מדידת אוזון טרופוספירי
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
אוזון הוא סוג של חמצן בסיסי (O3), מולקולה של שלושה אטומי חמצן המלוכדים במבנה שהוא תגובתי…
1. הכנת נייר שנביין
- מניחים 100 מ"ל של מים מזוקקים בכוס 250 מ"ל.
- מוסיפים 11/4 כפית קורנפלור.
- מניחים בר ערבוב על הכוס, ומניחים את הכוס על צלחת חמה / ערבוב. מחממים על הגדרה בינונית עד גבוהה, ומערבבים את התערובת לאט עד שהיא ג'לים ליד כ 90 מעלות צלזיוס. התערובת מנוטרל כאשר היא מתעבה והופכת לשקוף במקצת.
- מוציאים את הכצר ממקור החום, מוסיפים 1/4 כפית אשלגן יודיד ומערבבים היטב.
- מצננים את הפתרון לפני החלה על נייר הסינון.
- מניחים פיסת נייר סינון על צלחת זכוכית או מחזיקים אותה באוויר, ובאמצעות מברשת צבע קטנה, מברישים בזהירות את הדבק על נייר המסנן. הפוך את נייר הסינון ואעשה את אותו הדבר בצד השני. נסה להחיל את הדבק בצורה אחידה ככל האפשר.
- יש להניח את הנייר למשך הלילה והרחק מאור השמש, או להניח בטמפרטורה נמוכה (20 מעלות צלזיוס) תנור ייבוש לייבוש.
- לאחר שהנייר יבש, השתמש במספריים כדי לחתוך את נייר הסינון לרצועות ברוחב 1 אינץ'. אם מאחסנים את הנייר לשימוש מאוחר יותר, מניחים את הרצועות בשקית ניילון אטומה או בצנצנת זכוכית, מתוך אור שמש ישיר.
2. מדידת אוזון
- לרסס רצועות נייר בדיקה במים מזוקקים ולתלות מינימום של שלוש רצועות בכל אתר איסוף נתונים מתוך אור שמש ישיר. לתלות על ידי הדבקה מאובטחת או דבק קצה אחד של הרצועה למבנה(למשל קיר, בלוקים חניה, עמודי תאורה). רצועות ניתן לתלות גם באמצעות חוט עם קצה אחד מונע לתוך הקרקע ואת הקצה השני מאובטח לרצועה. ודא שהרצועות תלויות ללא הפרעה.
- לחשוף את הנייר במשך כ 8 שעות. שים לב היכן כל רצועה נתלתה והשתמש בנתוני מזג אוויר כדי לתעד מיקום לחות יחסי במהלך חשיפה לנייר. לחלופין, פסילומט יכול לשמש למדידת לחות יחסית של כל אתר.
- אם התוצאות לא יירשמו באופן מיידי, אטמו את הרצועה במיכל אטום לאחר החשיפה.
- כדי לצפות ולתעד תוצאות בדיקה, לרסס את הנייר במים מזוקקים.
- שים לב לצבע על-ידי השוואתו לקנה המידה של הצבע שסופק והקלטת מספר שנביין המתאים. חשב את מספר שנביין הממוצע עבור כל אתר.
- השתמש בנתוני הלחות היחסית עבור כל אתר ובתרשים המספרים של שנביין הלחות היחסית(איור 3)כדי להמיר את ממוצעי האתר של שנביין לריכוז האוזון (ppb).
איור 3. תרשים מספר שנביין לחות יחסית
אוזון הוא סוג של חמצן יסודי המופיע באטמוספירה, ומסווג כמזהם אוויר המזיק לבריאות האדם. באמצעות טכניקת Sch?nbein, ניתן לכמת את רמות האוזון באתרים מעניינים. מולקולות אוזון מורכבות משלושה אטומי חמצן הקשורים במבנה בעל תגובתיות גבוהה כחומר מחמצן, והם מופיעים הן ברמת הסטרטוספירה והן ברמת הטרופוספירה של האטמוספירה.
מולקולות אוזון בסטרטוספירה יוצרות את שכבת האוזון, המסייעת במניעת קרני UV מזיקות להגיע לפני השטח של כדור הארץ. בגבהים נמוכים יותר של הטרופוספירה, האוזון מזיק לבריאות האדם, וכמזהם תורם לערפיח פוטוכימי. אוזון יכול לפגוע ישירות ברקמת הנשימה האנושית בשאיפה, או לפגוע ברקמות צמחים ובחומרים רכים יותר, כולל צמיגים בכלי רכב.
ניתן לכמת את נוכחות האוזון בטרופוספירה באמצעות נייר Sch?nbein, תערובת של עמילן, אשלגן יודיד ומים המפוזרים על נייר פילטר. לאחר הייבוש, הנייר משנה את צבעו בנוכחות אוזון.
סרטון זה ימחיש את תהליך הכנת נייר Sch?nbein, הצבה וקריאה של רצועות בדיקה וכימות רמות האוזון באמצעות סולם הצבעים Sch?nbein.
אחת הדרכים שבהן אוזון טרופוספרי חיצוני נוצר בגובה פני הקרקע היא כאשר תחמוצות חנקן ותרכובות אורגניות נדיפות מפליטות מכוניות נחשפות לאור השמש. כתוצאה מכך, התנאים להיווצרות אוזון והדאגה הבריאותית המוגברת מתגברים בסביבות שטופות שמש, או בזמנים או במקומות של שימוש כבד במכוניות.
בתוך הבית, אוזון טרופוספרי יכול להיווצר כאשר פריקה חשמלית מציוד מתח גבוה, כמו מטהרי אוויר יוניים, מדפסות לייזר או מכונות צילום, מפרקת את הקשרים הכימיים של חמצן אטמוספרי באוויר שמסביב. הרדיקלים החופשיים של החמצן משתלבים עם מולקולת חמצן באוויר ליצירת אוזון.
באמצעות נייר Sch?nbein, נייר סינון ספוג בתמיסת עמילן ואשלגן יודיד, ניתן לכמת אוזון טרופוספרי. אוזון באוויר יחמצן את אשלגן יודיד על הנייר, וייצר יוד. היוד מגיב עם יוד לייצור טריודיד, אשר לאחר מכן מגיב עם העמילן הקיים גם על הנייר, ומכתים אותו בסגול עמוק. עוצמת צבע זה תהיה תלויה בכמות האוזון הקיימת באוויר, כאשר צבעים כהים יותר מצביעים על כמויות גבוהות יותר של אוזון טרופוספרי.
קביעת ריכוז האוזון בשיטה זו יכולה להתבצע כמעט בכל אתר, בפנים או בחוץ. כעת, לאחר שאנו מכירים את העקרונות מאחורי מדידת שנביין, בואו נסתכל כיצד לבצע את הניסוי.
כדי להתחיל בהליך, הניחו 100 מ"ל מים מזוקקים לכוס של 250 מ"ל. לכך מוסיפים 6 גרם עמילן תירס. מניחים את הכוס על צלחת ערבוב מחוממת. מנמיכים את האש להגדרה בינונית-גבוהה, ומערבבים את התערובת עד שהיא מגיעה לכ-90 ? C ויוצר ג'ל. לאחר מכן, הסר את הכוס ממקור החום והוסף 1 גרם, או ? כפית, של אשלגן יודיד ומערבבים היטב עד להמסת האשלגן יודיד. הניחו לתמיסה להתקרר במשך 5 דקות על משטח הספסל.
הניחו פיסת נייר פילטר על צלחת זכוכית, ובעזרת מברשת קטנה הברישו בזהירות את הדבק על נייר המסנן. הפוך את נייר הסינון וחזור על הצד השני, החל את הדבק בצורה אחידה ככל האפשר. הנח את הנייר למשך הלילה הרחק מאור השמש לייבוש. לחלופין, הכניסו לתנור ייבוש ב-20? C עד לייבוש. לאחר הייבוש, חותכים את הנייר לרצועות ברוחב 1 אינץ '. אם אתה מאחסן את הנייר לשימוש מאוחר יותר, הנח את הרצועות בשקית ניילון אטומה או בצנצנת זכוכית הרחק מאור שמש ישיר.
כדי לזהות אוזון, יש לרסס תחילה את רצועות נייר הבדיקה קלות במים מזוקקים. תלו לפחות שלוש רצועות בכל אתר איסוף נתונים הרחק מאור שמש ישיר, מהודקות היטב בקצה אחד למבנה, או תלויות בחוט. ודא שהרצועות אינן חסומות. השאירו את רצועות הבדיקה לתלייה למשך 8 שעות.
שימו לב היכן נתלתה כל רצועה, ובעזרת פסיכומטר, מדדו את הלחות היחסית בכל אתר. לחלופין, גישה לנתוני מזג אוויר, רשום לחות יחסית בכל מיקום במהלך החשיפה לנייר. אם התוצאות לא ייקראו מיד, ניתן לאטום את הרצועות בכלי אטום לאחר החשיפה.
כדי לצפות ולתעד את תוצאות הבדיקה, רסס את הנייר במים מזוקקים. התבונן בצבע על ידי השוואה לסולם הצבעים Sch?nbein ורשום את המספר המתאים. חשב את מספר Sch?nbein הממוצע עבור כל אתר.
השתמש בנתוני הלחות היחסית עבור כל אתר ובתרשים המספרים של הלחות היחסית Sch?nbein כדי להמיר את ממוצעי אתר Sch?nbein לריכוז אוזון, או חלקים למיליארד.
ליכולת למדוד ולתעד את רמות האוזון הטרופוספרי יש יישומים רבים ומגוונים, ולתוצאות של בדיקות כאלה יכולות להיות השלכות משמעותיות על אוכלוסיות אנושיות.
במרכזים עירוניים מאוכלסים בצפיפות, התכנסות של תנועת מכוניות גבוהה ואוכלוסייה אנושית צפופה יכולה להוות דאגה לבעיות בריאות הקשורות לאוזון. הסף הנוכחי בארה"ב לאוזון שנקבע על ידי מינהל הבטיחות והבריאות התעסוקתית הוא 0.1 ppm. סיכונים בריאותיים של חשיפה מעל רמה זו כולל כאבי ראש; גירוי בעיניים, באף ובגרון; נזק לריאות ודימום, בין היתר. בשיקגולנד העירונית, רצועות בדיקה שהוצבו במשך 8 שעות ביום יולי באוונסטון, קיקרו ונורת'ברוק תיעדו רמות אוזון של 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, בהתאמה.
בתוך הבית, הסף הבטוח לרמות האוזון זהה לזה שבחוץ, וטומן בחובו את אותם סיכונים בריאותיים פוטנציאליים. כדי להבטיח את בטיחותם של העובדים או דיירי הבניין, יש לבדוק את רמות האוזון בכל מקום עם כמויות גדולות של ציוד מתח גבוה. רצועות שהונחו בחדר מכונות הצילום במשך 8 שעות רשמו רמת אוזון פנימית של 5 ppb, שהיא הרבה מתחת להנחיות משרד הבטיחות של ארצות הברית.
בגלל פעולת אור השמש ההופכת תחמוצת חנקן ותרכובות אורגניות נדיפות לאוזון, גלי חום או תקופות שמש במיוחד יכולים להדאיג את תושבי העיר. ניטור רמות האוזון לאורך זמן יכול לבנות תמונה של סיכון פוטנציאלי, ולאפשר לרשויות לפרסם אזהרות או לבקש מהתושבים להפחית את השימוש במכוניות בזמנים של אוזון גבוה.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE למדידת אוזון טרופוספרי. כעת עליכם להבין כיצד נוצר אוזון טרופוספרי ומדוע הוא מדאיג, כיצד להכין נייר Sch?nbein לבדיקת אוזון, וכיצד לפרש את תוצאות הבדיקה. תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is tropospheric ozone and why is it considered a pollutant?
Tropospheric ozone is a molecule of three oxygen atoms (O3) that occurs in the lower atmosphere and acts as a highly reactive oxidizing agent. Unlike stratospheric ozone, which protects against UV rays, tropospheric ozone is harmful to human health and contributes to photochemical smog. It directly damages respiratory tissue when inhaled and harms plant tissues and materials like vehicle tires.
Q2: How is outdoor tropospheric ozone formed at ground level?
Outdoor tropospheric ozone forms when nitrogen oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. This reaction is more intense in sunny environments or areas with heavy automobile use, which is why ozone concentrations escalate during heatwaves or in densely populated urban centers with significant traffic.
Q3: How does indoor ozone form differently from outdoor ozone?
Indoor tropospheric ozone forms when electrical discharges from high-voltage equipment like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers break down atmospheric oxygen molecules. The resulting free oxygen radicals recombine to create ozone. This process occurs independently of sunlight, making indoor ozone formation a distinct concern in facilities with such equipment.
Q4: What is Schönbein paper and how does it detect ozone?
Schönbein paper is filter paper impregnated with starch and potassium iodide. When exposed to ozone, the ozone oxidizes the potassium iodide, producing iodine. The iodine reacts with iodide to form triiodide, which then reacts with starch, creating a deep violet stain. The color intensity indicates ozone concentration, with darker colors showing higher levels.
Q5: What are the steps for making Schönbein paper in the laboratory?
Heat 100 mL distilled water with 6 g cornstarch to approximately 90°C to form a gel. Remove from heat and add 1 g potassium iodide, stirring until dissolved. Cool for 5 minutes. Brush the paste uniformly onto both sides of filter paper on a glass plate. Dry overnight away from sunlight or in a 20°C oven. Once dry, cut into 1-inch strips and store in sealed containers away from direct sunlight.
Q6: How do you measure ozone concentration using Schönbein test strips?
Spray test strips lightly with distilled water and hang a minimum of three strips at each site for 8 hours, secured away from direct sunlight. Record relative humidity at each location. After exposure, spray strips with water and compare color to the Schönbein color scale. Calculate the average Schönbein number per site, then use a Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert readings to ozone concentration in parts per billion.
Q7: What health risks are associated with tropospheric ozone exposure?
The US Occupational Safety and Health Administration sets a safe ozone threshold at 0.1 ppm. Exposure above this level causes headaches, eye and throat irritation, lung damage, and hemorrhage. Urban areas with high automobile traffic and dense populations face elevated health concerns. Indoor facilities with high-voltage equipment should be tested to ensure worker and resident safety, as indoor and outdoor safe thresholds are identical.