Troposferisch ozon meten
Bron: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Ozon is een vorm van elementair zuurstof (O3), een molecuul van drie zuur…
1. Schönbein Papiervoorbereiding
- Plaats 100 mL gedistilleerd water in een 250-mL beker.
- Voeg 1¼ theelepel maizena toe.
- Plaats een roerlat in de beker en zet de beker op een warmteplaat. Verwarm op een medium tot hoge instelling en roer de mix langzaam tot het geel bij ongeveer 90 °C. De mix is geel als het dikker wordt en enigszins doorschijnend wordt.
- Verwijder de beker van de warmtebron, voeg ¼ theelepel kaliumjodide toe en roer goed.
- Koel de oplossing voordat je het op het filterpapier aanbrengt.
- Leg een stuk filterpapier op een glazen plaat of houd het in de lucht en gebruik een kleine kwast om voorzichtig de pasta op het filterpapier te borstelen. Draai het filterpapier om en doe hetzelfde aan de andere kant. Probeer de pasta zo uniform mogelijk aan te brengen.
- Laat het papier een nacht uitdrogen en uit de zon, of plaats het in een droogoven met een lage temperatuur (20 °C) om te drogen.
- Zodra het papier droog is, gebruik je schaar om het filterpapier in 1-inch brede stroken te snijden. Als je het papier wilt bewaren voor later gebruik, plaats je de stroken in een afsluitbare plastic zak of glazen pot, uit direct zonlicht.
2. Ozonmeting
- Spuit stroken testpapier met gedistilleerd water en hang minimaal drie stroken bij elke gegevensverzameling op locatie uit de directe zon. Hang op door een van de uiteinden van de strook stevig vast te maken met plakband of een speld aan een structuur (bijv. muur, parkeerblokken, lantaarnpalen). Stroken kunnen ook worden opgehangen met behulp van een draad waarbij het ene uiteinde in de grond wordt geslagen en het andere uiteinde aan de strook is bevestigd. Zorg ervoor dat de stroken onbelemmerd hangen.
- Stel het papier bloot gedurende ongeveer 8 uur. Noteer waar elke strook hing en gebruik weergegevens om de relatieve luchtvochtigheid op te nemen tijdens de blootstelling van het papier. Als alternatief kan een psychrometer worden gebruikt om de relatieve luchtvochtigheid van elke locatie te meten.
- Als de resultaten niet onmiddellijk worden geregistreerd, sluit de strook in een luchtdichte container na blootstelling.
- Om de testresultaten te observeren en op te nemen, spuit je het papier met gedistilleerd water.
- Observeer de kleur door deze te vergelijken met de opgegeven kleurskaal en noteer het bijbehorende Schönbein-nummer. Bereken het gemiddelde Schönbein-nummer voor elke locatie.
- Gebruik de relatieve luchtvochtigheidsgegevens voor elke locatie en de Relatieve luchtvochtigheid Schönbein-nummergrafiek (Figuur 3) om de gemiddelde Schönbein-locaties om te zetten in ozonconcentratie (ppb).
Figuur 3. Relatieve luchtvochtigheid Schönbein-nummergrafiek
Ozon is een vorm van elementair zuurstof dat voorkomt in de atmosfeer en wordt geclassificeerd als een luchtvervuilende stof die schadelijk is voor de menselijke gezondheid. Met behulp van de Schönbein-techniek kunnen ozonniveaus op interessante locaties worden gekwantificeerd. Ozonmoleculen bestaan uit drie zuurstofatomen die zijn gebonden in een structuur die zeer reactief is als oxidatiemiddel, en ze komen voor in zowel de stratosfeer als de troposfeer van de atmosfeer.
Ozonmoleculen in de stratosfeer vormen de ozonlaag, die helpt om schadelijke UV-stralen te voorkomen dat ze de aardoppervlakte bereiken. In lagere hoogten van de troposfeer is ozon schadelijk voor de menselijke gezondheid en draagt het als vervuilende stof bij aan fotochemische smog. Ozon kan direct het menselijk ademhalingsweefsel beschadigen als het wordt ingeademd, of plantenweefsels en zachtere materialen, inclusief banden op voertuigen, beschadigen.
Ozon in de troposfeer kan worden gekwantificeerd met behulp van Schönbein-papier, een mengsel van zetmeel, kaliumjodide en water verspreid op filterpapier. Eenmaal droog verandert het papier van kleur in aanwezigheid van ozon.
Deze video zal het proces van het maken van Schönbein-papier, het plaatsen en lezen van teststrips en het kwantificeren van ozonniveaus met behulp van de Schönbein-kleurskaal illustreren.
Een manier waarop ozon in de troposfeer zich vormt op grondniveau is wanneer stikstofoxides en vluchtige organische verbindingen uit auto-emissies worden blootgesteld aan zonlicht. Bijgevolg nemen de omstandigheden voor ozonvorming en verhoogde gezondheidszorgen toe in zonnige omgevingen, of op tijden of locaties met veel autogebruik.
Binnen kunnen ozon in de troposfeer worden gevormd wanneer elektrische ontlading van hoogspanningsapparatuur, zoals ionische luchtreinigers, laserprinters of kopieerapparaten, de chemische bindingen van atmosferische zuurstof in de omringende lucht breken. De vrije radicalen van zuurstof combineren vervolgens met een zuurstofatoom in de lucht om ozon te creëren.
Met behulp van Schönbein-papier, filterpapier gedrenkt met een oplossing van zetmeel en kaliumjodide, kan troposferisch ozon worden gekwantificeerd. Ozon in de lucht oxideert het kaliumjodide op het papier, waardoor jodium ontstaat. Het jodium reageert met jodide om trijodide te produceren, dat vervolgens reageert met het zetmeel dat ook op het papier aanwezig is, waardoor het een diepe violette kleur krijgt. De intensiteit van deze kleur hangt af van de hoeveelheid ozon die in de lucht aanwezig is, waarbij donkerdere kleuren hogere hoeveelheden troposferisch ozon aangeven.
Het bepalen van de ozonconcentratie met deze methode kan op bijna elke locatie worden uitgevoerd, binnen of buiten. Nu we bekend zijn met de principes achter de Schönbein-meting, laten we eens kijken hoe we het experiment kunnen uitvoeren.
Om de procedure te starten, plaatst u 100 ml gedistilleerd water in een 250-ml beker. Hieraan voegt u 6 g maizena toe. Plaats de beker op een verwarmde roerplaat. Zet de verwarming op een medium-hoge stand en roer het mengsel tot het ongeveer 90 °C bereikt en een gel vormt. Vervolgens verwijdert u de beker van de verwarming en voegt u 1 g, of 1/2 theelepel, kaliumjodide toe en roert u grondig tot het kaliumjodide is opgelost. Laat de oplossing 5 minuten afkoelen op de werkbank.
Leg een stuk filterpapier op een glazen plaat en gebruik een kleine penseel om de pasta voorzichtig op het filterpapier te borstelen. Draai het filterpapier om en herhaal aan de andere kant, waarbij u de pasta zo uniform mogelijk aanbrengt. Laat het papier een nacht uit de zon drogen. U kunt het papier ook in een droogoven op 20 °C laten drogen tot het droog is. Eenmaal droog, snijdt u het papier in stroken van 1 inch breed. Als u het papier voor later gebruik wilt bewaren, plaatst u de stroken in een afsluitbare plastic zak of glazen pot buiten direct zonlicht.
Om ozon te detecteren, spuit u de teststroken eerst licht met gedistilleerd water. Hang minimaal drie stroken op elke locatie voor gegevensverzameling uit direct zonlicht, veilig vastgemaakt aan één kant aan een structuur of opgehangen met behulp van een draad. Zorg ervoor dat de stroken onbelemmerd zijn. Laat de teststroken 8 uur hangen.
Noteer waar elke strook is opgehangen en meet met behulp van een psychrometer de relatieve luchtvochtigheid op elke locatie. Als alternatief kunt u weergegeven weerdata gebruiken om de relatieve luchtvochtigheid op elke locatie tijdens de blootstelling van het papier te registreren. Als de resultaten niet onmiddellijk worden gelezen, kunnen de stroken na de blootstelling worden afgesloten in een luchtdichte verpakking.
Om de testresultaten te observeren en op te nemen, spuit u het papier met gedistilleerd water. Observeer de kleur door deze te vergelijken met de Schönbein-kleurskaal en noteer het bijbehorende nummer. Bereken het gemiddelde Schönbein-nummer voor elke locatie.
Gebruik de gegevens over de relatieve luchtvochtigheid voor elke locatie en de tabel voor het omrekenen van relatieve luchtvochtigheid naar Schönbein-nummer om de gemiddelde Schönbein-nummers op elke locatie om te zetten in ozonconcentratie of delen per miljard.
De mogelijkheid om ozonniveaus in de troposfeer te meten en te registreren heeft veel verschillende toepassingen, en de resultaten van dergelijke tests kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor menselijke populaties.
In dichtbevolkte stedelijke centra kan de convergentie van hoog autoverkeer en een dichte menselijke bevolking een zorg zijn voor ozon-gerelateerde gezondheidsproblemen. De huidige Amerikaanse drempels voor ozon, vastgesteld door de Occupational Safety and Health Administration, liggen op 0,1 ppm. Gezondheidsrisico's van blootstelling boven dit niveau omvatten hoofdpijn; irritatie van ogen, neus en keel; longschade en bloeding, onder anderen. In het stedelijk gebied van Chicago hebben teststroken die 8 uur op een julidag in Evanston, Cicero en Northbrook zijn geplaatst, ozonniveaus van 71 ppb, 60 ppb,
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.