko so kisikove molekule v stiku z luminoforjem, se zgodi, da molekule kisika absorbirajo energijo vzbujenih elektronov in jim omogočijo vrnitev na osnovni nivo, ne da bi elektroni pri tem oddali svetlobo. Čim večja je koncentracija kisika, večje je zmanjšanje jakosti luminicirane rdeče svetlobe. Molekule kisika v okolici luminoforja s tem da absorbirajo energijo vzbujenih elektronov brez luminiscence, tudi skrajšajo čas, v katerem pride do luminiscence. Obema učinkoma pravimo tudi gašenje (ang. quenching). Prednost metode je torej v tem, da ne meri jakosti izsevane svetlobe v aboslutnem smislu, temveč zgolj čas za koliko se skrajša čas vrha luminiscirane rdeče svetlobe. Dodatno ni potrebno mešanje, ker se pri tej metodi kisik ne porablja. Prav tako ni nevarnosti zastrupitve senzorja s H2S.

Slika. Levo: optični senzor za merjenje koncentracije raztopljenega kisika, sonda LDO (ang. luminescent dissolved oxygen) proizvajalca WTW. Sonda seva modro svetlobo z LED diodo in meri izsevano rdečo svetlobo s fotodiodo. V sredini: princip delovanja. Desno: izgled luminoforja kisikove sonde.


82

Slika. Gašenje luminiscence. Po sprejetem pulzo luminofor takoj začne oddajati rdečo svetlobo. Maksimalna jakost luminiscirane svetlobe in čas ugašanja sta odvisna od koncentracije kisika v okolici, čas ugašanja je določen kot čas, ki preteče od vzbujanja, da se jakost rdeče svetlobe zmanjša na 1/e največje jakosti.

3.2.3.2. Merjenje koncentracije kisika z elektrokemično metodo

Merjenje koncentracije kisika z elektrokemično sondo je najbolj razširjena metoda merjenja. V konici elektrode za merjenje se nahaja glava elektrode z zelo tanko membrano, ki je prepustna za molekule kisika, vendar pa ne za nekoliko večje molekule elektrolita. Pri merjenju prodirajo molekule kisika elektrolit in pridejo preko membrane do elektrode za merjenje. Debelina membrane in material, iz katere je izdelana, določa odzivni čas inštrumenta. Membrane so npr. iz teflona ali polietilena. Najpreprostejša elektroda, hkrati tudi prva, deluje na principu galvanske celice. Če celica uporablja srebrno in cinkovo elektrodo, sta elektrodi dovolj različni, da se sami polarizirata in reducirata molekule kisika brez da bi nanjo narinili napetost. Elektrokemična galvanska celica vsebuje tudi merilnik toka, ki prebere električni signal tok med obema elektrodama in ta tok je sorazmeren količini kisika, ki potuje skozi membrano, kemično pa je to posledica oksidacije cinka in redukcije kisika na srebrni elektrodi v skladu z

na cinkovi elektrodi: 2Zn 2Zn2+ + 4e-

na srebrni elektrodi: O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

skupna reakcija: O2 + 2H2O + 2Zn 2Zn(OH)2 Poznamo še nekaj drugih tipov elektrokemičnih celik za merjenje koncentracije kisika.

Slika. Levo: ročni merilnik koncentracije raztopljenega kisika, deluje na principu elektrokemične sonde (desno).

3.2.3.3. Merjenje koncentracije kisika s titracijsko metodo

Titracijska metoda za določitev koncentracije raztopljenega kisika v vodi je Winklerjeva metoda. To je standardizirana metoda merjenja koncentracije raztopljenega kisika. Pri tej metodi se preko serije kemijskih reakcij kisik združi z jodom in tvori zlato-rumeno snov. Ker je vsaka molekula kisika povezana z molekulo joda, lahko določimo količino kisika na osnovi merjenja joda, saj sta si množini komplementarni. Pri nevtralizaciji joda z dodatkom tiosulfata se zlato-rumena barva izgubi, in tako lahko določimo, koliko joda oziroma kisika je v vzorcu.


83

3.2.4. Merjenje biokemijska potrebe po kisiku

Biokemijska potreba po kisiku BPK5 je množina kisika, ki je v 5 dneh potrebna za oksidacijo razgradljivih organskih snovi s pomočjo mikroorganizmov (ang. BOD, biochemical oxygen demand). Meritev torej traja 5 dni. Organske snovi služijo mikroorganizmom kot hrana pri oksidaciji organskih snovi v ogljikov dioksid in vodo, pri čemer nastane tudi energija. BPK5 je torej merilo za onesnaževanje površinskih vod z razgradljivimi organskimi snovmi, za razgradnjo katerih mikroorganizmi porabljajo kisik in istočasno izločajo ogljikov dioksid. Najbolj čiste reke imajo koncentracijo BPK5 1 mg/l, zmerno onesnažene reke okrog 2 do 5 mg/l, odpadna voda okrog 600 mg/l in odpadna voda po čiščenju okrog 20 mg/l.

3.2.4.1. Klasična metoda merjenja BPK5

Po klasični metodi se vzorec inkubira pri 20°C v stekleničkah in se določi kisik v začetku in na koncu inkubacije – po sedmih dnevih. Kisik lahko določimo kemijsko po Winklerju. Po Winklerju raztopljeni kisik oksidira v alkalnem mediju Mn2+ v višjo oksidacijsko stopnjo, pri tem nastane rjava oborina manganovih hidroksidov različne sestave: Mn2+ + 1/2O2 → MnO2 + H2O Mn(OH)2 + 1/2O2 → MnO2 + H2O Če v vzorcu ni kisika, nastane bela oborina Mn(OH)2 po dodatku MnSO4 in NaOH ter KI. Oksidacijo Mn2+, obarjanje kisika imenujemo tudi »fiksiranje«. Obarjene manganove ione nakisamo. Mangan v višji oksidacijski stopnji v kislem oksidira jodid v jod. Množina sproščenega joda je ekvivalentna množini raztopljenega kisika. Sproščeni jod titriramo s natrijevim tiosulfatom: Mn4+ + 2I- → Mn2+ + I2 I2 + 2S2O3

2- → 2I- + S4O62-

Motnje: motijo snovi, ki se v vodi oksidirajo brez delovanja bakterij.

3.2.4.2. Manometrična metoda merjenja BPK5

Merjenje poteka manometrično v zaprtem sistemu. Mikroorganizmi v vzorcu porabljajo kisik in tvorijo CO2, CO2 se absorbira z NaOH zaradi česa nastane podtlak, katerega vrednost po petih dneh izmerimo kot vrednost BPK5 v mg/l.

Slika. Merjenje BPK z metodo respiracije. Levo: steklenice Oxitop imajo na vrhu nameščen manometer, hkrati morajo biti neprodušno zaprte. Nameščene so na mešalniku. V sredini: merilne glave in desno: merjenje tlaka z u cevnimi manometri.


84

3.2.4.3. Merjenje BPK5 s kivetnimi testi

Molekulska spektroskopija, ki temelji na UV, vidnem in IR sevanju, se v veliki meri uporablja za identifikacijo in detekcijo mnogih organskih in anorganskih spojin. IR spektrofotometrija je ena izmed najboljših razpoložljivih tehnik v kemiji za določevanje strukture organskih in anorganskih spojin, tudi za določevanje onesnaževalcev v naravi. Spektrofotometer je sestavljen iz izvora svetlobe, monokromatorja, kivete in detektorja. Za izvor svetlobe uporabljamo devterijevo ali volframovo žarnico. S prvo merimo v območju med 195 nm di 375 nm, z drugo pa v območju med 350 nm in 1000 nm. Monokromator je ponavadi sestavljen iz optične rešetke ali optične prizme ali iz optičnega filtra. Z izbiro kota padanja svetlobe na optično rešetko ali optično prizmo, lahko izberemo valovno dolžino svetlobe, ki jo bo monokromator prepustil. Kivete so dolge okoli 1 cm. So iz kvarčnega ali navadnega stekla ali pa plastične. Tista stran, kjer gre skozi žarek svetlobe mora biti gladka in čista, saj to vpliva na točnost merjenja. Detektor pa meri intenziteto prepuščene svetlobe skozi vzorec. Spektrofotometrijska merjenja absorbcije se izvajajo pri valovni dolžini, ki odgovarja nekemu absorbcijskem maksimumu. V tej točki je sprememba absorbance na enoto koncentracije največja. Absorbcijska krivulja je v maksimumu skoraj vedno ravna, kar omogoča dobro linearnost in manjšo možno napako, če se ne doseže točna valovna dolžina na instrumentu. Na absorbanco raztopine vplivajo narava topila, pH, temperatura, koncentracija elektrolita, čas trajanja reakcije ter prisotnost snovi, ki interferirajo. Spektrofotometer primerja delež svetlobe, ki preide skozi referenčno raztopino in skozi merjen vzorec. Ko svetloba potuje skozi vzorec, se del svetlobe pri tem absorbira, prepuščena svetloba pa pride do detektorja. Absorpcijo svetlobe podaja Beerov zakon, ki velja le za razredčene raztopine. Obstajata dve glavni različici spektrofotometra – enožarkovni in dvožarkovni. V dvožarkovnem spektrofotometru delitel snopa razdeli svetlobo na dva dela. En snop prehaja skozi referenčno raztopino proti fotodetektorju, istočasno pa drugi prehaja skozi vzorec proti drugemu fotodetektorju. Pri enožarkovnem spektrofotometru pa merjenje zahteva dva koraka.

Slika. Levo: plastična kiveta. Desno: princip delovanje enožarkovnega spektrofotometra.

Slika. Spektrofotometer Hach Lange.


85

3.2.5. Kemijska potreba po kisiku KPK

V okoljski kemiji je merjenje kemijske potrebe po kisiku KPK namenjeno ocenjevanju količine organskih spojin v vodi. Največkrat se test izvaja za določitev organskih spojin v vodotokih in odpadni vodi. Zaradi tega je KPK ustrezno merilo kvalitete voda, izraža se ga v mg/l oziroma ppm, kar vrednoti količino kisika, ki se porabi na liter. Osnova za meritev kemijske potrebe po kisiku je, da se skoraj vse organske spojine lahko oksidirajo do ogljikovega dioksida v prisotnosti močnega oksidanta in pod kislimi pogoji. Količina kisika, ki je potreben za oksidacijo organskih spojin v ogljikov dioksid, amonijak in vodo, je podana z naslednjo enačbo

(

) (

)

Ta izraz vsebuje potrebo po kisiku za proces oksidacije amonijaka v nitrat. Ta proces se imenuje nitrifikacija. Meritev KPK poteka na osnovi reakcije s kalijevim dikromatom, čeprav se je v zgodovini uporabljalo še več drugih spojin. Znani volumen oksidanta dodamo vzorcu raztopine, ki jo analiziramo.

( )

oranžna barva šibka zelena barva Organska snov se pri oksidaciji oksidira s kalijevim dikromatom v 50 % raztopini žveplove (VI) kisline z dodatkom srebra (Ag2SO4) kot katalizatorja in živosrebrovega sulfata (Hg2SO4) kot reducenta predvsem kloridnih ionov. Reakcijo motijo kloridni ioni. Oksidacijo kloridnih ionov preprečimo z dodatkom HgSO4, da nastane topen kloromerkuratni (II) kompleks. Bromidni in jodidni ioni reagirajo podobno. Po dve urni reakciji pri 148°C s spektrofotometrom ali fotometrom izmerimo absorbanco šibko obarvanih kromovih ionov Cr3+. Ta meritev je v skladu s standardom ISO 6060 (1989), s kemijskimi metodami lahko po končani reakciji presežek dodanega dikromata v vzorcu titriramo, na voljo za to so tudi kivetni testi. V primeru, da je v vodi vsa organska snov razgradljiva, sta kemijska in biološka potreba po kisiku enaki. Kadar pa voda vsebuje biološko nerazgradljive organske substance (poleg hišne še druge oblike industrijskih odpadnih vod), potem je kemijska potreba po kisiku večja od biološke. Za mnoge tipe odpadnih voda je možno potegniti vzporednico med njihovo KPK in BPK5. Slednje je lahko zelo koristno, saj je KPK mogoče določiti v roku treh ur, medtem ko za določitev BPK5 potrebujemo pet dni. Biološka razgradljivost nam pove ali je mogoče odpadno vodo biološko čistiti. Prve informacije o razgradljivosti odpadne vode nam daje razmerje BPK5/KPK. Vrednost razmerja BPK5/KPK je za biološko razgradljive vzorce višja kot 0.5.

3.2.6. Celotni organski ogljik (TOC) in raztopljeni organski ogljik (DOC)

Celotni organski ogljik – TOC (Total Organic Carbon) je parameter, s katerim ugotavljamo prisotnost oz. koncentracijo organskih snovi v pitni vodi. TOC predstavlja koncentracijo celotnega organskega ogljika v vodi, vezanega na raztopljene ali suspendirane snovi. Vključene so najrazličnejše oblike kot so: elementarni ogljik, delci saj, onesnaževala kot so: benzen, toluen, cikloheksan, kloroform, cianidi itd. Za določevanje TOC se uporablja analizator TOC, ki omogoča določanje celotnega, organskega in anorganskega ogljika. Koncentracije TOC določamo s s pomočjo TOC analizatorja kot razliko med


86

vsebnostjo skupnega in anorganskega ogljika. Za določevanje TOC vzorec vode prelijemo v steklene epruvetke in vstavimo v analizator. Za določevanje DOC vzorec vode najprej prefiltriramo skozi filter papir in filtrat prelijemo v epruvetko ter vstavimo v analizator. Pripravimo tudi slepo probo pri čemer namesto vzorca vzamemo destilirano vodo. Za rezultate monitoringa pitne vode v Sloveniji je za oceno skladnosti dogovorjena mejna vrednost za TOC 4 mg/l.

3.2.7. Dušik

Celotni dušik je vsota vseh vrst dušikovih spojin, organskega dušika, amonijevega dušika ter nitratnega in nitritnega dušika. Metoda neposrednega določanja organskega dušika ni mogoča, saj pri vsaki metodi še vedno ostane nekaj vezanega anorganskega dušika. Elementarni dušik se prav tako pojavlja v vodi, za biološke procese je nevtralen in se iz vode sam od sebe izloča. Zato za določanje organskega dušika določamo celotni dušik, kateremu odštejemo količino nitratov, nitritov in amonijevega dušika. Slednji so neposredno določljivi. Glavni vir organskega dušika v odpadnih vodah so beljakovine, ki ga prispevajo tudi do 80%. Metoda neposrednega določanja organskega dušika ni mogoča, saj pri vsaki metodi še vedno ostane nekaj vezanega anorganskega dušika. Določanje poteka s pomočjo Kjeldahlove metode, pri kateri pustimo vzorec vode najprej zavreti, da amoniak anorganskega izvora izhlapi. Ta vzorec prepustimo procesu presnove. Med presnovo se organski dušik pretvori v amoniak, katerega količino pa lahko določimo. Kjeldahlov dušik se ugotavlja po enakem postopku kot organski dušik, vendar s to razliko, da se pred pričetkom presnove amoniaka ne odstrani. Kjeldahlov dušik je vsota organskega dušika in amonijevega dušika. Za določanje amonijevega dušika se uporabljajo precej različne metode, med njimi destilacija in titrimetrija ter spektrofotometrija z natrijevim diklorizocianuratom in natrijevim salicilatom. Nitritni dušik se določa kolorimetrično. Je nestabilen in se lahko oksidira v nitratno obliko. Kljub nizkim koncentracijam, v katerih se pojavlja, je pomemben parameter za preučevanje obremenitve voda, saj je zelo toksičen za večino vrst rib in drugih v vodi živečih vrst. Za določanje nitritov v odpadni vodi se uporablja metoda spektrofotometrije ter ionska kromatografija. Nitratni dušik se nahaja v obliki nitratnih ionov, ki so najvišja oksidacijska oblika dušika v odpadnih vodah. Nitratni dušik je mogoče reducirati do elementarnega dušika. Nitratni dušik v vodi določamo s pomočjo ionske kromatografije in spektrofotometrije.

Slika. Avtomatska naprava za določanje skupnega dušika po Kjeldahlu.


87

3.3. Biološke meritve Bakteriološko onesnaženost odpadne vode ugotavljamo z določanjem celokupnega števila klic ter z določanjem koliformnih bakterij. Število koliformnih bakterij izražamo z najverjetnejšim številom MPN (ang. most probable number), ki nam pove, koliko koliformnih bakterij je v 100 ml ali 1 litru odpadne vode. Število koliformnih bakterij lahko prikažemo tudi s koli titrom, kar pomeni najmanjšo količino vode, v kateri je vsaj ena bakterija, njihovo prisotnost pa določamo tudi z metodo membranske filtracije. Slednja poteka tako, da filter, skozi katerega smo precedili odpadno vodo, položimo na specifično selektivno gojišče, kjer porastejo koliformne bakterije v značilni obliki in barvi. Bakterijske kolonije preštejemo in jih izrazimo v količini na 100 ml ali na 1 liter vzorca. Določamo še koliformne bakterije fekalnega izvora in streptokoke fekalnega izvora, strupenost za vodne bolhe inhibicijo nitrifikacije, biološko razgradljivost, aerobno razgradljivost (Zahn Wallensov test), anaerobno razgradljivost itd.

Documents

Laboratorij za vodne in turbinske stroje