Измерения черного углерода — это важная задача в рамках одной из наиболее актуальных экологических проблем, имеющей далеко идущие последствия как для здоровья человека, так и для благополучия окружающей среды и изменения климата.
В нашей информационной статье мы хотим в общих чертах рассмотреть загрязнение воздуха сажей, а также способы ее измерения и контроля.
Если же Вам требуется купить приборы для измерения черного углерода – просто отправьте запрос на нашу электронную почту. Наши сотрудники дадут Вам обратную связь в ближайшее время и ответят на все интересующие вопросы.
Что такое загрязнение воздуха сажей?
Черный углерод, иногда также называемый просто сажей, представляет собой темные, поглощающие свет и тепло углеродсодержащие твердые микроскопические частицы. Они образуются при неполном сгорании биомассы и различных видов топлива.
На сегодня черный углерод признан одним из важнейших компонентов загрязнения воздуха твердыми частицами по всему миру — по некоторым данным на его долю часто приходится до 25% измеренных концентраций PM2,5. При этом некоторые исследования показывают, что воздействие черного углерода в целом на здоровье сильнее, чем воздействие одних только частиц PM2,5, и, несмотря на относительно короткий период их жизни в атмосфере (он оставляет порядка 4-12 дней), черный углерод считается вторым по значимости загрязнителем — большее значение имеет только углекислый газ.
К самым распространенным источникам черного углерода относятся двигатели автомобилей, приготовление пищи на открытом огне и печное отопление домов, некоторые промышленные процессы и лесные пожары. Поскольку сажа образуется при неполном сгорании, она обычно выбрасывается вместе с другими твердыми частицами и прочими загрязняющими веществами, такими как углекислый газ CO2 и летучие органические соединения.
Примечание. Источники выбросов сажи значительно различаются в зависимости от региона. В Азии и Африке исследования выбросов показывают, что сжигание твердого топлива, такого как древесина, в жилых домах составляет 60-80% антропогенных (т.е., производимых человеком) выбросов сажи. В Европе и Северной Америке именно дизельные двигатели составляют приблизительно 70% антропогенных выбросов сажи.
Воздействие частиц сажи на здоровье и климат
Частицы сажи относятся к одним из наиболее опасных мелкодисперсных частиц – PM2,5, то есть их диаметр составляет менее двух с половиной микрометров. Это примерно в 100 раз меньше толщины человеческого волоса.
Учитывая такой малый размер, черный углерод имеет свойство при вдыхании проникать сквозь любые защитные барьеры организма и попадать в самые глубокие отделы легких, легко перебираясь в кровеносную систему и ткани органов. В результате возникает целый ряд проблем со здоровьем, включая заболевания легких и сердца, которые значительно снижают ожидаемую продолжительность жизни.
Помимо этого, воздействие микрочастиц сажи выходит за рамки непосредственной угрозы здоровью человека и представляет собой значительную опасность для окружающей среды. Одним из ее далеко идущих последствий является влияние на растительный мир. Уменьшая количество солнечного света, сажа может влиять на жизнеспособность растительных экосистем, ухудшая их состояние и продуктивность. Это уменьшение количества солнечного света также способствует возникновению смога, создавая завесу, которая изменяет визуальный ландшафт и влияет на общее состояние растительности.
Локальное потепление воздуха, вызванное присутствием в нем значительных концентраций сажи, может привести к быстрым изменениям в характере выпадения осадков и повышения облачности в атмосфере, влияя на региональную циркуляцию и характер выпадения осадков.
Также черный углерод оказывает значительное влияние на полярные регионы, где отложение сажи в Арктике нарушает хрупкий баланс снега и льда. Сажа черная и при выпадении на снег снижает его альбедо, то есть способность отражать солнечное излучение обратно в космос. Результатом становится постепенное таяние ледников и потеря участков вечной мерзлоты в приполярных областях.
Методики измерения черного углерода
Концентрации сажи обычно указываются в микрограммах или нанограммах на кубический метр (обозначается как мкг/м3 и нг/м3 соответственно). Сам процесс измерений может проводиться различными методами и технологиями, хотя наиболее часто используются либо термические/оптические методы, либо абсорбционная фотометрия.
Термооптические методики предусматривают долговременный сбор твердых частиц из воздуха на специальный фильтр. В дальнейшем проводится определение содержания черного углерода путем нагревания этого фильтра до различных температур и измерения испаряющегося вещества.
Данная метода позволяет отличить чистый элементарный углерод (очень похожий на сажу, но все же отличающийся) от настоящего органического углерода. В результате получается высокоточная количественная оценка состава элементарного и органического углерода в твердых частицах образца, но этот метод трудоемкий, дорогостоящий и занимает очень много времени, что делает измерения в реальном времени сложными и непрактичными.
Абсорбционные (или оптические) методы по принципу действия схожи с вышеописанным методом: частицы из воздуха также собираются на фильтрующий материал, а для определения наличия черного углерода используется лазер или светодиодный источник света.
Черный углерод активно поглощает свет на длине волны около 880 нм (то есть в инфракрасном или ближнем инфракрасном спектре), и аналогичная способность практически не встречается у других распространенных в земной атмосфере частиц.
Таким образом, если измерить количество света с длиной волны 880 нм, проходящего через фильтр, как до, так и после пропускания пробы воздуха через него, разница в поглощении излучения будет указывать на пропорциональное содержание именно сажи.
Эта зависимость настолько надёжна, что основной принцип оптической физики, называемый законом Бера, может быть использован для прямого перевода количества «потерянного» света в оценку массы частиц сажи, осевших на фильтре во время анализа такой пробы воздуха.
Абсорбционный метод измерения черного углерода активно применяется в технологии аэталометрии. Она отличается практичностью и относительно низкой стоимостью, а также дает возможность получать данные в режиме реального времени с помощью компактных приборов.
Некоторые аэталометры способны измерять концентрацию сажи на нескольких длинах волн, обеспечивая непрерывное получение информации о различных источниках загрязнения.
Эта особенность может иметь большое значение, поскольку сажа, как правило, существует в сложных углеродсодержащих аэрозольных смесях. Состав этих смесей зависит от топлива, которое сжигалось при их образовании, и, следовательно, информация о составе может дать подсказки о том, на какие источники черного углерода стоит обратить внимание.
Суть в том, что при сжигании ископаемого топлива образуется относительно чистый графитовый чёрный углерод, который поглощает свет с одинаковой интенсивностью в ближнем инфракрасном (ИК) и ближнем ультрафиолетовом (УФ) диапазонах длин волн, в то время как углеродсодержащие аэрозольные смеси, образующиеся при сжигании биомассы, такой как древесина и сельскохозяйственные отходы, как правило, богаты как чёрным, так и органическим углеродом, который поглощает ближний ультрафиолет сильнее, чем ближний инфракрасный свет. Оптические мониторы чёрного углерода, измеряющие его на нескольких длинах волн в диапазоне ИК-УФ, улавливают эту разницу, предоставляя информацию о количестве чёрного и органического углерода в измеренном образце.
Важным явлением может быть эффект оптического поглощения при высокой фильтрующей нагрузке — когда фильтры для отбора проб меняются достаточно редко или отбор проб проводится в течение длительного времени при особенно высоких концентрациях. По сути, при достаточном количестве проб частицы начинают накапливаться на фильтре таким образом, что это приводит к перекрытию эффектов поглощения света другими частицами. для решения данной проблемы в приборах аэталометрах часто используется фильтрующая лента с возможностью автоматической подачи ее через измерительную камеру.
Купить аэталометры для измерения черного углерода
Вам требуется купить оборудование для измерения черного углерода? Просто отправьте запрос на нашу электронную почту. Наши сотрудники дадут Вам обратную связь в ближайшее время и ответят на все интересующие вопросы.
Опции поставщика включают в себя: постоплату по условиям тендера, подбор дополнительных опций и комплектующих, обучение использованию поставляемого оборудования, ремонт и техническое обслуживание.