Измерение тропосферного озона
Источник: Лаборатории Маргарет Уоркмэн и Кимберли Фрай - Университет Деполя
Озон — это форма элементарного кислорода (O3), молекула из трех атомов кис…
1. Подготовка статьи Шёнбайна
- Налейте 100 мл дистиллированной воды в стакан объемом 250 мл.
- Добавьте 1 чайную ложку кукурузного крахмала.
- Поместите в стакан полосу для перемешивания и поставьте стакан на горячую тарелку. Нагрейте на среднем или высоком уровне и медленно перемешивайте смесь, пока она не загустеет примерно до 90 °C. Смесь желируется, когда загустевает и становится несколько полупрозрачной.
- Снимите стакан с источника огня, добавьте 1/4 чайной ложки йодида калия и хорошо размешайте.
- Остудите раствор перед нанесением на фильтровальную бумагу.
- Положите лист фильтровальной бумаги на стеклянную тарелку или подержите его в воздухе, и с помощью маленькой кисточки аккуратно нанесите клей на фильтровальную бумагу. Переверните фильтровальную бумагу и проделайте то же самое с другой стороны. Старайтесь наносить пасту как можно равномернее.
- Положите бумагу на ночь вдали от солнечных лучей или поместите в сушильную духовку при низкой температуре (20 °C) для сушки.
- Как только бумага высохнет, с помощью ножниц разрежьте фильтровальную бумагу на полоски шириной 1 дюйм. Если вы храните бумагу для последующего использования, поместите полоски в герметичный пластиковый пакет или стеклянную банку вдали от прямых солнечных лучей.
2. Измерение озона
- Сбрызните полоски тестовой бумаги дистиллированной водой и повесьте минимум три полоски на каждом месте сбора данных вдали от прямых солнечных лучей. Повесьте, надежно прикрепив один конец полосы к конструкции (, например, , парковочные блоки, фонарные столбы). Полосы также можно подвешивать с помощью проволоки, один конец которой вбит в землю, а другой конец закреплен на полосе. Убедитесь, что полоски свободно висят.
- Выдержите бумагу примерно на 8 часов. Отметьте, где была подвешена каждая полоска, и используйте данные о погоде для записи относительной влажности во время воздействия бумаги. В качестве альтернативы можно использовать психрометр для измерения относительной влажности каждого участка.
- Если результаты не будут записаны сразу, запечатайте полоску в герметичном контейнере после воздействия.
- Для наблюдения и записи результатов теста сбрызните бумагу дистиллированной водой.
- Наблюдайте за цветом, сравнивая его с предоставленной цветовой шкалой и записывая соответствующее число Шенбейна. Рассчитайте среднее число Шенбейна для каждого сайта.
- Используйте данные об относительной влажности для каждого участка и диаграмму числа Шенбейна об относительной влажности (Рисунок 3) для преобразования средних значений по Шенбейну в концентрацию озона (ppb).
Рисунок 3. Таблица чисел Шенбайна по относительной влажности
Озон — это форма элементарного кислорода, которая встречается в атмосфере и классифицируется как загрязнитель воздуха, вредный для здоровья человека. С помощью метода Шенбейна можно количественно оценить уровни озона на интересующих участках. Молекулы озона состоят из трех атомов кислорода, связанных в структуру, которая обладает высокой реакционной способностью в качестве окислителя, и они встречаются как на стратосферном, так и на тропосферном уровнях атмосферы.
Молекулы озона в стратосфере образуют озоновый слой, который помогает предотвратить попадание вредных ультрафиолетовых лучей на поверхность Земли. В более низких температурах тропосферы озон вреден для здоровья человека и, будучи загрязнителем, способствует образованию фотохимического смога. Озон может напрямую повреждать дыхательные ткани человека при вдыхании или наносить вред тканям растений и более мягким материалам, включая шины на транспортных средствах.
Присутствие озона в тропосфере может быть количественно определено с помощью бумаги Шенбейна, смеси крахмала, йодида калия и воды, нанесенной на фильтровальную бумагу. После высыхания бумага меняет цвет в присутствии озона.
В этом видео будет проиллюстрирован процесс изготовления бумаги Шенбейна, размещения и чтения тест-полосок, а также количественного определения уровня озона с помощью цветовой шкалы Шенбейна.
Одним из способов формирования тропосферного озона на открытом воздухе на уровне земли является воздействие солнечного света на оксиды азота и летучие органические соединения, образующиеся в результате автомобильных выбросов. Следовательно, условия для образования озона и обострение проблем со здоровьем возрастают в солнечной среде, а также в периоды или в местах интенсивного использования автомобилей.
В помещении тропосферный озон может образовываться, когда электрический разряд от высоковольтного оборудования, такого как ионные очистители воздуха, лазерные принтеры или копировальные аппараты, разрушает химические связи атмосферного кислорода в окружающем воздухе. Затем свободные радикалы кислорода соединяются с молекулой кислорода в воздухе, образуя озон.
Используя бумагу Шенбейна, фильтровальную бумагу, пропитанную крахмалом и раствором йодида калия, можно количественно определить тропосферный озон. Озон в воздухе окисляет йодид калия на бумаге, производя йод. Йод вступает в реакцию с йодидом с образованием трийодида, который затем вступает в реакцию с крахмалом, также присутствующим на бумаге, окрашивая ее в темно-фиолетовый цвет. Интенсивность этого цвета будет зависеть от количества озона, присутствующего в воздухе, при этом более темные цвета указывают на большее количество тропосферного озона.
Определение концентрации озона с помощью этого метода может быть выполнено практически на любом объекте, в помещении или на открытом воздухе. Теперь, когда мы знакомы с принципами, лежащими в основе измерения Шенбейна, давайте рассмотрим, как провести эксперимент.
Чтобы начать процедуру, налейте 100 мл дистиллированной воды в стакан объемом 250 мл. К этому добавляем 6 г кукурузного крахмала. Поместите стакан на нагретую тарелку для перемешивания. Увеличьте огонь до средне-высокого уровня и перемешивайте смесь, пока она не достигнет примерно 90 ? C и образует гель. Далее снимите стакан с источника тепла и добавьте 1 г, или ? чайной ложки йодида калия и тщательно перемешайте до полного растворения йодида калия. Дайте раствору остыть в течение 5 минут на столе.
Положите лист фильтровальной бумаги на стеклянную тарелку и с помощью маленькой кисточки аккуратно нанесите пасту на фильтровальную бумагу. Переверните фильтровальную бумагу и повторите с другой стороны, нанося пасту как можно равномернее. Положите бумагу на ночь вдали от солнечных лучей для высыхания. В качестве альтернативы поместите в сушильную печь при температуре 20 ? C до полного высыхания. После высыхания нарежьте бумагу на полоски шириной 1 дюйм. Если вы храните бумагу для последующего использования, поместите полоски в герметичный пластиковый пакет или стеклянную банку вдали от прямых солнечных лучей.
Чтобы обнаружить озон, сначала слегка опрыскайте полоски тестовой бумаги дистиллированной водой. Повесьте минимум три полосы на каждом месте сбора данных вдали от прямых солнечных лучей, надежно закрепленные одним концом на конструкции или подвешенные на проволоке. Убедитесь, что полоски не загорожены. Оставьте тест-полоски висеть на 8 часов.
Обратите внимание, где была подвешена каждая полоска, и с помощью психрометра измерьте относительную влажность в каждом месте. В качестве альтернативы, получая доступ к данным о погоде, записывайте относительную влажность в каждом месте во время воздействия бумаги. Если результаты не будут прочитаны сразу, полоски можно запечатать в герметичный контейнер после воздействия.
Для наблюдения и записи результатов теста сбрызните бумагу дистиллированной водой. Понаблюдайте за цветом, сравнив его с цветовой шкалой Шенбейна, и запишите соответствующее число. Рассчитайте среднее число Шенбейна для каждого сайта.
Используйте данные об относительной влажности для каждого участка и диаграмму Относительная влажность по Шенбейну для преобразования средних значений по Шенбейну в концентрацию озона, или частей на миллиард.
Возможность измерения и регистрации уровней тропосферного озона имеет множество разнообразных применений, и результаты таких тестов могут иметь значительные последствия для человеческой популяции.
В густонаселенных городских центрах конвергенция интенсивного автомобильного трафика и плотного населения может стать причиной проблем со здоровьем, связанных с озоном. В настоящее время в США пороговые значения содержания озона, установленные Управлением по охране труда, составляют 0,1 ppm. Риски для здоровья при воздействии выше этого уровня, включая головные боли; раздражение глаз, носа и горла; повреждение легких и кровотечение, среди прочего. В городских районах Чикаголенда тестовые полоски, размещенные в течение 8 часов в июльский день в Эванстоне, Цицероне и Нортбруке, зафиксировали уровни озона 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb соответственно.
В помещении безопасные пороговые значения уровня озона такие же, как и на открытом воздухе, и несут те же потенциальные риски для здоровья. Для обеспечения безопасности рабочих или жильцов здания любые помещения с большим количеством высоковольтного оборудования должны быть проверены на уровень озона. Полоски, помещенные в помещение копировального аппарата в течение 8 часов, зафиксировали уровень озона в помещении 5 ppb, что значительно ниже руководящих принципов Управления безопасности США.
Из-за действия солнечного света, превращающего закись азота и летучие органические соединения в озон, волны тепла или исключительно солнечные периоды могут вызывать беспокойство у городских жителей. Мониторинг уровня озона с течением времени может составить картину потенциального риска и позволить властям выпускать предупреждения или просить жителей сократить использование автомобилей в периоды высокого содержания озона.
Вы только что посмотрели введение JoVE в измерение тропосферного озона. Теперь вы должны понять, как образуется тропосферный озон и почему это вызывает беспокойство, как сделать бумагу Шенбейна для проверки на озон и как интерпретировать результаты тестов. Спасибо за просмотр!
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.