Messung von bodennahem Ozon

Measuring Tropospheric Ozone

JoVE Science Education
Environmental Science

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Environmental Science

Measuring Tropospheric Ozone

26,475 Views

•

07:49 min

•

February 23, 2015

Overview

Quelle: Labors von Margaret Workman und Kimberly Frye – Depaul University

Ozon ist eine Form des elementaren Sauerstoffs (O₃), ein Molekül von drei Sauerstoffatome gebunden in einer Struktur, die hochreaktive als Oxidationsmittel ist. Ozon tritt in der Stratosphäre und Troposphäre Ebenen der Atmosphäre. Wenn in der Stratosphäre (befindet sich ca. 10-50 km über der Erdoberfläche), Ozonmoleküle die Ozon-Schicht bilden und verhindern, dass schädliche UV-Strahlen erreichen die Erdoberfläche. In tieferen Lagen der Troposphäre (Oberfläche – ca. 17 km) Ozon ist schädlich für die menschliche Gesundheit und gilt als ein Luftschadstoff zur photochemischen Smog (Abbildung 1). Ozonmoleküle können direkt per schädigen Atemwege Gewebe beim Einatmen oder indirekt Schaden Pflanzengewebe (Abbildung 2) und weicheren Materialien inkl. Reifen auf Autos beschädigen.

Outdoor-troposphärisches Ozon in Bodennähe entsteht, wenn Stickoxide (NO_X) und flüchtige organische Verbindungen (VOC) von Automobil-Emissionen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Infolgedessen eskalieren gesundheitlichen Bedenken über Ozonkonzentrationen in sonnigen Bedingungen oder wann und wo Automobil Verwendung erhöht wird.

Reaktion:₂ + VOC + Sonnenlicht → O₃ (+ andere Produkte)

Indoor bodennahes Ozon entsteht, wenn die chemischen Bindungen von Luftsauerstoff (O₂) in der Luft rund um die Ausrüstung elektrische Entladungen von Geräten mit hohen Spannungen (z.B. ionische Luftreiniger, Laserdrucker, Kopierer) brechen:

O₂ → 2 O

Die freien Radikale Sauerstoff in und um elektrische Entladung rekombinieren um Ozon (O₃) zu erstellen.

2 O + 2 O₂→ 2 O₃

Abbildung 1: Golden Gate Bridge panorama

Charakteristische Färbung für Smog in Kalifornien in der Beige Wolkenbank hinter der Golden Gate Bridge. Die braune Färbung ist aufgrund der NOx in photochemischem Smog.

Abbildung 2: Pflanzen beschädigt durch Ozon. Obersten Zeile ist normal, untere Reihe Ozon ausgesetzt war.

Principles

Bodennahes Ozon kann durch die Verwendung einer Mischungaus aus Stärke, Kaliumjodid und Wasser verteilt auf Filterpapier überwacht werden. Sobald getrocknet, verfärbt sich das Papier, genannt Schönbein Papier, wenn Ozon vorhanden ist.

Die Methode beruht auf der Oxidation-Fähigkeit von Ozon. Ozon in der Luft wird die Kaliumjodid auf das Testpapier Jod produzieren oxidieren:

2 kl O₃ H₂O → 2 KOH + O₂ + ich₂

Das Jod reagiert dann mit der Stärke, das Papier einen Farbton des Veilchens Färbung. Die Intensität der Farbe hängt die Menge des Ozons in der Luft vorhanden. Je dunkler die Farbe, je mehr Ozon ist vorhanden:

Ich₃^–+ Stärke → violette Farbe

Ozonkonzentration an verschiedenen Standorten des höheren Risikos einschließlich Parkplätze, Garagen, Alleen und Ecken der stark befahrenen Straßen abgetastet. Indoor-Websites gehören Zimmer und Räume mit Geräten, die mit Tinte drucken, wie z. B. Kopierer.

Procedure

(1) Schönbein Papier Vorbereitung

Statt 100 mL destilliertem Wasser in einem 250-mL-Becherglas.
1¼ Teelöffel Stärkemehl hinzufügen.
Stir Bar in den Becher, und stellen Sie den Becher auf einem Teller warm/rühren. Auf eine mittlere bis hohe Einstellung erhitzen Sie und umrühren Sie die Mischung langsam, bis es in der Nähe von ca. 90 ° c Gele Die Mischung ist geliert, wenn sie verdickt und wird etwas durchscheinend.
Nehmen Sie das Becherglas von der Heizquelle, ¼ Teelöffel Kaliumjodid hinzufügen und gut umrühren.
Kühlen Sie die Lösung vor dem Auftragen auf das Filterpapier.
Legen Sie ein Stück Filterpapier auf einer Glasplatte oder in der Luft zu halten Sie, und mit einem kleinen Pinsel, sorgfältig Bürsten Sie die Paste auf das Filterpapier. Das Filterpapier umdrehen und das gleiche auf der anderen Seite tun. Versuchen Sie, die Paste so gleichmäßig wie möglich anzuwenden.
Legen Sie das Papier über Nacht und ohne Sonneneinstrahlung oder in eine niedrige Temperatur (20 ° C) trocknen Backofen trocknen.
Sobald das Papier trocken ist, mit einer Schere das Filterpapier in 1-Zoll-breite Streifen schneiden. Wenn das Papier für die spätere Verwendung speichern, legen Sie die Streifen in einem verschließbaren Beutel oder Glas Plastikglas, vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt.

(2) Ozon-Messung

Spray Papierstreifen Test mit destilliertem Wasser und hängen Sie ein Minimum von drei Streifen an jedem Daten-Sammlung-Standort ohne direkte Sonneneinstrahlung. Hänge fest Tapen oder Heften ein Ende des Bandes zu einer Struktur (z.B. Wand, Parkhäuser, Lichtmasten). Streifen können auch aufgehängt werden, verwenden Sie Draht mit einem Ende in den Boden getrieben und das andere Ende an den Streifen befestigt. Stellen Sie sicher, dass die Streifen frei hängen.
Setzen Sie das Papier für ca. 8 h Hinweis wo jeder Streifen aufgehängt wurde, und verwenden Sie Wetterdaten Relative Feuchte Lage während der Belichtung Papier aufzeichnen. Alternativ kann ein Psychrometer verwendet werden, um Relative Luftfeuchtigkeit der einzelnen Websites zu messen.
Wenn die Ergebnisse nicht sofort mit aufgenommen, verschließen Sie die Streifen in einem luftdichten Behälter nach Exposition.
Zu beobachten und aufzeichnen Testergebnisse, sprühen Sie das Papier mit destilliertem Wasser.
Beobachten Sie die Farbe durch einen Vergleich mit der mitgelieferten Farbskala und Erfassung der entsprechenden Anzahl von Schönbein. Berechnen Sie die durchschnittliche Anzahl der Sorbonne für jeden Standort.
Die Relative Luftfeuchtigkeit Daten für jede Site verwenden und die Relative Luftfeuchtigkeit Schönbein Anzahl Diagramm (Abbildung 3) Schönbein Website konvertieren im Durchschnitt um Ozonkonzentration (ppb).

Abbildung 3. Relative Luftfeuchtigkeit Schönbein Anzahl Diagramm

Ozon ist eine Form der elementaren Sauerstoff, der kommt in der Atmosphäre und ist als ein Luftschadstoff gesundheitsschädlich eingestuft. Mit Hilfe der Sorbonne-Technik, können Ozonwerte an Standorten von Interesse quantifiziert werden. Ozonmoleküle bestehen aus drei Sauerstoffatome gebunden in einer Struktur, die hochreaktive als Oxidationsmittel ist, und sie kommen in die Stratosphäre und Troposphäre Ebenen der Atmosphäre.

Ozonmoleküle in der Stratosphäre bilden die Ozon-Schicht, welche schädliche UV-Strahlen verhindert die Erdoberfläche erreicht. In tieferen Lagen der Troposphäre Ozon ist schädlich für die menschliche Gesundheit, und als Schadstoff trägt zur photochemischer Smog. Ozon kann direkt schädigen Atemwege Gewebe bei Einatmen oder Schaden Pflanzengewebe und weichere Materialien, einschließlich Reifen auf Fahrzeugen.

Anwesenheit von Ozon in der Troposphäre kann mit Schönbein Papier, eine Mischung aus Stärke, Kaliumjodid und Wasser verteilt auf Filterpapier quantifiziert werden. Nach dem Trocknen, verfärbt sich das Papier im Beisein von Ozon.

Dieses Video wird den Prozess der Papierherstellung Schönbein, platzieren und lesen Teststreifen und Quantifizierung der Ozonwerte mit der Sorbonne-Farbskala verdeutlichen.

Eine Möglichkeit, dass im freien Troposphäre Ozon in Bodennähe entsteht ist bei Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen aus Automobil-Emissionen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Folglich, Bedingungen für die Bildung von Ozon und eskalierten Gesundheit Sorge in sonnigen Umgebungen oder zeitweise zu erhöhen oder Standorte von schweren Auto verwenden.

Innenaufnahme, troposphärisches Ozon gebildet werden kann, wenn elektrische Entladung von Hochspannung Ausrüstung wie ionische Luftreiniger, Laserdrucker oder Kopierer, brechen die chemischen Bindungen der atmosphärischen Sauerstoff in der Umgebungsluft. Die freien Radikale Sauerstoff kombinieren dann mit einem Sauerstoff-Molekül in der Luft um Ozon zu erstellen.

Verwendung von Schönbein Papier, Filterpapier imprägniert mit Stärke und Kaliumiodid-Lösung kann troposphärisches Ozon quantifiziert werden. Ozon in der Luft wird die Kaliumjodid auf dem Papier, Herstellung von Jod oxidiert. Das Jod reagiert mit Jodid Triiodide, produzieren, die dann mit der Stärke auch auf dem Papier, einem tiefen violett färben reagiert. Intensität dieser Farbe hängt von der Menge des Ozons in der Luft vorhanden mit dunkleren Farben zeigt höhere Mengen von bodennahem Ozon.

Bestimmung der Ozonkonzentration mit dieser Methode kann an fast jedem Ort, drinnen oder im Freien durchgeführt werden. Nun, da wir die Prinzipien, die hinter der Schönbein Messung kennen, lassen Sie uns schauen Sie sich das Experiment durchführen.

Um den Vorgang zu starten, legen Sie 100 mL destilliertem Wasser in einem 250-mL-Becherglas. Dies fügen Sie 6 g Speisestärke hinzu. Stellen Sie den Becher auf einen beheizten rühren Teller. Schalten Sie die Hitze auf eine mittlere-hohe Einstellung, und rühren Sie die Mischung, bis es ca. 90 ° C erreicht und ein Gel bildet. Als nächstes entfernen Sie das Becherglas von der Wärmequelle zu und fügen Sie 1 g oder ¼ Teelöffel, Kaliumjodid und umrühren Sie, bis die Kaliumjodid aufgelöst ist. Lassen Sie die Lösung für 5 Minuten auf der Bank-Oberseite abkühlen.

Ein Stück Filterpapier auf eine Glasplatte legen und mit einem kleinen Pinsel sorgfältig Bürsten Sie die Paste auf das Filterpapier. Drehen Sie das Filterpapier über und wiederholen Sie auf der anderen Seite, die Paste so gleichmäßig wie möglich anwenden. Legen Sie das Papier über Nacht ohne Sonneneinstrahlung trocknen. Alternativ legen Sie in einem Trockenschrank bei 20 ° C trocknen. Nach dem Trocknen schneiden Sie das Papier in 1 Zoll breite Streifen. Wenn das Papier für die spätere Verwendung speichern, legen Sie die Streifen in einem verschließbaren Beutel oder Glas Plastikglas vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt.

Um Ozon zu erkennen, zuerst spray die Papierstreifen Test leicht mit destilliertem Wasser. Hängen Sie ein Minimum von drei Streifen an jedem Daten-Sammlung-Standort vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt, sicher befestigt an einem Ende zu einer Struktur oder durch Draht aufgehängt. Stellen Sie sicher, dass die Streifen frei sind. Lassen Sie die Teststreifen für 8 h zu hängen.

Beachten Sie, wo jeder Streifen aufgehängt wurde, und mit einem Psychrometer, Maß Relative Luftfeuchtigkeit an jedem Standort. Alternativ Zugriff auf Wetterdaten, Rekord Relative Luftfeuchtigkeit an jedem Standort während der Belichtung von Papier. Wenn die Ergebnisse nicht sofort gelesen werden, können Streifen nach der Belichtung in einem luftdichten Behälter abzudichten.

Zu beobachten und aufzeichnen Testergebnisse, sprühen Sie das Papier mit destilliertem Wasser. Beobachten Sie die Farbe durch den Vergleich mit der Farbskala Schönbein und notieren Sie die entsprechende Anzahl. Berechnen Sie die durchschnittliche Anzahl der Sorbonne für jeden Standort.

Die Relative Luftfeuchtigkeit Daten für jede Site verwenden und die Relative Luftfeuchtigkeit Schönbein Anzahl Diagramm Schönbein Website konvertieren durchschnittlich Ozonkonzentration oder Teile pro Milliarde.

Die Fähigkeit zur Messung und Aufzeichnung der bodennahen Ozonkonzentrationen hat viele verschiedene Anwendungen können, und die Ergebnisse solcher Tests erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Bevölkerung.

In dicht besiedelten städtischen Zentren, die Konvergenz der hohen Kfz-Verkehr und dichten menschlichen Bevölkerung kann ein Anliegen für Ozon im Zusammenhang mit gesundheitlichen Problemen. Aktuelle US-Schwellenwerte für Ozon festgelegten der Occupational Safety and Health Administration sind bei 0,1 ppm. Gesundheitsrisiken der Exposition oberhalb dieser Ebene einschließlich Kopfschmerzen; Augen-, Nasen- und Hustenreiz; Lungenschäden und Blutung, unter anderem. In städtischen Chicagoland verzeichneten Teststreifen platziert für 8 h an einem Julitag in Evanston, Cicero und Northbrook Ozonwerte 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb.

Innenaufnahme, sichere Schwellenwerte für Ozon-Niveaus sind die gleichen wie im Freien, und tragen die gleichen möglichen gesundheitlichen Risiken. Zur Gewährleistung der Sicherheit der Arbeitnehmer oder Gebäude Bewohner sollten alle Räumlichkeiten mit großen Mengen an Hochspannungsanlagen Ozonwerte getestet werden. Streifen im Maschinenraum Kopie für 8 h platziert verzeichnete eine indoor Ozon 5 ppb, was weit unter dem United States Office of Safety-Richtlinien liegt.

Aufgrund der Klage des Sonnenlichts Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen in Ozon umzuwandeln kann Hitzewellen oder außergewöhnlich sonnigen Perioden von Belang für die Stadtbewohner. Ozonwerte kann im Laufe der Zeit ein Bild des potenziellen Risikos, Überwachungund ermöglichen es den Behörden Warnungen oder bitten Einwohner, Automobile in Zeiten der hohen Ozon zu reduzieren.

Sie sah nur Jupiters Einführung zur Messung von bodennahen Ozon. Sie sollten jetzt wissen, wie troposphärisches Ozon gebildet wird und warum es ein Anliegen ist wie Schönbein Papier Test für Ozon und wie interpretieren Testergebnisse zu machen. Danke fürs Zuschauen!

Results

Verwenden Sie die Schönbein Nummer Skala (Abbildung 4) für die Quantitative Analyse von Ozon. Das Diagramm wird verwendet, um mit Probe Papiere nach 8 h der Exposition an Probe Standorten zu vergleichen. Verwenden Sie Relative Luftfeuchtigkeit Schönbein Anzahl Diagramm konvertieren Schönbein Partituren auf Ozonkonzentration (ppb) (Abbildung 5).

Ergebnis steigt mit zunehmender Intensität der Farbe, mit der dunkelsten violett auf der rechten Seite der Skala. Ergebnisse sollten je nach der Lage des Standortes Sammlung (Abbildung 5) variieren.

Abbildung 4. Schönbein Anzahl Skala

Abbildung 5. Grafische Darstellung der Probe Ozonkonzentrationen.
Innen- und troposphärisches Ozon-Konzentrationen von Website und Schönbein Ergebnis gezeigt.

Applications and Summary

Bodennahes Ozon-Exposition ist schädlich für die menschliche Gesundheit; bekannte, Schmerzen in der Brust, Husten, Hustenreiz und Staus zu verursachen. Ozon auch stört Lungenfunktion, Verschlimmerung der Symptome von Asthma, Bronchitis und Emphysem und Lungengewebe dauerhaft schädigen kann.

Outdoor-Locations der erhöhte Mengen von Sonnenlicht und städtischen Gebieten erleben höhere Ebenen des troposphärischen Ozons aufgrund erhöhter Menge und Dichte der Nitratemissionen. Innenräumen, wo Kopiergeräte und Drucker Tinte verwendet werden, sind auch Risikobereiche für Ozonbelastung. Aktuelle US-Schwellenwerte für Ozon, festgelegt von der Büro für Sicherheit und Gesundheit, beträgt 0,1 ppm mit gesundheitlichen Risiken einschließlich Kopfschmerzen, Reizungen der Augen, Nase und Hals, Gehirn und Nervensystem Schaden, Lungenschäden, chronischen Atemwegserkrankungen, Lungenstauung, Ödeme und Blutungen.

Transcript

Ozone is a form of elemental oxygen that occurs in the atmosphere, and is classed as an air pollutant harmful to human health. Using the Schönbein technique, levels of ozone at sites of interest can be quantified. Ozone molecules are comprised of three oxygen atoms bonded in a structure that is highly reactive as an oxidizing agent, and they occur in both the stratosphere and troposphere levels of the atmosphere.

Ozone molecules in the stratosphere form the ozone layer, which helps prevent harmful UV rays from reaching the Earth’s surface. In lower altitudes of the troposphere, ozone is harmful to human health, and as a pollutant contributes to photochemical smog. Ozone can directly damage human respiratory tissue if inhaled, or harm plant tissues and softer materials, including tires on vehicles.

Ozone presence in the troposphere can be quantified using Schönbein paper, a mixture of starch, potassium iodide, and water spread on filter paper. Once dry, the paper changes color in the presence of ozone.

This video will illustrate the process of making Schönbein paper, placing and reading test strips, and quantifying ozone levels using the Schönbein color scale.

One way that outdoor tropospheric ozone is formed at ground level is when nitrous oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. Consequently, conditions for ozone formation and escalated health concern increase in sunny environments, or at times or locations of heavy automobile use.

Indoors, tropospheric ozone can be formed when electrical discharge from high voltage equipment, like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers, break down the chemical bonds of atmospheric oxygen in the surrounding air. The free radicals of oxygen then combine with an oxygen molecule in the air to create ozone.

Using Schönbein paper, filter paper impregnated with a starch and potassium iodide solution, tropospheric ozone can be quantified. Ozone in the air will oxidize the potassium iodide on the paper, producing iodine. The iodine reacts with iodide to produce triiodide, which then reacts with the starch also present on the paper, staining it a deep violet. Intensity of this color will depend on the amount of ozone present in the air, with darker colors indicating higher amounts of tropospheric ozone.

Determining the ozone concentration using this method can be performed at almost any site, indoor or outdoors. Now that we are familiar with the principles behind the Schönbein measurement, let us take a look at how to perform the experiment.

To begin the procedure, place 100 mL of distilled water into a 250-mL beaker. To this, add 6 g of cornstarch. Place the beaker onto a heated stir plate. Turn the heat to a medium-high setting, and stir the mixture until it reaches approximately 90 °C and forms a gel. Next, remove the beaker from the heat source and add 1 g, or ¼ teaspoon, of potassium iodide and stir thoroughly until the potassium iodide is dissolved. Allow the solution to cool for 5 min on the bench top.

Lay a piece of filter paper on a glass plate, and using a small paintbrush, carefully brush the paste onto the filter paper. Turn the filter paper over and repeat on the other side, applying the paste as uniformly as possible. Set the paper out overnight away from sunlight to dry. Alternatively, place in a drying oven at 20 °C until dry. Once dry, cut the paper into 1-inch wide strips. If storing the paper for later use, place the strips in a sealable plastic bag or glass jar out of direct sunlight.

To detect ozone, first spray the strips of test paper lightly with distilled water. Hang a minimum of three strips at each data collection site out of direct sunlight, securely fastened by one end to a structure, or hung by wire. Ensure the strips are unobstructed. Leave the test strips to hang for 8 h.

Note where each strip was hung, and using a psychrometer, measure relative humidity at each site. Alternatively, accessing weather data, record relative humidity at each location during paper exposure. If results will not be read immediately, strips can be sealed in an airtight container after exposure.

To observe and record test results, spray the paper with distilled water. Observe the color by comparing it to the Schönbein color scale and record the corresponding number. Calculate the average Schönbein number for each site.

Use the relative humidity data for each site and the Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert Schönbein site averages to ozone concentration, or parts per billion.

The ability to measure and record tropospheric ozone levels has many diverse applications, and the results of such tests can have significant implications for human populations.

In heavily populated urban centers, the convergence of high automobile traffic and dense human population can be a concern for ozone related health problems. Current US thresholds for ozone set by the Occupational Safety and Health Administration are at 0.1 ppm. Health risks of exposure above this level including headaches; eye, nose, and throat irritation; lung damage and hemorrhage, amongst others. In urban Chicagoland, test strips placed for 8 h on a July day in Evanston, Cicero, and Northbrook recorded ozone levels of 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, respectively.

Indoors, safe thresholds for ozone levels are the same as outdoors, and carry the same potential health risks. To ensure the safety of workers or building residents, any premises with large amounts of high-voltage equipment should be tested for ozone levels. Strips placed in the copy machine room for 8 h recorded an indoor ozone level of 5 ppb, which is well below the United States Office of Safety guidelines.

Because of the action of sunlight transforming nitrous oxide and volatile organic compounds into ozone, heatwaves or exceptionally sunny periods can be of concern for urban residents. Monitoring ozone levels over time can build up a picture of potential risk, and allow authorities to issue warnings or ask residents to reduce automobile use at times of high ozone.

You’ve just watched JoVE’s introduction to measuring tropospheric ozone. You should now understand how tropospheric ozone is formed and why it is a concern, how to make Schönbein paper to test for ozone, and how to interpret test results. Thanks for watching!

Tags

Leerer Wert Problem